[0001] Die Erfindung betrifft ein schallabsorbierendes, flächiges bzw. schichtförmiges Schaumstoffmaterial,
insbesondere zum Auskleiden von Schalldämmhauben und Einhausungen, Motorhauben und
dergleichen.
[0002] Es ist bekannt, für Auskleidungen von Schalldämmhauben und dergleichen eine Lage
Schaumstoffmaterial zu verwenden. Die Schaumstoffschicht kann durch Anschmelzen eine
mikroporöse Oberflächenschicht aufweisen. Die Schallabsorptionswirkung solcher Schaumstoffauskleidungen
hängt neben Materialeigenschaften und Aufbau des Absorbers vor allem von der Dicke
der Schaumstoffschicht ab.
[0003] Bei der Schallabsorption geht es darum, aus der einfallenden Schallwelle möglichst
hohe Energieanteile abzuführen bzw. zu absorbieren. Die höchste Energieebene einer
Schallwelle liegt im Bereich der maximalen Amplitude, d. h. der vertikalen Schwingung
der Luftteilchen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung, die bei λ/4 und ¾ λ am höchsten
ist. Dies bedeutet für einen porösen Absorber wie Schaumstoffmaterial, dass für eine
gute Wirkung der Schallabsorption umso höhere Schichtdicken benötigt werden, je niedriger
die Schallfrequenz ist bzw. je größer die Wellenlänge der Schallwelle ist. Nimmt man
beispielsweise eine Schallfrequenz von 1000 Hz, so ergibt sich unter Berücksichtigung
der Schallgeschwindigkeit eine Wellenlänge von 0,33 m, wobei die maximale Amplitude
bei 8 bzw. 24 cm auftritt. Selbst mit einem idealen porösen Absorber, der unter 8
cm dick ist, kann man keine vollständige Absorption erreichen. Um 99,9 % des Schalls
bei 100 Hz abzubauen, müsste die Absorberdicke etwa 82 cm stark sein.
[0004] In Motorkapseln, Maschinenverkleidungen, insbesondere im KFZ-Bereich, bei Klimakanälen
und dergleichen ist es in der Regel nicht möglich, Schichtdicken des schallabsorbierenden
Materials über 50 mm einzusetzen. Damit stellen die niedrigen, aber immer deutlich
vorhandenen Frequenzbereiche < 1000 Hz unlösbare Probleme dar, weil die Schichtdicke
nicht erhöht werden kann.
[0005] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Schallabsorptionswirkung bei einem
schichtförmigen Schaumstoffmaterial deutlich zu verbessern, ohne dass die Schichtdicke
erhöht werden muss.
[0006] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die dem Schalleinfall zugewandte
Oberfläche der Schaumstoffschicht mit flachen Erhöhungen und Vertiefungen derart versehen
ist, dass im Verhältnis zu einer Schaumstoffschicht von einheitlicher Dicke und gleichem
Volumen pro Flächeneinheit die dem Schalleinfall ausgesetzte Oberfläche erheblich
vergrößert ist, wobei die Oberflächenschicht des Schaumstoffs mikroporös ausgebildet
ist..
[0007] Die Erfindung wird beispielsweise anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
- Fig. 1
- eine Schnittansicht durch eine Schaumstoffschicht,
- Fig. 2
- ein Diagramm, das den Schallabsorptionsgrad in Abhängigkeit von der Schallfrequenz
wiedergibt,
- Fig. 3
- ein Diagramm, das den Absorptionskoeffizienten in Abhängigkeit von der Frequenz bei
einer Schaumstoffschicht wiedergibt,
- Fig. 4
- ein Diagramm, das die Pegelabnahme als Funktion des Schallabsorptionsgrads wiedergibt,
und
- Fig. 5
- eine Tabelle, die die subjektiv empfundene Lautstärkenreduzierung wiedergibt.
[0008] Fig. 1 zeigt schematisch einen Querschnitt durch eine Schicht 1 aus Polyurethanschaum,
die einen porösen Absorber darstellt und eine durchschnittliche Schichtdicke von beispielsweise
15 mm hat. Die dem Schalleinfall abgewandte Rückseite der Schaumstoffschicht 1, die
an einer nicht dargestellten Verkleidungswand zum Anliegen kommt, kann eben ausgebildet
sein, während die dem Schalleinfall zugewandte Oberfläche mit versetzt zueinander
angeordneten flachen Erhöhungen 1a und dazwischen liegenden flachen Vertiefungen 1b
versehen ist. Der Abstand der Erhöhungen 1a kann beispielsweise etwa 50 mm betragen
und die Höhendifferenz zu einer Vertiefung 1b ca. 10 bis 12 mm. Durch diese Oberflächenstruktur
ergibt sich gegenüber einer Schaumstoffschicht von 15 mm Dicke mit ebener Oberfläche
etwa eine Verdoppelung der Schallschluckfläche.
[0009] Mit 1c ist eine Oberflächenschicht der Schaumstoffschicht bezeichnet, die durch Anschmelzen
und Verbrennen von etwa 2 bis 3 mm des Schaumstoffinaterials an der Oberfläche ausgebildet
wird, beispielsweise indem eine heiße Walze unter Druck über die Schaumstoffschicht
abgerollt wird. Hierdurch ergibt sich eine weitgehend geschlossene Oberfläche aus
den Verbrennungsrückständen des Schaumstoffmaterials, insbesondere Polyurethan, die
aber mikroporös ist. Diese Oberflächenschicht 1c wirkt als schwingungsfähige Membran
und kann eine Dicke im Bereich von 10 bis 15 µ haben.
[0010] Diese mikroporöse Oberflächenschicht bzw. Haut 1c ist für Luft durchlässig, nicht
aber für Wasser oder Öl, wegen der Oberflächenspannung von Flüssigkeiten.
[0011] In der Oberflächenschicht 1c werden vorzugsweise Einprägungen vorgesehen, die die
Oberfläche für den einfallenden Schall vergrößern und Beugungseffekte des Schalls
verstärken. Als Beispiel sind sich kreuzende bzw. rautenförmig angeordnete Nutabschnitte
1d in Fig. 1 angedeutet, die in die Oberflächenschicht 1c eingeprägt sind und eine
Tiefe von 1 bis 3 mm haben können.
[0012] Die Absorption eines Schallschluckmaterials hängt auch sehr stark vom Einfallswinkel
einer Schallwelle ab. Fig. 3 zeigt den Absorptionskoeffizienten bei diffusem Schalleinfall
in Abhängigkeit von der Frequenz. In der Praxis treten bei diffusen Schallfeldern
alle Einfallswinkel auf. Die Oberflächenstruktur nach Fig. 1 ergibt einen optimalen
durchschnittlichen Einfallswinkel. Durch den zum großen Teil schrägen Schalleinfall
auf die Oberfläche treten nahezu wandparallele Komponenten der Schallamplitude auf,
bei denen die Längsausdehnung der Schaumstoffschicht zur Wirkung kommt, so dass diese
Komponenten wie durch eine sehr dicke Schaumstofflage wirksam absorbiert werden. Hierdurch
werden Schallabsorptionswerte erzielt, die über die allein durch die Schichtdicke
rechnerisch erzielbare Schallabsorptionswirkung deutlich hinausgehen und sonst nur
mit vielfachen Schichtdicken eines üblichen flächigen Schaumstoffmaterials erreicht
werden. Diese hohen Schallabsorptionswerte werden unterstützt durch auftretende Beugungseffekte
an den Einprägungen 1d, die vorzugsweise in Rautenstruktur an der Oberfläche vorgesehen
sind.
[0013] Fig. 2 zeigt den Schallabsorptionsgrad von erfindungsgemäß gestalteten Schaumstoffschichten
bei unterschiedlichen durchschnittlichen Dickenabmessungen in Abhängigkeit von der
Schallfrequenz. So wird bei einer durchschnittlichen Schichtdicke von 30 mm und 630
Hz ein Absorptionswert α über 1,0 erreicht, wobei 1,0 100 % entspricht. Für einen
solchen Absorptionswert wird bei einer Schaumstoffschicht einheitlicher Dicke, also
ohne die erfindungsgemäße Wellenstruktur der mikroporösen Oberfläche, eine Schichtdicke
von 130 mm benötigt. Die praktische Bedeutung derartiger Absorptionswerte wird durch
die Fig. 4 und 5 verdeutlicht. Fig. 4 zeigt die Schallpegelabnahme als Funktion des
Schallabsorptionsgrads α. Fig. 5 gibt die subjektiv empfundene Lautstärkenreduzierung
wieder. Danach entspricht z. B. eine Schallpegelreduzierung von 5 dB bei einem Schallpegel
von 60 dB bereits einer Lautstärkenreduzierung für das menschliche Ohr von 29 %.
[0014] Die Rückseite der Schaumstoffschicht 1 kann mit einem Verstärkungsmaterial beschichtet
sein. Sie kann auch selbstklebend ausgebildet sein, um die Anbringung an einer Wand
zu erleichtem.
[0015] Es sind verschiedene Abwandlungen der beschriebenen Gestaltung der Oberfläche einer
Schaumstoffschicht möglich. So kann der Abstand der flachen Erhöhungen 1a variiert
werden, wie auch die Höhe zwischen Erhöhung und Vertiefung. So kann der Abstand zwischen
den Erhöhungen 1a 40 - 60 mm, insbesondere 45 - 55 mm betragen. Die Höhe zwischen
Erhöhung und Vertiefung kann dabei 8 - 15 mm betragen. In besonderen Fällen kann ein
Abstand der Erhöhungen von bis zu 100 mm verwendet werden. Insgesamt wird eine möglichst
flache Oberflächenstrukturierung vorgesehen, um die Nachteile partiell geringer Volumendichte
und damit schlechterer Absorption weitgehend zu vermeiden.
[0016] Die wellenförmige Oberflächenstruktur ist unabhängig von der verwendeten Schichtdicke
des Schaumstoffs. Bei einer gegebenen Dicke der Schaumstoffschicht wird die wellige
Oberflächenstruktur so ausgelegt, dass bei geringst möglicher Profiltiefe eine Vergrößerung
der Oberfläche von etwa 180 - 250 % erzielt wird. Bei dem Ausführungsbeispiel nach
Fig. 1 mit einem Abstand der Erhöhungen von 50 mm und einer Differenz zwischen Erhöhung
und Vertiefung von 10 bis 12 mm ergibt sich etwa eine Verdoppelung der Oberfläche
bzw. eine Erhöhung der Oberfläche von etw 200 %.
[0017] Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel folgt die Schnittlinie in Fig. 1 etwa einer
Sinuskurve. Es ist aber auch möglich, die Vertiefungen beispielsweise tiefer auszubilden
und die Erhöhungen breiter zu gestalten als die Vertiefungen. Wesentlich ist hierbei,
dass sich flache kuppenförmige Erhöhungen 1a ergeben und auch die Vertiefungen 1b
derart flach abgerundet konkav gestaltet sind, dass sich eine stetige Neigungsänderung
der Oberfläche ergibt.
[0018] Die beschriebene Oberflächenstruktur führt bei verschiedenen Arten von Schaumstoffmaterial
zu einer wesentlichen Verbesserung der Schallabsorptionswirkung.
[0019] Durch die eingeprägten Nutabschnitte 1d in der Oberflächenschicht wird deren mikroporöse
Struktur im Bereich der Nuten 1d etwas offener, sodass höhere Frequenzen besser aufgenommen
und absorbiert werden können.
[0020] Vorzugsweise wird als Schaumstoffmaterial Polyurethan ester verwendet, der eine etwa
40 % offenzellige und etwa 60 % geschlossenzellige Struktur hat.
1. Schallabsorbierendes, schichtförmiges Schaumstoffmaterial, dessen dem Schalleinfall
zugewandte Oberfläche mit Erhöhungen (1a) und Vertiefungen (1b) derart versehen ist,
dass im Verhältnis zu einer Schaumstoffschicht von einheitlicher Dicke und gleichem
Volumen pro Flächeneinheit die Oberfläche für den einfallenden Schall etwa auf zumindest
das Doppelte vergrößert ist, wobei das Schaumstoffmaterial eine mikroporöse Oberflächenschicht
(1c) aufweist.
2. Schaumstoffmaterial nach Anspruch 1, wobei die Oberfläche um etwa 180 - 250 % gegenüber
einer ebenen Oberfläche durch flache Erhöhungen vergrößert ist.
3. Schaumstoffmaterial nach Anspruch 1 oder 2, wobei im Querschnitt der Schaumstoffschicht
(1) die Oberfläche eine wellenförmige Struktur hat und in den Tälern der Schnittlinie
versetzt dazu Erhöhungen einer benachbarten Schnittlinie angeordnet sind.
4. Schaumstoffmaterial nach Anspruch 3, wobei die Erhöhungen (1a) einen Abstand von etwa
40 - 60 mm von einander haben und die Höhe zwischen Erhöhung und Vertiefung etwa 8
- 15 mm beträgt.
5. Schaumstoffmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Oberfläche
mit Einprägungen, wie rautenförmig angeordneten Nutabschnitten (1d) oder kleineren
Vertiefungen versehen ist.