Projekt 18501/01

Streifenabsorber als Energie sparende Schallschutzkomponente

Projektträger

Nießing Stahlbau-Stahlschornsteinbau GmbH
Marbecker Str. 74
46325 Borken
Telefon: 02861/945-114

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Schalldämpfer werden konventionell als mineralwollegefüllte Absorptions-Bauelemente in zwei Konfigurationen gebaut: als
Rohr-Schalldämpfer (mit und ohne Kern) oder als Kulissenschalldämpfer. Die konventionellen SD haben folgende Nachteile: a) akustische: poröse Absorber schlucken den Schall nicht gleichmäßig stark über den gesamten Frequenzbereich (50 Hz bis 10 kHz), sondern gut bei den hohen Frequenzen (von etwa 1000 Hz an aufwärts) und schlecht bei den tiefen. Das führt in der Praxis regelmäßig dazu, dass beim Einsatz poröser Absorber entweder die Anforderungen bei den tiefen Frequenzen nicht erfüllt werden. oder die SD bei mittleren und hohen Frequenzen stark überdimensioniert werden, nur um die Anforderungen bei den mittleren und tiefen Frequenzen einigermaßen zu erfüllen. b) strömungstechnische: sobald Schalldämpfer Einbauten haben, kommt es zu Druckverlusten, die mit erhöhter Leistungsaufnahme im Aggregat bezahlt werden. Außerdem können sich die mit Mineralfasern gefüllten Schalldämpfer an den Oberflächen zusetzen und unterliegen einem steigenden Druckverlust. Die Folge ist eine stetige Erhöhung der Energiekosten sowie eine periodische Reinigung der Schalldämpfereinbauten bzw. deren Wechsel. Tieffrequente Anteile des Lärmes lassen sich mit bereits existierenden neuen Resonatorsystemen reduzieren, die mittleren mit dem neuartigen Streifenabsorber. Die verbleibenden, höheren Frequenzen werden durch einfache poröse Absorber ausgelöscht. Durch den Einsatz des neuen Streifenabsorbers sollen Schalldämpfersysteme breitbandig ausgeführt werden können, um gänzlich auf konventionelle Einbauten verzichten zu können.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDas vorhandene Berechnungsmodell für Streifenabsorber bei senkrechtem Schalleinfall wurde für den Fall des streifenden Schalleinfalls in Kanälen (Schalldämpfer) erweitert und in ein PC-Programm zur praxisnahen Berechnung der Einfügungsdämpfung integriert. Die Einflüsse hoher Strömungsgeschwindigkeiten und hoher Temperaturen wurden in das Modell zur Berechnung der Einfügungsdämpfung implementiert und zugleich experimentell überprüft. Beim Einsatz in Kanälen mit hoher Staub- und Schmutzbelastung der Luftströmung sowie bei aggressiven Medien sind Schutzmaßnahmen der Spalte zu berücksichtigen. Unterschiedliche Möglichkeiten wurden in das Berechnungsmodell einbezogen und in Verbindung mit Messungen optimiert. Anhand der experimentellen Untersuchungen an Modellen wurden die spezifischen Einflüsse von Einbaubedingungen bzw. Konfigurationen für diverse Einsatzfälle untersucht. Dazu gehörte der Entwurf und Aufbau beispielhafter Schalldämpfer.


Ergebnisse und Diskussion

Die durchgeführten theoretischen und messtechnischen Untersuchungen haben gezeigt, dass der Streifenabsorber eine wirkungsvolle Maßnahme zur Lärmminderung bei mittleren Frequenzen darstellt. Die Vergleiche von gerechnetem und gemessenem Absorptionsgrad weisen sehr gute Übereinstimmung auf und bestätigen die theoretischen Annahmen. In der Ausführung als Kulissenschalldämpfer oder Kanalauskleidung sind die Abweichungen zwischen Messung und Rechnung größer. Gründe hierfür sind zum einen in der Art des Schallfeldes zu suchen, da z.B. der Einfluss von ausbreitungsfähigen und unvermeidlichen höheren Moden in der Modellierung nicht enthalten ist. Andererseits sind Fertigungstoleranzen und Schwankungen der Materialparameter, vor allem beim Strömungswiderstand des Absorbers, bei den, im Vergleich zur Absorptionsgradmessung, nun viel größeren Mustern mit ausschlaggebend. Dennoch lässt sich der Streifenabsorber mit der Lage des Dämpfungsmaximums gut über die Berechnung auslegen und messtechnisch nachvollziehen. Aus den Rechenverfahren ist ein PC-Programm zur Auslegung des Streifenabsorbers entstanden, das für Kanalauskleidungen, Kulissen- und Rohrschalldämpfer anwendbar ist.
Bei den systematischen Untersuchungen wurde großer Wert darauf gelegt, die Einflüsse herauszuarbeiten, die eine möglichst einfache Herstellung ermöglichen, ohne die Wirkung zu vermindern. Im Ergebnis liegen nun auch produktionstechnisch optimierte Muster vor. Die besten Ergebnisse wurden mit Kulissen und ebenen Randauskleidungen erzielt. Die optimalen Absorberschichtdicken liegen für die Abstimmung des Streifenabsorbers auf 250 Hz bis 800 Hz im Bereich von 50 mm bis 150 mm. Die Breite der Abde-ckungsstreifen liegt dabei zwischen ca. 100 mm und 200 mm, die offene Schlitzbreite zwischen 5 mm und 20 mm. Verschieden abgestimmte Streifenabsorber können hintereinander angeordnet werden. Bei einer Randauskleidung ist die Kombination verschieden abgestimmter Streifenabsorber über dem Umfang möglich und erlaubt eine breitbandigere Wirkung. Im Vergleich zu üblichen Absorptionsschalldämpfern kann mit dem Streifenabsorber bei seiner Resonanzfrequenz und darunter die doppelte Dämpfung erreicht werden. Die Wahl des Abdeckungsmaterials ist unkritisch, solange die Abdeckung selbst schallhart und stabil genug gegenüber den Kräften aus der Strömung bleibt. Strömungsgeschwindigkeiten über 20 m/s sollten in Abgasanlagen generell vermieden werden, da sonst die dabei entstehenden Strömungsgeräusche an den Schalldämpfern den Pegel dominieren können. Zusätzlich wird bei höheren Geschwindigkeiten die als schwingende Masse wirkende Luft in den Spalten mitgerissen und der Resonator kann sich nicht ausbilden. Der schwierigste Teil bei der Optimierung lag im Schutz der offenen Schlitze. Eingelegte Folien bieten den besten Schutz, vermindern die Dämpfung jedoch deutlich. Einfacher in der Produktion und ohne nachteilige Wirkung ist eine dünne Einlage aus Edelstahlwolle, die sich reinigen lässt und eine bereits bewährte Lösung darstellt. In einigen Versuchen wurde noch weiter gegangen und die streifenförmige Abdeckung durch eine vollflächige Abdeckung ersetzt. Damit entsteht ein gänzlich anderer Resonator, der sich aber, wie die Messungen belegen, durch geeignete Wahl der Parameter ebenfalls auf den gewünschten Frequenzbereich bei vergleichbarer Wirkung auslegen lässt. Diese mit dem Verbundplatten-Resonator verwandte Ausführung birgt durch seine noch einfachere Kon-struktion erhebliches Potential für zukünftige Schalldämpferentwicklungen. Eine Kombination mit hochwirksamen und robusten tieffrequent abgestimmten Resonatoren, wie dem eckigen Innenzug, ist konstruktiv einfach möglich. Der daraus aufgebaute Schalldämpfer deckt den technisch schwieriger zu beherrschenden Frequenzbereich bis 800 Hz mit deutlich höherer Dämpfung ab und eignet sich für raue Einsatzbedingungen.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die erste Veröffentlichung über die Wirkungsweise des Streifenabsorbers erfolgte in der Zeitschrift Bauphysik. Weitere Veröffentlichungen in Fachzeitschriften sind geplant. Eine Präsentation der Ergebnisse und von Prototypen kann auf der DAGA 04 in Straßburg erfolgen.


Fazit

Auf Grundlage theoretischer Modellierungen wurde der Streifenabsorber als Schalldämpfer beschrieben und in umfangreichen Messungen untersucht. Durch Optimierung der Abdeckungsparameter wurden verschieden abgestimmte mittelfrequent wirksame Schalldämpfer mit hoher Dämpfung erreicht. Geeignete Schutzmaßnahmen ermöglichen die Anwendung unter harten Einsatzbedingungen.