Schalldämmung Auf die Abstände kommt es an

Autor / Redakteur: Dipl.-Ing. Hans A. Härle / Jan Vollmuth

Der Wirkungsgrad und das Frequenzspektrum von Gewebeschallabsorbern werden durch den Abstand der Durchgänge bestimmt, der durch Walzen beeinflusst werden kann.

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Ein Beispiel für den Einsatz eines Gewebeabsorbers als partielle Schallkapselung für Elektromotoren, die eine Schalldämpfung von etwa 20 dB erreicht.
Ein Beispiel für den Einsatz eines Gewebeabsorbers als partielle Schallkapselung für Elektromotoren, die eine Schalldämpfung von etwa 20 dB erreicht.
(Bild: Härle Produktentwicklung)

Gewebeabsorber weisen einen Wirkungsmechanismus auf, der dem von Mikroperforierten Absorbern (MPA) entspricht. Das Prinzip des Helmholtz-Resonators kombiniert mit der erhöhten Reibung in den engen Durchgängen ist auch hier zu finden. Deren Dimensionierung bestimmt die Frequenzselektivität und den Grad der Absorption. Durch Walzen des Gewebes kann die Weite der Durchgänge und damit der Grad der Perforation geändert werden.

Mikroperforierte Absorber (MPA) bestehen aus einer perforierten dünnen Platte oder Folie vor einem eingeschlossenen Luftvolumen. Die in den Löchern befindliche Luft hat eine Masse, die im Zusammenwirken mit der Steifigkeit des eingeschlossenen Luftvolumens ein schwingungsfähiges System nach dem Prinzip eines Helmholtz-Resonators darstellt, der bei der Resonanzfrequenz eine maximale Absorption aufweist.

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Die Löcher sind aber gegenüber üblichen Helmholtz-Resonatoren sehr eng ausgelegt, woraus sich typischweise ein sehr kleiner Perforationsgrad σ (= gesamte Lochfläche / Gesamtfläche der Platte, in der Regel < 2 %) ergibt. Der geringe Durchmesser der Löcher zielt darauf ab, den Luftdurchgang auf die akustische Grenzschicht zu beschränken, in der eine viskose Reibung besteht, sodass die Schnelle über den Lochquerschnitt uneinheitlich ist.

Durch diese Reibung wird ein erhöhter Absorptionsgrad erreicht, ohne Dämmmaterialien in das eingeschlossene Volumen einbringen zu müssen. Die Dicke δ der Grenzschicht ist frequenzabhängig und damit ist auch die Abmessung der Löcher auf den angedachten Frequenzbereich, in dem der Absorber effektiv wirken soll, anzupassen.

Vielfach sind die Löcher rund (Ø = 2r0) und für diesen Fall wird in der Literatur [1] der dimensionslose Reibungsparameter x = r0/δ mit folgender Abhängigkeit von der Frequenz angegeben: x = 0,65 r0 √f. Da ein x nahe 1 angestrebt wird, lässt sich darüber der passende Durchmesser für einen bestimmten Frequenzschwerpunkt ableiten. Kann die bei der Reibung erzeugte Wärme durch das Lochplattenmaterial (z.B. Metall) besonders gut abgeleitet werden, so ändert sich die Gleichung zu x = 0,42 r0 √f.

Absorptionsgrad kann durch Walzen des Gewebes angepasst werden

Die Löcher müssen nicht rund, sondern nur so dimensioniert sein, dass der angesprochene Effekt der viskosen Reibung zum Tragen kommt. Dies kann auch mit einem Gewebe realisiert werden, bei dem die Löcher durch die Zwischenräume zwischen den Maschen gebildet werden. Durch Walzen des Gewebes kann die Dimensionierung der Zwischenräume variiert und damit die Frequenzselektivität wie der Grad der Absorption in gewissem Rahmen Vorgaben angepasst werden.

Der hier behandelte Gewebeabsorber Poroblech besteht aus Metall oder Kunststoff. Wird das dicht gewobene Gewebe nach dem Weben (etwa) auf die Dicke 2r (= Drahtdurchmesser) zusammen gepresst oder gewalzt, so verringern sich die Drahtabstände bSP in den Submillimeterbereich. Bild 1 (siehe Bildergalerie) zeigt schematisch die Anordnung:

V0 ist Bestandteil des zwischen dem Gewebe und einer schallharten Wand eingeschlossenen Luftvolumens V (Bild 2). Der Absorber ist besonders wirksam, wenn der Abstand zwischen dem Gewebe und einer schallharten Wand gleich Wellenlänge λ/4 ist, da dann der Ort der maximalen Schnelle in der Gewebeebene liegt.

(Entsprechende grundlegende Betrachtungen mit mathematischer Herleitung der Resonanzfrequenz finden Sie in der Bildergalerie).

Das Tressengewebe aus querlaufenden Kettdrähten und zunächst dicht anliegenden, noch gegenläufig schräg zueinander laufenden Schussdrähten verändert sich durch Walzen: die Schussdrähte verlaufen jetzt nahezu parallel. Vergrößerungen des Gewebes zeigen, dass sich beim Walzen eine gleichmäßige Schlitzstruktur ergibt. Die Geometrie ist komplexer als bei einer gelochten Platte, weshalb analytische Lösungen zur Beschreibung des Verhaltens auch nur Näherungslösungen sein können, die dennoch einen guten Anhalt geben, wenn bestimmte Eigenschaften erzielt werden sollen.

(Siehe Bilder 3 bis 5 in der Bildergalerie).

Beste Ergebnisse erzielte innen ausgekleidetes Stahlblech

Die Ergebnisse von Messungen sollen die Wirkung eines Absorbers im Vergleich zu anderen Lösungen aufzeigen. Dazu wurde ein Lautsprecher in verschiedene Würfelkonstruktionen eingebracht und der von ihm erzeugte Pegel in einem festgelegten Abstand frequenzselektiv gemessen. Eingangs wurde der Lautsprecher frei abstrahlend betrieben, um diesen Zustand mit in den Vergleich einzubeziehen. Bild 6 in der Bildergalerie zeigt die Verläufe.

Die obere Kurve (dunkel blau) gibt den Pegelverlauf bei dem frei abstrahlenden Lautsprecher wieder. Der Verlauf ist im Wesentlichen durch die A-Bewertung und die Übertragungscharakteristik des Lautsprechers geprägt. Bei der zweiten Kurve von oben (lila) bestand der Würfel, in dem sich der Lautsprecher befand, aus Poroblech. Da hier die Reibung in den Schlitzen nicht durch einen Resonanzeffekt unterstützt wird, resultiert daraus nur eine geringe Dämpfung in den höheren Frequenzen. Eine deutliche Verbesserung erbringt ein Würfel aus 1-mm-Stahlblech (gelbe Kurve).

Eine darüber hinaus wesentliche Verbesserung wird durch das Auskleiden des Stahlwürfels innen mit Poroblech erreicht (blaue Kurve), und zwar im Abstand von 30 mm. Dieser Abstand wurde durch Abstandshülsen fixiert. Die oben angesprochene λ/4-Bedingung kommt bei diesem Aufbau zur Geltung, denn im Frequenzbereich zwischen 2 kHz und 3 kHz ist die Verbesserung besonders deutlich.

Gewebeabsorber lassen sich in vielfältiger Weise zur Schalldämpfung einsetzen. Nachfolgend sind zwei beispielhafte Anwendungsfälle aufgeführt. Der erste ist eine partielle Schallkapselung für Elektromotoren. Bild 7 zeigt Details des Absorbers und der Kapsel, Bild 8 den Pegelverlauf über der Frequenz ohne und mit der Kapselung. Die Gesamtkonstruktion wirkt hier ziemlich breitbandig, nur bei ca. 1400 Hz ist ein gewisser Einbruch der Dämpfung zu beobachten. Trotzdem ergibt sich insgesamt eine Dämpfung von etwa 20 dB, auch bei den Spitzenwerten im Pegelverlauf.

Gewebeabsorber bieten sich für zahlreiche Anwendungen an

Ein weiteres Beispiel ist der Einsatz von Gewebeabsorbern in einem Kulissenschalldämpfer, eingesetzt bei einer Wärmepumpe. Bild 9 zeigt die Anordnung, bei der ein solcher Schalldämpfer sowohl in den Zuluft- als auch Abluftkanal eingefügt ist. Da Wärmepumpe konstruktionsbedingt häufig zu Lärmbelästigungen im Bereich tiefer Frequenzen führen, ist die Wirkung des Schalldämpfers in diesem Bereich von besonderem Interesse. Bild 10 weist hier eine besonders hohe Dämpfung von ca. 15 dB aus, wobei darüber hinaus für diese Messung nur ein Schalldämpfer in den Abluftkanal eingefügt war.

Neben den akustischen Eigenschaft sind weitere Eigenschaften in der Praxis von Belang. Dazu gehören die Stabilität der Kennwerte, Resistenz gegen Umweltbelastungen, geringe Anfälligkeit gegen Verschmutzung oder zumindest gute Reinigungsmöglichkeiten. Auch bezüglich solcher Anforderungen haben sich Gewebeabsorber in der Praxis bewährt. (jv)

[1] Fuchs, Helmut V.; Schallabsorber und Schalldämpfer; Springer Verlag 2010.

Zur Firma: HPI Härle Produktentwicklung

* Dipl.-Ing. Hans A. Härle ist Inhaber von HPI Härle Produktentwicklung in Bopfingen.

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