Kiener Maschinenbau GmbH„Entwicklung eines umweltfreundlichen,
metallischen Lärm- und Hitzeschildes für LKW-Fahrerhäuser auf der
Basis von Poroblech“
Abschlussbericht über ein Entwicklungsprojekt, gefördert unter dem
AZ 27647 von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt
Projektleiter: Dipl.-Kfm. techn. Jürgen Kiener Tel.: 07363/950-115
Fax.: 07363/950-362 Email:
[email protected] Laufzeit des
Vorhabens: vom 26.11.2009 bis 30.04.2011 Lauchheim, den
24.10.2011
„Entwicklung eines umweltfreundlichen, metallischen Lärm- und
Hitzeschildes für LKW-Fahrerhäuser auf der Basis von
Poroblech“
Abschlussbericht über ein Entwicklungsprojekt, gefördert unter dem
AZ 27647 von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt
Projektleiter: Dipl.-Kfm. techn. Jürgen Kiener Tel.: 07363/950-115
Fax.: 07363/950-362 Email:
[email protected] Laufzeit des
Vorhabens: vom 26.11.2009 bis 30.04.2011 Lauchheim, den
24.10.2011
11/99 Projektkennblatt
Hitzeschildes für LKW-Fahrerhäuser auf der Basis von
Poroblech
Stichworte Produkt Fahrzeug, Lärm
Zwischenberichte 31.05.2010,
Tel 07363/950-115 Fax 07363/950-362 Projektleitung Jürgen Kiener
Bearbeiter Jürgen Kiener
Kooperationspartner keine
Zielsetzung und Anlass des Vorhabens Die Belastung der Fahrer von
LKW ist durch die Einwirkung von Hitze und Lärm besonders im
Fernverkehr sehr hoch. Die Quellen der Umweltbelastung in der
Fahrerkabine sind der Motor und die angeschlossenen Aggregate.
Grund ist die meist unbefriedigende Isolierung der Fahrerkabine
gegenüber den Antriebsaggregaten, die sich bei modernen LKW meist
unmittelbar unter der Fahrerkabine befinden. Die Entwicklung eines
metallischen Lärm- und Hitzeschildes aus Poroblech verspricht hier
erhebliche Vorteile gegenüber den heutigen Lösungen. Kern der
angestrebten Lösung ist eine neuartige Erfindung, das so genannte
„Poroblech“. Bei dem patentierten Material handelt es sich um ein
auf definierte Dicke gewalztes Metallgewebe, das auf Grund seiner
porösen Struktur schalldämpfende Eigenschaft besitzt und in
Verbindung mit anderen Materialien sehr gut als Schall- und
Hitzeschutzschild eingesetzt werden kann. Im beantragten Projekt
soll ein modulares Lärm- und Hitzeschildsystem aus Poroblech
entstehen, das sich aus standardisierten Elementen aufbauen lässt.
Diese Lösung hat den Vorteil, dass daraus mit geringem Aufwand
viele Varianten hergestellt werden können.
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten Methoden Das
Projekt wurde in 4 Phasen unterteilt. Jede Projektphase enthielt
mehrere Arbeitspakete: 1 Planung AP 1.1 Klären der Aufgabenstellung
Im Vorfeld der Entwicklung wurden u.a. Kundenanforderungen
hinterfragt. Hierbei wurden auch die Schwachstellen des bisherigen
Systems aufgezeigt. Diese Arbeiten wurden in einem
interdisziplinären Team durchgeführt, das zusammengesetzt wird aus
Vertretern der Konstruktion, der Fertigung, der Montage und des
Projektpartners Spedition Brucker. AP 1.2 Anforderungsliste Die im
AP 1.1 erarbeiteten Informationen und Unterlagen fanden Eingang in
eine Anforderungsliste, die die Basis bildete für die Konzeptphase.
AP 1.3 Detaillierter Terminplan Zur genauen Planung der zeitlichen
Abläufe, der verfügbaren und benötigten Kapazitäten und zur
Reservierung der Fertigungsanlagen wurde ein detaillierter
Terminplan erstellt. 2 Konzeption AP 2.1 Teilfunktionen und
Baugruppen Der Schallabsorber besteht aus den Teilsystemen:
Absorber und Befestigung / Halterung AP 2.2 Suche nach
Lösungsprinzipien Für die beiden Teilsysteme wurden basierend auf
den Ergebnissen der Ist-Zustandsanalysen Lösungsprinzipien
erarbeitet. Für den Absorber sind insbesondere zu betrachten:
Materialien, alternative Sandwich-Bauweisen und
Oberflächenstrukturen. Für die Befestigungssysteme sind die
gefundenen Verhältnisse an den LKWs maßgebende Einflussgrößen für
die geometrische Auslegung. Grundlegend wurde aber untersucht, wie
vermieden werden kann, dass sich Körperschall von den Anbauteilen
auf den Absorber übertragen, um zu vermeiden, dass dieser
seinerseits zu einer Schallquelle wird. Hierzu wurden spezielle
Versuchaufbauten zur Ermittlung des Verlustfaktors der
Körperschallweiterleitung bei Einsatz von Poroblech hergestellt. AP
2.3 Akustische Modellbildung Untersuchungen zum Wirkprinzip der
gefundenen Lösungsprinzipien und Berechnung am PC für ein- und
mehrlagige Absorber. Optimierung hinsichtlich der Parameter der
Schichtenfolgen für maximale Absorption und minimale Transmission.
AP 2.4 Morphologischer Kasten Die günstigsten Lösungsprinzipien
wurden in einem so genannten morphologischen Kasten
zusammengefasst. Hierbei entstanden eine Vielzahl von
realisierbaren Lösungen, die hinsichtlich Machbarkeit und
erwarteter Zielerreichung bewertet werden. AP 2.5 Konzeptvarianten
Es wurden die aussichtsreichsten Konzeptionen die unterschiedliche
Einbauverhältnisse untersucht. Trotz der Vorgabe, einen modularer
Aufbau und mögliche bzw. notwendige Standardisierung der Module zu
erreichen, zeigte sich sehr schnell die Notwendigkeit einer
späteren Variantenkonstruktion. AP 2.6 Patent- und Schutzrechte
Bestehenden Schutzrechte und eine ergänzende Patent- und
Gebrauchsmusterrecherche wurden durchgeführt. AP 2.7 Anfertigung
und schalltechnische Untersuchung von Versuchsmustern Basierend auf
den Vorarbeiten wurden für die aussichtsreichsten Varianten
Versuchsmuster hergestellt, die dann im Labor schalltechnisch
untersucht wurden. Ein Abbruch des Projektes wurde aufgrund der
Erfolg versprechenden Konzeptionen ausgeschlossen. AP 2.8 Prototyp
Nach Vermessung der hergestellten Handmuster wurde ein
einbaufähiger Prototyp hergestellt und nach Einbau in ein Fahrzeug
einem realitätsnahen Praxistest unterzogen. Insbesondere wurden
während der Probefahrten Lärm- und Temperaturmessungen in der
Kabine vorgenommen und mit identischen Messungen vor Einbau des
Schallabsorbers - Prototyps verglichen. Zusätzlich wurde eine
Testreihe im Labor der Daimler AG durchgeführt. AP 2.9
Kundenbefragung Das Projekt wurde verschiedenen Anwendern
vorgestellt. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse wurden in das
bestehende Konzept eingearbeitet. AP 2.10 Pflichtenheft Nach der
Festlegung des endgültigen Konzepts und der Berücksichtigung der
Kundenwünsche aus der Kundenbefragung wurde die bestehende
Anforderungsliste zu einem detaillierten Pflichtenheft
erweitert.
3 Entwurf AP 3.1 Maßstäblicher Entwurf Im endgültigen maßstäblichen
Entwurf wurde das Konzept soweit konkretisiert, dass die
notwendigen Fertigungsdokumente wie Einzelteilzeichnungen,
Aufbaupläne und CAD-Produktmodelle abgeleitet werden konnten. Dabei
zeigte sich auch die Möglichkeit einer Variantenkonstruktion. AP
3.2 Materialfestlegung und Dimensionierung Hier erfolgte die
Festlegung der zu verwendenden Materialien und die Dimensionierung
der Bauteile. AP 3.3 Festigkeitsberechnungen,
Strukturuntersuchungen Nach Festlegung der wichtigsten Parameter
insbesondere für die Befestigungselemente wurden diese auf ihre
Belastbarkeit hin überprüft. Dabei wurde festgestellt, dass diese
den spezifischen Anforderungen im LKW genügen. AP 3.4
Fertigungsprüfung Die vorhandenen Betriebsmittel sind für die
Herstellung der Einrichtungsteile geeignet. AP 3.5 Endgültiger
Entwurf Im endgültigen Entwurf wurden alle Erkenntnisse der
Arbeitspakete 3.2 bis 3.4 eingearbeitet. AP 3.6 Prototypenprüfung
Die Prototypenprüfung berücksichtigte die Vorgaben des vorher
festgelegten Erprobungsprogrammes. Aufgrund der gewonnen
Erkenntnisse wurde zu diesem Zeitpunkt auch die wirtschaftliche
Komponente des Projektes betrachtet. Dabei zeigten sich vor allem
in Bezug auf die Materialkosten große Defizite bzgl. der
Vermarktung eines solchen Lärm- und Hitzeschildes. 4 Dokumentation
AP 4. Projektdokumentation und Schlussbericht Im Schlussbericht
wurden alle gewonnenen Ergebnisse zusammenfassend
dokumentiert.
Deutsche Bundesstiftung Umwelt An der Bornau 2 49090 Osnabrück Tel
0541/9633-0 Fax 0541/9633-190 http://www.dbu.de
Ergebnisse und Diskussion Das Projekt zielte darauf ab, einen Lärm-
und Hitzeschild für LKW Fahrerhäuser zu entwickeln. Die dabei
durchgeführten Testreihen und Versuchsaufbauten zeigten in bezug
auf die Hitzeschildfunktion deutliche Fortschritte durch den
Einsatz von Poroblech. In Bezug auf die Thermoergebnisse zeigte der
Einbau der Einsatz des Unterbodens bestehend aus Poroblech und
einer Aluminium – Knitterfolie eine starke Temperaturabsenkung von
über 25 C°. Dies werten wir als erheblichen Fortschritt. Allerdings
zeigten die Schallpegelergebnisse bei den durchgeführten Messungen
am Fahrzeug nur eine leichte Innengeräuschreduzierung im
Fahrerhaus, die jedoch nicht den Erwartungen entspricht und deshalb
in einer weiteren Optimierungsschleife noch verbessert werden
müssen. Die durchgeführte Variantenkonstruktion für
unterschiedliche LKW-Baureihen muss für eine Serientauglichkeit
eines Lärm- und Hitzeschildes auf Basis von Poroblech
weiterverfolgt werden, allerdings ist vor allem in Bezug auf die
Reduzierung der Herstellkosten ein wesentlicher Fokus zu setzen.
Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation keine Fazit Das entwickelte
Lärm- und Hitzeschild zielt darauf ab, Lärm- und Hitzeeinwirkung
der Antriebsaggregate eines LKW auf den Innenraum des Fahrerhauses
zu reduzieren. Lärm wird dabei nicht nur zurück gehalten sondern
absorbiert. Die aus den Antriebsaggregaten kommende Wärme wird
dabei schnellstmöglich an die Umgebung abgeleitet, respektive vom
Fahrerhaus fern gehalten. Die Messergebnisse zeigen dabei eine
Absenkung der Temperatur um über 25°C. Dieses Entwicklungsziel ist
deshalb als Erfolg zu bewerten. Die Reduzierung des Schalls
innerhalb des Fahrerhauses bzw. an die Umgebung abstrahlenden Lärms
ist in den ersten Versuchsreihen nicht in dem erhofften Ausmaß
gelungen. Gründe hierfür sind vor allem in dem breiten
Frequenzspektrum zu sehen, das von den Antrieben und Fahrgeräuschen
erzeugt wird und mit einfachen Mitteln nicht absorbiert werden
kann. Die Schallabsorption gelingt bei den so genannten
λ/4-Absorbern nur, wenn die die Schallwellen „bremsenden“ Poren im
Abstand von einem Viertel der Wellenlänge wirksam werden. Bei
niederfrequentem Schall führt dies entweder zu erheblichen
Baugrößen oder deutlichem Verlust an Effizienz. Bei hochfrequentem
Schall sind dagegen nur geringe Baugrößen notwendig. Der benötigte
Kompromiss in der Bauart muss in weiteren Versuchsaufbauten
genauere analysiert werden, um allen Einfluss- und Zielgrößen
gerecht zu werden. Dies erfordert sowohl die weitere Suche nach
geeigneten Materialien, als auch Optimierung von Porengröße,
Oberflächenstruktur, Geometrie, Anzahl von absorbierenden Lagen und
Füllstoffen. Daraus lässt sich voraussichtlich für bestimmte
Frequenzen ein Ergebnis finden, das den Zielvorstellungen gerecht
wird. Auf Grund der bisher gemachten positiven Versuchsergebnisse,
sind wir der Auffassung, dass mit dem Aufbau einer weiteren
Entwicklungsschleife akustische Hitzeschilder schon in einem
Versuchsfahrzeug dauerhaft getestet werden können. Bezüglich der
Vermarktung ist ein wesentlicher Risikofaktor der Preis für die
eingesetzten Materialien, insbesondere für Metalle, der sich
derzeit ständig verändert. Preissteigerungen müssen auf die
Endprodukte umgelegt werden. Bei deutlich höheren Verkaufspreisen
würde die Akzeptanz der Leichtbauprodukte im Kundenkreis schwinden.
Bei der aktuellen Literatur- und Patentrecherche sind uns von
dritter Seite bisher keine adäquaten akustischen Hitzeschilder für
LKW- Fahrerhäuser bekannt geworden. Wir haben geplant, den
akustischen Hitzeschild nach vorgeschrittener Entwicklung beim
Deutschen Patent und Markenamt anzumelden.
Deutsche Bundesstiftung Umwelt An der Bornau 2 49090 Osnabrück Tel
0541/9633-0 Fax 0541/9633-190 http://www.dbu.de
Abschlussbericht DBU – AZ 27647
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3.2.1 Erstellung von Schallpegeldiagrammen für die
unterschiedlichen Absorbersysteme 11 3.2.2 Messung des
Schallabsorptionsgrades α in Funktion zum Abstand zur Schallhart-
reflektierenden
Wand....................................................................................................................
12 3.2.3 Messung des Absorptionsgrad α in Funktion zum Hohlraum-
Abstand d................... 12 3.2.4 Absorptionsgrad α-
Verbesserung durch Noppung des Gewebeabsorbers ............... 13
3.2.5 Herleitung der Luft- Resonanzfrequenz Gleichung fo aus der
Helmholtz- Resonanzgleichung
......................................................................................................................
14
3.3 Konstruktion des Sandwichsaufbaues
.................................................................................
20 3.3.1 Bauteilanforderungen
..................................................................................................
20 3.3.2 Konstruktion des Sandwichsaufbaues:
.......................................................................
20
3.4 Schallabsorptions-Messung im
Impedanzrohr.....................................................................
22 3.5 Schallabsorptions-Messungen in der
Alphakabine..............................................................
23 3.6
Hochdruckreinigungsversuch...............................................................................................
26 3.7
Salzspühtest.........................................................................................................................
26 3.8 Test der
Hitzeschildfunktion.................................................................................................
27 3.9 Auswertung der akustischen Messreihen und Zwischenfazit
.............................................. 28 3.10
Weiterführende
Testreihen...................................................................................................
28 3.11 Entwicklung eines akustisches – Hitzeschildes für LKW
..................................................... 33 3.12
Ergebnisdarstellung
.............................................................................................................
38 3.13 Variantenkonstruktion
..........................................................................................................
39
Abschlussbericht DBU – AZ 27647
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Abschlussbericht DBU – AZ 27647
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b Spaltlänge D Dicke d Hohlraum- Abstand fo Frequenzbereich K
Federkonstante Km Mündungskorrektur M Masse m’ Flächenmasse p
Dichte r’ Strömungswiderstand s’ Steifigkeit So Spaltfläche Sp
Spalt v Schallschnelle Vo Volumen X Grenzschichtparameter α
Absorptionsgrad δ Grenzschichtdicke Verlustfaktors Ξ Reibung σ
Lochflächenverhältnis τs Schalltransmission
Abschlussbericht DBU – AZ 27647
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1 Zusammenfassung Gegenstand und Ziel des FuE- Vorhabens ist die
Entwicklung eines leichten und robusten akustischen Hitzeschildes
aus Sandwichplatten in modularer Kastenbauform, welches von den
bisherigen Bauformen und eingesetzten Materialien abweicht.
Zielsetzung war die Absenkung der Innenraumtemperatur im
Fahrerhaus, um hierdurch eine Kraftstoffeinsparung durch Vermeidung
unnötiger Klimatisierung zu erreichen. Des Weiteren sollte das
Innenraumgeräusch, und den an die Umgebung abgegebenen Lärm
verhindert werden. Hierbei wurden in verschiedenen
Entwicklungsstufen grundlegende Sandwichaufbauten entwickelt, und
auf den möglichen Einsatzzweck LKW-Fahrerhaus optimiert. Hierbei
sind vor allem Impedanzrohr- und Alphakabinenmessungen zu erwähnen.
Anschließend wurden diese Ergebnisse auf einen LKW-Unterboden
übertragen und verschiedene Prototypen ganz oder teilweise
eingebaut. In Bezug auf die Thermoergebnisse zeigte der Einbau der
der Al – Knitterfolie eine starke Temperaturabsenkung von über 25
C° an einzelnen Messpunkten. Dies ist als absoluter Erfolg zu
betrachten. Die Schallpegelergebnisse bei den durchgeführten
Messungen am Fahrzeug zeigen nur eine leichte
Innengeräuschreduzierung im Fahrerhaus. Diese Ergebnisse könnten in
einer weiteren Optimierungsschleife noch verbessert werden. Zur
Optimierung der Schallpegelergebnisse muss eine erweiterte
Materialauswahl in betracht gezogen werden, um ein Optimum an
Absorption und Baugröße zu erreichen, respektive ein möglichst
breites Frequenzband abgedeckt werden kann. Zusätzlich muss die
gesamte Einbausituation neu überdacht werden, da es sich in einem
ersten Verwertungsplan nur um eine Nachrüstung bestehender
Fahrzeuge handeln kann. Zur Durchführung der Test wurden wir von
folgenden Firmen unterstützt:
- Daimler Benz AG - Rieter automotive - HP Pelzer - Spedition
Brucker
Abschlussbericht DBU – AZ 27647
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2 Einleitung
2.1 Ausgangssituation Die Belastung der Fahrer von LKW ist durch
die Einwirkung von Hitze und Lärm besonders im Fernverkehr sehr
hoch. Die Quellen hierfür sind der Motor und die angeschlossenen
Aggregate. Grund ist die meist unbefriedigende Isolierung der
Fahrerkabine gegenüber den Antriebsaggregaten, die sich bei
modernen LKW meist unmittelbar unter der Fahrerkabine befinden.
Durch Kontakte zu Spediteuren und Herstellern von LKW wurde Kiener
auf die Problematik der unzureichenden Isolation der Fahrerhäuser
gegen Lärm und Hitze aufmerksam. Die Anwendung von Poroblech als
metallisches Lärm- und Hitzeschild verspricht hier erhebliche
Vorteile gegenüber den heutigen Lösungen. Ein wesentlicher
Hinderungsgrund für die Anwendung von Poroblech in den
Fahrerkabinen besteht darin, dass für die großflächige Auskleidung
der Fahrerhäuser große Bauteile erforderlich sind, die den stark
zerklüfteten Räumen angepasst werden müssen. Es ist wegen der hohen
Kosten für die erforderlichen Werkzeuge deshalb in der Regel nicht
wirtschaftlich, diese aus einem Stück herzustellen. Benötigt werden
deshalb modulare Lösungen, die sich aus standardisierten Elementen
aufbauen lassen. Diese haben den Vorteil, dass daraus mit geringem
Aufwand viele Varianten hergestellt werden können, allerdings auch
den Nachteil höherer Montagekosten, weshalb eine Optimierung des
gesamten Prozesses von Herstellung und Montage notwendig ist.,
wofür bisher noch keine ausreichenden Grundlagen vorhanden
sind.
2.2 Zielsetzung Der Ansatz, Lärm und Hitze an LKW-Fahrerhäusern
durch metallische Materialien auf der Basis des Poroblechs zu
absorbieren bzw. abzuleiten und diese modular herzustellen, um
möglichst ohne großen Aufwand an die verschiedensten Typen
angepasst werden zu können, ist bisher noch nicht gegangen worden
und bietet die Chance, völlig neuartige Produkte zu schaffen. Es
sollte deshalb ein Absorber entwickelt werden, der gegenüber
konventionellen Lösungen die folgenden Vorteile erwarten
lässt:
hohe Schallabsorption hohe Wärmereflektion umweltfreundliche
Materialien kein Schimmel- und Bakterienbefall Vermeidung von
Brandrisiken einfache, zerstörungsfreie Reinigung mit Wasserstrahl
Nachrüstbarkeit hohe Flexibilität geringe Bauhöhe geringere
Kosten
Die qualitativen Ziele des Vorhabens sind im Einzelnen: 1)
Entwicklung eines Schallabsorbers für LKW-Fahrerkabinen unter
Verwendung von
Poroblech, mit dem Folgendes erreicht wird:
eine deutliche Reduzierung der Lärmbelastung in der Kabine
Reduzierung der Wärmeeinwirkung innerhalb der Fahrerkabine
Abschlussbericht DBU – AZ 27647
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Reduzierung der
Werkzeugkosten, die für die Umformung des Ausgangsmaterials in die
der Fahrerkabine angepasste Form benötigt werden
Konstruktions-, Werkzeug- und Fertigungskosten für die Anpassung an
unterschiedliche Typen von Fahrerkabinen
Zeit für Varianten-Konstruktion und Fertigungsvorbereitung
2.3 Stand der Technik Zur Reduzierung der thermischen und
insbesondere der akustischen Dauerbelastung der Fahrer hat es große
Anstrengungen gegeben, doch dringt Lärm in Form von abgestrahlten
Körperschallwellen vom Motor und Wärme in noch unerwünschter hoher
Intensität in die Fahrerzelle ein. Die eingesetzten Materialien -
Schaumstoffe mit durchgängigen Poren, Basalt und Glasfaser usw. -
dämpfen und dämmen zwar die Wärme und den Lärm, sind aber in ihrer
Wirkung begrenzt und haben auch den Nachteil, dass sie nicht
wärmefest sind, sich auflösen durch Zerfasern und ein gewisses
Setzverhalten und somit an Wirkung verlieren. Ein weiterer Nachteil
dieser Materialien ist, dass sie sich mit Flüssigkeiten voll saugen
können und, sofern Dieselkraftstoff und Benzin beteiligt ist, zu
einer hohen Brandgefahr führen können. Außerdem lassen sie sich
schlecht reinigen, wodurch es zu Schimmel- und Bakterienbefall
kommt. Als elementarer Nachteil dieser Isolierungen ist zu nennen,
dass sie beim Reinigen mit einem Hochdruck-Wasserstrahl zerstört
werden. Diese Nachteile lassen sich durch Einsatz eines
metallischen Sandwichs auf Basis von Poroblech vermeiden.
Abschlussbericht DBU – AZ 27647
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3 Hauptteil Im Folgenden sind die bisher durchgeführten
Entwicklungsschritte, die zu einem leisen und gut temperierten
Führerhaus führen, dargestellt.
3.1 Wirkprinzipien und theoretische Betrachtungen zur Auslegung von
Akustischen- Hitzeschilder für einen LKW
3.1.1 Akustische Wirkprinzipien des Gewebe-Schallabsorbers
Poroblech ist ein Gewebeabsorber aus Metall oder Kunststoff bei dem
die Porosität durch zusammenpressen des Gewebes eingestellt werden
kann. Die Luftschallabsorption erfolgt durch Reibung der hin und
her schwingenden Luftmoleküle in der Luftgrenzschicht zwischen den
Gewebedrähten. Wird das dicht gewobene Metallgewebe, nach dem Weben
auf die Dicke 2r zusammen gepresst oder gewalzt, so verringern sich
die Drahtabstände Sp in den Submillimeterbereich von ca. 0,03 mm.
Die Schuss- und Kettdrähte pressen sich ineinander. Die
Schussdrähte zwischen den Kettdrähten, die vor dem Pressen
gegenläufig schräg zueinander liefen, verlaufen jetzt nahezu
parallel. In dem Gewebeabsorber schwingt die Luft, in den vielen,
nebeneinander angeordnet, Poren Sp als Masse zusammen mit dem
abgeschlossenem Luftvolumen der Dicke d (λ/4) als Feder-Masse-
Resonator. Bei allen porösen Luftschallabsorbern, in denen
Luftschwingungen durch Reibung bedämpft werden sollen, spielt das
Verhältnis aus Pore quer zur Schwingungsrichtung und
Grenzschichtdicke δ eine wichtige Rolle. Für Poren mit dem Spalt Sp
liefert Z. B. der Grenzschichtparameter X ein dimensionsloses
Verhältnis
X = Sp /2δ = 1 X = Sp/2 0,65 √ fo fo = (Sp/2x 0,65)² Man kann also
die Mikroperforation des Gewebes durch Walzen oder Pressen, je nach
avisiertem Frequenzbereich fo, so einrichten, dass für Sp im
Submillimeter-Bereich X nicht viel größer als von 1 abweicht; Sp in
m; 0,65 Faktor ohne Wärmeleitung ; 0,42 Faktor mit
Wärmeleitung.
Abschlussbericht DBU – AZ 27647
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Abbildung 1: Tressengewebe ungewalzt
Abbildung 2: Tressengewebe gewalzt
Mit entsprechend engen Spalten kann man die Reibung für die
Schallschwingung so einstellen, dass es zur optimalen
Schallabsorption kommt, so dass es kein zusätzliches
Dämpfungsmaterial vor oder hinter dem „Gewebe - Absorber“
bedarf.
Abschlussbericht DBU – AZ 27647
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3.1.3 Akustische- Absorber: Aufbau Man unterscheidet akustische
Absorber mit rückseitig freien Wandaufbau also die rückseitig nicht
schallhart abgeschlossen sind (netto Absorber) bei der demnach die
Schallenergie über Reibung Ξ in Wärme umgewandelt wird. Bei
Schallabsorbern, die rückseitig schall abgeschlossen sind, (brutto
Absorber) treten keine Verluste durch Schalltransmission τs auf und
der Verlustgrad entspricht dem Absorptionsgrad. Man unterscheidet
drei Absorberaufbauten bei denen die Schallabsorber
1. frei angeordnet sind (netto Absorber) nach Christian Thomas 2.
direkt auf einer schallharten reflektierenden Wand angebracht sind
3. in einem gewählten Abstand d zur schallharten reflektierenden
Wand angebracht sind
(brutto Absorber) 4. verfüllte Absorber bei denen der Abstand zur
schallharten reflektierenden Wand mit
einem zusätzlichen Absorber verfüllt werden (Schaumstoff o.
Glaswolle) Der dritten Variante stellt einen akustischen Resonator
dar, als mechanisches Masse- Feder- Dämpfer- System. Dabei
repräsentiert die Flächenmasse m’ die Masse der Luft in den Spalten
und die Feder mit der flächenbezogenen Steifigkeit s’ das hinter
den Spalten befindliche Luftvolumen des Hohlraumes.
s’=ρc²S²/V=ρc²(πa²)²/de² und die Luft in den Spalten als Masse
m’
m’=ρ(lo+2Δl)/σ =a²π/e²
Pe
Pr
Pe
Absorber
Abschlussbericht DBU – AZ 27647
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3.2.1 Erstellung von Schallpegeldiagrammen für die
unterschiedlichen Absorbersysteme
In dem in Abbildung 4 dargestellten Schallpegeldiagramm sind die
Dämm – und Dämpfwirkungen der einzelnen Schallabsorbersysteme
aufgeführt: 1.) Die obere blaue Kurve zeigt die Schallabstrahlung
eines Lautsprechers mit weißem Rauschen ohne Dämmung. 2.) Die lila
Kurve zeigt die Abstrahlung bei übergestülpten Poroblechwürfel über
den Lautsprecher aus Poroblech F, glatt, verz.. 3.) Die gelbe Kurve
zeigt die Abstrahlung bei übergestülpten Stahlblechwürfel 4.) Die
untere blaue Kurve zeigt die schallabstrahlungs Reduzierung, wenn
über den strahlenden Lautsprecher ein 30 mm dickes Schallabsorber-
Resonanzsystem gestülpt ist.
Abbildung 4: Schallpegel-Diagramm Poroblechwürfel
Abschlussbericht DBU – AZ 27647
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3.2.2 Messung des Schallabsorptionsgrades α in Funktion zum Abstand
zur Schallhart- reflektierenden Wand
Plaziert man den Gewebe-Schallabsorber im Abstand von λ/4 vor einer
schallhart- reflektierenden Wand, so erfährt die Schallschnelle v
eine Verdoppelung durch Überlagerung der reflektierten Schallwellen
zu einer stehenden Welle.
Abbildung 5: Diagramm Abstand zur Schallhart-reflektierender
Wand
Die Luftmoleküle werden in der Grenzschicht zwischen den Spalten am
effektivsten durch Reibung gebremst, wenn diese eine hohe
Schallschnelle v aufweisen. Die Reibung ist proportional zur
Schallschnelle. In Folge dessen wird die auftreffende Schallenergie
durch den Schallabsorber in Wärme umgewandelt.
3.2.3 Messung des Absorptionsgrad α in Funktion zum Hohlraum-
Abstand d
Abbildung 6: Diagramm Funktion zum Hohlraum – Abstand d
Abschlussbericht DBU – AZ 27647
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Abbildung 7: Noppung des Gewebeabsorbers
Auswirkung der Noppung:
1.) Anhebung der Mündungskorrektur 2ΔL 2.) Vergrößerung der
Absorberfläche 3.) hoher Absorptionsgrad 4.) breitbandige
Absorption
In der nachfolgenden Abbildung 8 ist die Wirkungsweise der Noppung
dargestellt.
Schnitt Schallwelle
sp
sp
3.2.5 Herleitung der Luft- Resonanzfrequenz Gleichung fo aus der
Helmholtz- Resonanzgleichung
fo=c/2π√So/Vo(l+2Δl)
o = √ K/M
Masse M = ρo (2r+2ΔL)b So Federkonstante K = ρo c² S²o / Vo Volumen
Vo = d(2r+Sp)b Spaltfläche So = Spb Lochflächenverhältnis σ =
Sp/(2r+Sp ) Spaltlänge b Absorber- Dicke 2r+2ΔL Mündungskorrektur
2ΔL = Km
fo = c/2π √ So/ Vo 2(r+ΔL)
fo = c/2π√Spb/(Sp+2r)b d2(r+ΔL)
fo = c/2π√σ/ d2(r+ΔL) Wirkfunktion: Die Luft schwingt in den vielen
nebeneinander angeordneten Reib-Spalten als Masse m’ zusammen mit
der im Zwischenraum Vo befindlichen Luft, welche als Feder wirkt.
Dabei wird in besonderer Weise inhärente Dämpfung aktiviert, die
zur Schallabsorption beiträgt. Der Hauptunterschied zum
konventionellen Helmholtz- Resonator liegt in dem höheren
Strömungswiderstand r’ und der geringeren Luftmasse m’ in den
Reib-Spalten, die sehr stark von der Luftschallfrequenz
abhängen.
Sp Sp
Abschlussbericht DBU – AZ 27647
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Nachfolgend ist der Absorptionsgrad in Funktion zum Lochdurchmesser
b deutlich erkennbar bei gleichem Lochflächenverhältnis
dargestellt. Absorptionsgrad α in Funktion zur Porengröße: Die
mittlere Kurve beschreibt einen konventionellen Helmholtz –
Resonator mit zu geringer Dämpfung - und Bandbreite. Die unterste
Kurve Δ ist ein überdämpfter Resonator mit viel zu kleinen Löchern
und hoher Reibung. Demgegenüber zeigt die obere Kurve schon die
charakteristische Breitbandigkeit eines MPA- Resonators mit hohem
Absorptionsgrad von 0,9 auf.
Abbildung 10: Absorptionsgrad Porengöße
Erweitert man den Lochdurchmesser der unteren Kurve Δ auf 0,3 mm
und den Lochabstand a von 1,13 mm auf 1,35 mm, so verdreifacht sich
das Lochflächenverhältnis σ auf 0,039, so sinkt die Reibung auf
einzehntel von 14,49 (Pas/m) auf 1,42 (Pas/m) und die Porenzahl pro
m² reduziert sich von 784000 auf 549000 Poren. Die Luftmasse m’
verdreifacht sich, so dass sich dadurch der Absorptionsgrad
vervierfacht.
Abschlussbericht DBU – AZ 27647
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Abbildung 11: Absorptionsgrad Porengröße
Will man die Bandbreite vergrößern, so kann man dies bei gleichem σ
mit kleinerem b und damit größerem r’ erreichen. Allerdings steigt
der Aufwand durch die höhere Lochzahl. Das Maximum verschiebt dabei
um etwa 300 Hz in den höheren Frequenzbereich. Man kann den MPA in
Analogie zum einfachen Feder/Masse-System hinsichtlich ihrer Haupt-
Resonanzfrequenz charakterisieren fMPA = c/2π√σ/d 2r Km (Hz) Bei
der Betrachtung der Aufgabe wirft sich die Frage auf in wie Fern
kann man den reinen nur mit einer Öffnung versehenen
Helmholtz-Resonator mit einem MPA Plattenabsorber vergleichen kann.
Die Luftschallabsorption findet durch Luftresonanz beim
Helmholtzresonatoren und bei MPA Resonatoren statt, wobei die Masse
m’ im Hals als auch die Federsteife s’ im Volumen V von der Luft
gebildet wird. Die Resonanzfrequenz eines solchen
Masse-Federsystems ist. fo=1/2π√s’/m’ fo=C/2π√S/V(lo+2Δl)
Abschlussbericht DBU – AZ 27647
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Helmholtz Resonator MPA Resonator Schlitzplatten Resonator
Abbildung 12 Resonator Setzt man voraus, dass jedes einzelne Loch
ein dahinter liegendes Volumen von der Seitenlänge e und der Tiefe
d hat so wird V zu:
V = d e²
Abschlussbericht DBU – AZ 27647
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In die Helmholtz Formel fo = c / 2π√S/(lo+2Δl)V eingesetzt die zur
Berechnung der Resonanzfrequenz fo führt, ergibt
fo = c/2π√πa²/(lo+2Δl)de²
m=ρ(lo+2Δl)/σ =a²π/e²
m=ρe²(lo+2Δl)/a²π eingesetzt ergibt
fo=c/2π√πa²/(lo+2Δ l)de²(ρe²(lo+2Δl)²/(a²π)²
1/m=a²π/ρe²(lo+2Δl)
fo=c/2π√ρ/dm
fo=59,3075/√dm
fo=60/√md Die wichtigste Größe ist die Dichte ρ Für die Herleitung
der Resonanzfrequenz in einem MPA Resonator kann man auch über den
Ansatz der Wandimpedanz gehen. Diese setzt sich aus Real- und
Imaginärteil zusammen Aus der Masse jm und der Feder s/j
W=R+jm+s/j (Ns/m³) Der Massenbelag m’ wird berechnet
m’=ρloπa² pro Loch
m’=ρlo/ pro Absorberfläche (kg/m²) Das Luftpolster V wird
berechnet
V=de² (m³) Die Federsteife s’ beträgt demnach
s’=ρc²S²/V=ρc²(πa²)²/de² Um den Massenbelag von der Lochfläche
unabhängig zu machen und gleichzeitig einen Bezug zum
Lochflächenverhältnis herzustellen, dividieren wir durch die
Lochfläche πa² und durch das Lochflächenverhältnis πa²/e² und
erhalten somit
s’=ρc²(πa²)²/de² /πa²πa²/e² =ρc²/d
ρc²=Kad Kad=K=1,410²10³ ( Pa)
Abschlussbericht DBU – AZ 27647
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s=Kad/d Die Resonanzfrequenz fo ist dort zu finden wo der
Imaginärteil der Wandimpedanz zu Null wird.
( ωm- s/ω )=0 ---- ωo² =s/m ---- ωo=√Kad/md --- 2πfo=ωo
fo=1/2π√Kad/√md =1/2π√1,41 10³10²/md
fo=60/√md
Die wichtigste Größe ist hier der Kompressionsmodul Kad = 1,41 10³
10² Pa Die Abstimmungsgleichung des Helmholtz Resonators mit nur
einer Öffnung entspricht der eines MPA Plattenresonators mit vielen
kleinen Schlitzen oder Bohrungen. Betrachtet man nun die zwei
Skizzen des einzeln Helmholtz Resonators und des MPA Absorbers: ²
Abbildung 13: Helmholtz Resonator so kann man die Helmholtz
Resonatorfrequenz
fHz=c/2π√SH/V(lo+2Δlo) auf die spezifischen MPA Absorbers
gekennzeichnete Größen d=Wandabstand σ=Lochflächenverhältnis
a=Lochradius e²=Absorberfläche SA umschreiben:
fHz=c/2π√SH/V(lo+2Δlo) in fMPA=c/2π√a²π/e²d(lo+2Δlo) Wobei a²π/e² =
σ und SH=a²π und SA=e² und V=e²d ist
fMPA=c/2π√ σ/d(lo+2Δlo) 2Δlo=KMZ
fMPA=c/2π√ σ/dloKMZ
3.3.1 Bauteilanforderungen hohe Schallabsorption α 0,6 – 0,9 bei
einer Frequenz zwischen 800 Hz – 2300 Hz Hohe Wärmereflektion kein
Schimmel und Bakterienbefall nicht zerstörbar mit Hochdruckreiniger
nicht brennbar geringe Bauhöhe geringe Herstellkosten
3.3.2 Konstruktion des Sandwichsaufbaues: Das Sandwich hat eine
frequenzabhängige Bauhöhe von 10 mm bis 35 mm. Die zur Lärm- und
Wärmequelle zugewandten Seite besteht aus dem
metallischen Gewebeabsorber Poroblech F (F für gefügt, gewalzt).
Die schallreflektierende Gegenwand besteht aus einem genoppten,
verzinktem
Stahlblech mit einer Dicke von 0,4 mm bis 0,8 mm und einer
Noppenhöhe von ca. 1,5 mm.
Der Zwischenraum wird zur thermischen Abschirmung und zur
akustischen Absorption mit mindestens drei Lagen mikroperforierte
Noppenfolie aus Aluminium ausgekleidet. (siehe Bild unten)
Gewebeabsorber Mikroperforierte Noppenfolie Noppenblech
Abbildung14: Sandwichaufbau
Alternativ kann der Zwischenraum auch mit einer einfachen
Wabenstruktur aus Aluminium oder in Kombination mit Noppenfolien
verfüllt werden, wobei die Wabe als Distanzelement und zur
Schallkassetierung dient. Der Zwischenraum wird durch Distanznieten
fixiert. Das Sandwich kann alternativ aus Stahl oder Aluminium
hergestellt werden.
Um die Schalltransmission τ noch weiter zu verringern, wurden
unterschiedliche Varianten von Sandwichaufbauten geplant. In einer
Alternative wurde u.a. das genoppte Gegenblech mit dem stark
dämpfenden Poroblech F.
3.4 Schallabsorptions-Messung im Impedanzrohr Da die
schallabsorbierende Frequenz bei einer Halbwertsbreite fH zwischen
800 Hz und 2300 Hz liegen soll, haben wir Sandwichs in Höhe von 10
mm bis 20 mm ohne Zwischenraumverfüllung ausgewählt und mit einem
Impedanzrohr Ø 45 mm als Stichversuch vermessen.
Abbildung 16: Schallabsorptionsgrad - Messung Impedanzrohr Ø 45
mm
Abschlussbericht DBU – AZ 27647
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3.5 Schallabsorptions-Messungen in der Alphakabine Vermessung
verschiedener Sandwichaufbauten und Wandabstände d mit und ohne
Waben. Als neue Alternative wurde ein genopptes Poroblech F mit
einer Noppenhöhe von 1,7 mm, dessen Absorptionsgrad um ca. 30%
höher liegen soll, mit glattem Poroblech F getestet und
verglichen.
Abbildung 17: Vergleichsmessung - genopptes und glattes
Poroblech
Die akustischen Messungen und Optimierungen wurden von uns in den
Akustiklaboren der Firmen Daimler-Benz AG, Rieter Automotive und HP
Pelzer durchgeführt.
Abschlussbericht DBU – AZ 27647
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Abschlussbericht DBU – AZ 27647
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Abbildung 21: Vergleichsmessung – glattes Poroblech F ohne
Wabenstruktur
Abschlussbericht DBU – AZ 27647
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3.6 Hochdruckreinigungsversuch Um die konstruierten
Sandwichaufbauten weiter zu testen wurden schon in der ersten
Entwicklungsschleife Hochdruckreinigungstests bei 150 bar
Wasserdruck und einem Düsenabstand von 100 mm durchgeführt. Dieser
Test soll den Nachweis erbringen, dass die Außenhaut des
metallischen Gewebeabsorbers Poroblech F durch den
Hochdruckwasserstrahl nicht zerstört werden kann.
Abbildung 22: Hochdruckreinigungsversuch
3.7 Salzspühtest Um die Witterungsbeständigkeit weiter zu
untersuchen, wurde in einer Salzsprühkammer bei Raumtemperatur über
einen Zeitraum von 240 Stunden eine Zerstörungsprüfung mit einem
Poroblechmuster durchgeführt. Dabei zeigte sich an dem 0,6mm dicken
Gewebe aus verzinkten Stahl keinerlei Rotrostbildung. Zusätzlich
wurde ein weiteres zusammengeschweißtes Muster
(Rollschweißverfahren) untersucht. Auch hier ist keinerlei
Witterungseinfluss zu erkennen.
Abschlussbericht DBU – AZ 27647
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Abbildung 23: Hitzeschildaufbau 9mm mit Ergebnisreihe
Abbildung 24: Hitzeschildaufbau 20mm mit Ergebnisreihe
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Ermittlung des Schallabsorptionskoeffizienten α in Funktion zum
Wandabstand d in einem Frequenzband im Impedanzrohr
Untersuchungen zur Wand-Schallabstrahldämpfung Ermittlung des
Verlustfaktors von Poroblech F
Ermittlung der Schallpegelminderung durch Luftschallabsorption und
Körperschalldämpfung.
Zuerst wurden bei Federal Mogul Versuche zur Bestimmung des
Absorptionsgrades von Poroblech F Nr. 8 in Funktion zum Wandabstand
d durchgeführt. Die Porobleche wurden ein- und zweilagig in einem
Abstand von 5 mm, 10 mm und 20 mm zur schallharten Wand
geprüft.
Abbildung 25: Versuchsaufbau Federal Mogul -
Impedanzrohrmessung
Die Ursache der Breitbandigkeit des Frequenzspektrums des
Absorptionsgrades liegt in den vielen kleinen eng liegenden
Reibspalten. Die Verschiebung der Kurven in den niederfrequenten
Bereich in Funktion zum größeren Wandabstand ist deutlich
zuerkennen. Auch die Doppellagigkeit der Porobleche mit dem höheren
Reibungswiderstand Ξ ist in Funktion zum Absorptionsgrad
ersichtlich.
Abschlussbericht DBU – AZ 27647
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Abbildung 26: Ergebnisse Impedanzrohrmessung
Weitere Absorptionsgradmessungen mit dem Impedanzrohr mit den
Abständen d zur schallharten Wand 110 mm, 50 mm und 20 mm sind im
nachstehenden Diagramm ersichtlich.
Abbildung 27: Diagramm zu Impedanzrohr mit unterschiedlichen
Abständen zur Wand
Abschlussbericht DBU – AZ 27647
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Um die Wirkung Luftschallabsorption zu untermauern wurden bei der
Firma HP Pelzer weiterführende Schallmessungen durchgeführt.
04.03.2008 2Bernd Borgmann, Technischer Bericht
Messung Alphakabine Absorptionsgrad α / Äquivalente
Absorptionsfläche
Volumen: 6,44 m³ Oberfläche (innen): 22,6 m² Dimensionen [m]: 3,22
x 2,37 x 2,03 Gewicht: 1830 kg
Bestimmung der Absorption
Messung der Absorption im statistischen Schallfeld
Alphakabine
Die Absorption wird mit Hilfe der Sabin´schen Formel durch
Bestimmung der Nachhallzeiten ermittelt. Die Messung der
Nachhallzeiten erfolgt an 5 Positionen in einem Radius von
1m.
−∗∗==
1200*1000
Proben Benötigt werden plane Proben mit einer Probenfläche von
1,2m² oder Formteile, die eine Probenfläche von 0,6m² nicht
unterschreiten. Bei Formteilen muss die Messung entsprechend der
späteren Verwendung (Einbau) durchgeführt werden, dass heißt auf
einem Blech- oder Modelteil.
Abbildung 28: Messungen Alphakabine HP Pelzer
04.03.2008 5Bernd Borgmann, Technischer Bericht
Messung Alphakabine Porobleche F Nr.8 (sortiert nach
Wandabstand)
RIETER ALPHAKABINE - Absorptionkoeffizent αS gemessen bei dif fusem
Schalleinfall
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0,70
0,80
0,90
1,00
1,10
1,20
400 500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3150 4000 5000 6300 8000
10000
Frequenz [Hz]
A bs
or pt
io nk
oe ffi
zi en
Poroblech F Nr.8 Stahl verz. 0.6mm WA=0mm
RIETER ALPHAKABINE - Absorptionkoeffizent αS gemessen bei diffusem
Schalleinfall
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0,70
0,80
0,90
1,00
1,10
1,20
400 500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3150 4000 5000 6300 8000
10000
Frequenz [Hz]
A bs
or pt
io nk
oe ffi
zi en
Poroblech F Nr.8 Stahl verz. 0.6mm WA=5mm
RIETER ALPHAKABINE - Absorptionkoeffizent αS gemessen bei dif fusem
Schalleinfall
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0,70
0,80
0,90
1,00
1,10
1,20
400 500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3150 4000 5000 6300 8000
10000
Frequenz [Hz]
A bs
or pt
io nk
oe ffi
zi en
Poroblech F Nr.8 Stahl verz. 0.6mm WA=10mm
RIETER ALPHAKABINE - Absorptionkoeffizent αS gemessen bei dif fusem
Schalleinfall
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0,70
0,80
0,90
1,00
1,10
1,20
400 500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3150 4000 5000 6300 8000
10000
Frequenz [Hz]
A bs
or pt
io nk
oe ffi
zi en
Poroblech F Nr.8 Stahl verz. 0.6mm WA=20mm
Wandabstand 0mm Wandabstand 5mm
Wandabstand 10mm Wandabstand 20mm
Abschlussbericht DBU – AZ 27647
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0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
1,1
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000
Frequency [Hz]
A bs
or pt
io n
[-]
Poroblech Nr 8 genoppt Rahmen abgeklebt Serie: Messserie 5 mm
Bodenabstand Poroblech Nr 8 genoppt Rahmen abgeklebt Serie:
Messserie 10 mm Bodenabstand Poroblech Nr 8 genoppt Rahmen
abgeklebt Serie: Messserie 15 mm Bodenabstand Poroblech Nr 8
genoppt Rahmen abgeklebt, 33 mm Serie: Wabenstruktur
Abbildung 31: Messergebnisse Alphakabine - Poroblech genoppt
Abschlussbericht DBU – AZ 27647
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Als weiterführende Versuche ermittelten wir die
Schallpegelreduzierung, der von uns entwickelten akustische
Hitzeschilder- Sandwiches. Die Sandwiches haben eine Dicke von 9 mm
und 20 mm, diese Dicke wurde vorab konstruktiv aus vielen
Einsatzfällen ermittelt. Der konstruktive Aufbau der Sandwiches ist
in den Abbildung 23 und 24 dargestellt.
Schalldruckpegeldiagramm Sandwich 9mm + 20mm dick
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
)
79,9 ohne Sandwich 64,4 mit S.W. 20mm 2xPoroblech 66 mit S.W. 9mm
2xPoroblech 66,3 mit S.W. 9mm 1xPorobl. S.W. 20mm 1xPorobl. MAN
Akkustischhe Belastung von der Motorseite
Acoustic Products Anton-Grimmer-Str. 2 D-73466 Lauchheim
27.11.2007 Härle/Uhl Nr. 142
Schalldruckpegeldiagramm Sandwichentwicklung
verschiedene Sandwich
)
79,9 ohne Sandw ich 68,1 mit Leerraum 9mm 66,6 mit 2 Knickfolien
glatt 9mm 69,4 mit 2 microperf. Knickfol. 9mm 67,9 mit Stahlw olle
9mm 67,2 mit Leerraum 20mm 65,5 mit 4 Knickfolien glatt 20mm 64,4
mit 4 microperf. Knickfol. 20mm 66,4 mit Stahlw olle 20mm 64,4 mit
S.W. 20mm 2xPoroblech 66 mit S.W. 9mm 2xPoroblech 66,3 mit S.W. 9mm
1xPorobl. S.W. 20mm 1xPorobl.
Acoustic Products Anton-Grimmer-Str. 2 D-73466 Lauchheim
27.11.2007 Härle/Uhl Nr. 136
Abschlussbericht DBU – AZ 27647
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Die Messergebnisse bestätigen den hohen Wirkungsgrad der Aufbauten.
Diese Multi- Wall- Struktur mit den mehrfachen
Strahlungsschutzschirmen die den Wärmeübergang durch Leitung klein
hält und den geringen Strahlungswärmefluss nutzt, wird in die
Entwicklung des akustischen Hitzeschildes für NFZ oder LKW
aufgenommen.
3.11 Entwicklung eines akustisches – Hitzeschildes für LKW
Basierend auf den Ergebnissen der voran dargestellten
Untersuchungen wurden verschiedene Prototypen in ein uns zur
Verfügung gestelltes Fahrerhaus eingebaut. Die Bilder zeigen die
Unteransicht bei hochgestelltem Fahrerhaus.
Abbildung 34: LKW - Fahrerhaus konventionell (links) und mit
Poroblech (rechts)
Abbildung 35: Prototyp LKW-Unterboden - Seitenabdeckung
Abschlussbericht DBU – AZ 27647
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Abbildung 36: Prototyp LKW-Unterboden
Erste Schallpegelmessung am Fahrzeug ohne Motor. Als Schallstrahler
wurde ein Lautsprecher mit weißem Rauschen eingesetzt. Bei diesem
Versuch war die klare Erkenntnis, dass man auf eine zusätzliche
Hinterfütterung mit einem Schallabsorbermaterial verzichten
kann.
Abbildung 37: Schallpegelmessung LKW - Fahrerhaus
Abschlussbericht DBU – AZ 27647
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Abbildung 39: Poroblech-Tunneldämpfung ohne Aluminium
Knitterfolieneinlage
Die hergestellten Unterböden wurden von uns im Versuchslabor der
Daimler Benz AG getestet und bewertet.
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Abbildung 41: Messergebnisse 0,6mm Poroblech mit AL-Folie Daimler
Benz AG
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Abbildung 42: Messergebnisse 0,6mm Poroblech ohne AL-Folie Daimler
Benz AG
Abschlussbericht DBU – AZ 27647
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3.12 Ergebnisdarstellung In Bezug auf die Thermoergebnisse zeigte
der Einbau der der Al – Knitterfolie eine starke
Temperaturabsenkung von über 25 C°. Dies werten wir als erheblichen
Fortschritt. Die Schallpegelergebnisse bei den durchgeführten
Messungen am Fahrzeug zeigen eine leichte Innengeräuschreduzierung
im Fahrerhaus, die jedoch nicht den Erwartungen entspricht und
deshalb in einer weiteren Optimierungsschleife noch verbessert
werden müssen.
Abbildung 43: Schallpegelergebnisse am Fahrzeug
Abschlussbericht DBU – AZ 27647
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Abbildung 44: Motorraumabdeckung Variante 1 MAN
Abbildung 45: Motorraumabdeckung Variante 1 MAN Seitenansicht
Abbildung 46: Motorraumabdeckung Variante 1 MAN Draufsicht
Aus Sicht der Einbaufähigkeit wurde hierbei auch besonderen Wert
auf die Verschraubungen gelegt. Hier wurden im Vorfeld
Untersuchungen durchgeführt, um auch den Verlustfaktor von
Körperschallweiterleitungen an einer Schraubverbindung durch den
Einsatz von Poroblech näher zu untersuchen.
Abschlussbericht DBU – AZ 27647
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4 Fazit Das entwickelte Lärm- und Hitzeschild zielt darauf ab,
Lärm- und Hitzeeinwirkung der Antriebsaggregate eines LKW auf den
Innenraum des Fahrerhauses zu reduzieren. Lärm wird dabei nicht nur
zurück gehalten sondern absorbiert. Die aus den Antriebsaggregaten
kommende Wärme wird dabei schnellstmöglich an die Umgebung
abgeleitet, respektive vom Fahrerhaus fern gehalten. Die
Messergebnisse zeigen dabei eine Absenkung der Temperatur um über
25°C. Dieses Entwicklungsziel ist deshalb als Erfolg zu bewerten.
Die Reduzierung des Schalls innerhalb des Fahrerhauses bzw. an die
Umgebung abstrahlenden Lärms ist in den ersten Versuchsreihen nicht
in dem erhofften Ausmaß gelungen. Gründe hierfür sind vor allem in
dem breiten Frequenzspektrum zu sehen, das von den Antrieben und
Fahrgeräuschen erzeugt wird und mit einfachen Mitteln nicht
absorbiert werden kann. Die Schallabsorption gelingt bei den so
genannten λ/4-Absorbern nur, wenn die die Schallwellen „bremsenden“
Poren im Abstand von einem Viertel der Wellenlänge wirksam werden.
Bei niederfrequentem Schall führt dies entweder zu erheblichen
Baugrößen oder deutlichem Verlust an Effizienz. Bei hochfrequentem
Schall sind dagegen nur geringe Baugrößen notwendig. Der benötigte
Kompromiss in der Bauart muss in weiteren Versuchsaufbauten
genauere analysiert werden, um allen Einfluss- und Zielgrößen
gerecht zu werden. Dies erfordert sowohl die weitere Suche nach
geeigneten Materialien, als auch Optimierung von Porengröße,
Oberflächenstruktur, Geometrie, Anzahl von absorbierenden Lagen und
Füllstoffen. Daraus lässt sich voraussichtlich für bestimmte
Frequenzen ein Ergebnis finden, das den Zielvorstellungen gerecht
wird. Auf Grund der bisher gemachten positiven Versuchsergebnisse,
sind wir der Auffassung, dass mit dem Aufbau einer weiteren
Entwicklungsschleife akustische Hitzeschilder schon in einem
Versuchsfahrzeug dauerhaft getestet werden können. Bezüglich der
Vermarktung ist ein wesentlicher Risikofaktor der Preis für die
eingesetzten Materialien, insbesondere für Metalle, der sich
derzeit ständig verändert. Preissteigerungen müssen auf die
Endprodukte umgelegt werden. Bei deutlich höheren Verkaufspreisen
würde die Akzeptanz der Leichtbauprodukte im Kundenkreis schwinden.
Bei der aktuellen Literatur- und Patentrecherche sind uns von
dritter Seite bisher keine adäquaten akustischen Hitzeschilder für
LKW- Fahrerhäuser bekannt geworden. Wir haben geplant, den
akustischen Hitzeschild nach vorgeschrittener Entwicklung beim
Deutschen Patent und Markenamt anzumelden.
Abschlussbericht DBU – AZ 27647
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3.1.1 Akustische Wirkprinzipien des Gewebe-Schallabsorbers
3.1.2 Tressengewebe (Ausgangsmaterial für Poroblech)
3.1.3 Akustische- Absorber: Aufbau
3.2.1 Erstellung von Schallpegeldiagrammen für die
unterschiedlichen Absorbersysteme
3.2.2 Messung des Schallabsorptionsgrades α in Funktion zum Abstand
zur Schallhart- reflektierenden Wand
3.2.3 Messung des Absorptionsgrad α in Funktion zum Hohlraum-
Abstand d
3.2.4 Absorptionsgrad α- Verbesserung durch Noppung des
Gewebeabsorbers
3.2.5 Herleitung der Luft- Resonanzfrequenz Gleichung fo aus der
Helmholtz- Resonanzgleichung
3.3 Konstruktion des Sandwichsaufbaues
3.6 Hochdruckreinigungsversuch
3.7 Salzspühtest
3.10 Weiterführende Testreihen
3.12 Ergebnisdarstellung
3.13 Variantenkonstruktion
4 Fazit