Fig 1 (19) PL (11) (13) B1 (12) OPIS PATENTOWY PL B1. (73) Uprawniony z patentu: (30) Pierwszeństwo: ,DE,G

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (12) OPIS PATENTOWY (2 1) Numer zgłoszenia: (22) Data zgłoszenia: (19) PL (11) (13) B1 (51 ) IntCl7 E04B 1/86 B32B 3/24 G10K 11/16 (54)Dźwiękochłonny, wielowarstwowy element konstrukcyjny (30) Pierwszeństwo: ,DE,G (73) Uprawniony z patentu: FAIST Automotive GmbH & Co. KG, Krumbach, DE (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 05/95 (72) Twórcy wynalazku: Manfred Roller, Niederstotzingen, DE Lutz Brohmann, Burtenbach, DE Stefan Lahner, Krumbach, DE (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 05/01 (74)Pełnomocnik: Kamiński Zbigniew, KANCELARIA PATENTOWA PL B1 (57) 1. Dźwiękochłonny, wielowarstwowy element konstrukcyjny wyposażony w sztywną warstwę nośną, stanowiącą korzystnie część karoserii samochodowej lub obudowy urządzenia, w rdzeń z warstwy miękkiej wykonanej z porowatego tworzywa sztucznego i zaopatrzonej w otwory, oraz z pokrywającej tę warstwę miękką, po stronie przeciwnej względem warstwy nośnej - cienkiej, elastycznej warstwy pokrywającej, znamienny tym, że otwory warstwy miękkiej (2) elementu stanowią układ zamkniętych komór rezonansowych (4) w postaci rezonatorów Helmholtza, przy czym wnętrza tych komór rezonansowych (4) są połączone za pośrednictwem otworów (5) z powierzchnią warstwy pokrywającej (3), a ponadto element ten jest korzystnie zaopatrzony w warstwę pośrednią (2d), umieszczoną między warstwą miękką (2) i warstwą nośną (1), która oddziela dna komór rezonansowych (4) od warstwy nośnej (1). Fig 1

2 Dźwiękochłonny, wielowarstwowy element konstrukcyjny Zastrzeżenia patentowe 1. Dźwiękochłonny, wielowarstwowy element konstrukcyjny wyposażony w sztywną warstwę nośną, stanowiącą korzystnie część karoserii samochodowej lub obudowy urządzenia, w rdzeń z warstwy miękkiej wykonanej z porowatego tworzywa sztucznego i zaopatrzonej w otwory, oraz z pokrywającej tę warstwę miękką, po stronie przeciwnej względem warstwy nośnej - cienkiej, elastycznej warstwy pokrywającej, znamienny tym, że otwory warstwy miękkiej (2) elementu stanowią układ zamkniętych komór rezonansowych (4) w postaci rezonatorów Helmholtza, przy czym wnętrza tych komór rezonansowych (4) są połączone za pośrednictwem otworów (5) z powierzchnią warstwy pokrywającej (3), a ponadto element ten jest korzystnie zaopatrzony w warstwę pośrednią (2d), umieszczoną między warstwą miękką (2) i warstwą nośną (1), która oddziela dna komór rezonansowych (4) od warstwy nośnej (1). 2. Element według zastrz. 1, znamienny tym, że warstwa nośna (1) jest wykonana z pianki poliuretanowej wypełnionej materiałem ciężkim, zwłaszcza barytem. 3. Element według zastrz. 1, znamienny tym, że warstwa nośna (1) jest wykonana z termoplastycznego tworzywa sztucznego wzmocnionego matą z włókna szklanego. 4. Element według zastrz. 1, znamienny tym, że między warstwą miękką (2) i warstwą nośną (1), zwłaszcza w rejonie obrzeża (la) warstwy nośnej (1), są umieszczone punktowo elementy złączne (7), wykonane z materiału o temperaturze topnienia wynoszącej około 100 C. 5. Element według zastrz. 1, znamienny tym, że rdzeń z warstwy miękkiej (2) oraz warstwa pokrywająca (3) mają zaokrąglone wypukłe krawędzie i są zaopatrzone w płaskie odsądzone obrzeże, przylegające do obrzeza (1a) warstwy nośnej (1). * * * Przedmiotem wynalazku jest dźwiękochłonny, wielowarstwowy element konstrukcyjny wyposażony w sztywną warstwę nośną, w rdzeń z warstwy miękkiej wykonanej z materiału porowatego, na przykład z pianki poliuretanowej, oraz z pokrywającej tę warstwę miękką po stronie przeciwnej względem warstwy nośnej - cienkiej, elastycznej warstwy pokrywającej. Dźwiękochłonny element konstrukcyjny, znany z niemieckiego opisu patentowego nr , jest stosowany głównie w postaci pokryw silników spalinowych i ma na celu tłumienie i pochłanianie dźwięków emitowanych w czasie pracy silnika. Składa się on z warstwy miękkiej wykonanej z gumy o niewielkiej twardości w skali Shore'a, uzupełnionej materiałami wypełniającymi, zwłaszcza siarczanem barowym, dzięki któremu warstwa ta intensywnie tłumi fale dźwiękowe. Znany jest również dźwiękochłonny element konstrukcyjny złożony z warstwy nośnej i z warstwy pokrywającej, wykonanych z folii z tworzywa sztucznego oraz z metalu i mający postać konstrukcji przekładkowej. Z niemieckiego opisu patentowego nr znany jest dwuczęściowy dźwiękochłonny element konstrukcyjny samochodu złożony z warstwy pochłaniającej dźwięki, wykonanej z materiału piankowego lub włóknistego, pokrytej jednostronnie grubą warstwą podatną na zginanie, wykonaną z polipropylenu, przy czym warstwa pochłaniająca jest nałożona od wewnątrz na blachę karoseryjną samochodu, tworząc również konstrukcję przekładkową. W rejonie znajdujących się w karoserii otworów, służących na przykład do przetknięcia przez nią wału silnika, przewodów elektrycznych lub rury znajdują się w warstwie pochłaniającej nieco szersze otwory tworząc w tym miejscu pierścieniowe komory między elementem konstrukcyjnym karoserii i przechodzącym przez niego wałem, przewodem lub rurą.

3 Z polskiego opisu patentowego nr znana jest dźwiękochłonna płyta dziurkowana, wykonana korzystnie z blachy i zaopatrzona na swej powierzchni w układ równomiernie rozłożonych otworów, przynajmniej o dwóch różniących się od siebie średnicach. Pod względem tłumienia dźwięków szczególnie korzystny jest układ złożony z większych otworów, znajdujących się w środku oraz na zewnątrz poszczególnych elementów układu, oraz z łączących je otworów o mniejszych średnicach. Płyty tego typu nadają się do budowy ścian osłonowych, nie mogą natomiast stanowić elementów konstrukcyjnych, na przykład karoserii samochodu, od których wymagana jest ciągłość powierzchni. Z polskiego opisu patentowego nr znany jest wielowarstwowy izolujący dźwiękowo element budowlany złożony z dwóch gazonieprzepuszczalnych, sztywnych warstw zewnętrznych oraz z umieszczonej między nimi wewnętrznej, grubej warstwy, wypełnionej powietrzem lub materiałem porowatym o wysokiej zdolności absorpcji dźwięku, na przykład włóknem szklanym. Przestrzeń między sztywnymi płytami zewnętrznymi jest korzystnie wypełniona przez dwie lub trzy warstwy dźwiękochłonne, z których jedna jest wypełniona warstwą włókna szklanego albo też materiałem o budowie plastra miodu, druga zaś stanowi perforowaną, cienką płytę, natomiast trzecia stanowi warstwę powietrzną utworzoną w przestrzeni między występami oddzielającymi od siebie płyty ograniczające tę przestrzeń. Tego rodzaju elementy dźwiękochłonne, ze względu na swą budowę, mogą być jednak stosowane wyłącznie jako elementy budowlane, nie mogą natomiast stanowić, ze względu na właściwości wytrzymałościowe i kształty przestrzenne, elementów konstrukcyjnych urządzeń przemysłowych, na przykład obudów, pokryw lub karoserii samochodowych. Z polskiego zgłoszenia patentowego P znany jest sposób wytwarzania ustroju dźwiękochłonnego polegający na tym, że podczas łączenia co najmniej dwóch warstw, stanowiących ten ustrój dźwiękochłonny, wykonuje się w warstwie ochronnej otwory sięgające do warstwy dźwiękochłonnej, przy czym kształt i rozmieszczenie tych otworów dobiera się zależnie od wymogów akustycznych ustroju. Ten sposób wytwarzania nie może mieć jednak zastosowania do produkcji dźwiękochłonnych elementów konstrukcyjnych, w których otwory lub wnęki są wykonywane w warstwie miękkiej elementu, przed jej połączeniem z warstwą nośną, stanowiącą najczęściej metalowy element karoserii samochodu lub obudowy urządzenia przemysłowego. Z polskiego zgłoszenia patentowego P znana jest wykładzina dźwiękoizolacyjna i termoizolacyjna, przystosowana zwłaszcza do wyciszania pojazdów mechanicznych, złożona z warstwy pianki poliuretanowej o porach otwartych, warstwy tkaniny nasyconej środkami obniżającymi palność oraz warstwy impregnatu poliuretanowego o właściwościach samogaszących, przy czym warstwy pianki i impregnatu poliuretanowego stanowią skrajne warstwy tej wykładziny. Zasadniczą niedogodnością tej wykładziny w zastosowaniu do elementów karoserii samochodowych jest konieczność każdorazowego przystosowania jej kształtu do kształtu elementu karoserii oraz łączenia jej, na całej powierzchni przylegania, z warstwą nośną tego elementu. Z polskiego zgłoszenia patentowego P znany jest ustrój wyciszający hałas o małej częstotliwości, będący zwłaszcza wynikiem uderzeń i służący do budowy ścianek dźwiękochłonnych, otaczających urządzenia pracujące udarowo. Ustrój ten składa się z płyty oporowej, z umieszczonej na niej warstwy gumy i warstwy dźwiękochłonnej oraz z płyty z otworami, pokrytej również warstwą dźwiękochłonną i siatką a także z przylegającą do niej cienką zasłoną. Ten złożony i kosztowny ustrój o skomplikowanej konstrukcji może znaleźć ekonomicznie uzasadnione zastosowanie wyłącznie do budowy ścian otaczających urządzenia pracujące udarowo. Nie jest natomiast dostosowany do budowy elementów konstrukcyjnych urządzeń przemysłowych, na przykład obudów, pokryw lub elementów konstrukcyjnych karoserii samochodowych. Celem wynalazku jest opracowanie konstrukcji takiego dźwiękochłonnego, wielowarstwowego elementu konstrukcyjnego, który umożliwi wykorzystanie jako jego warstwy nośnej - części karoserii samochodowej lub obudowy urządzenia przemysłowego i nadanie jej

4 właściwości dźwiękochłonnych przez pokrycie jej miękką warstwą dźwiękochłonną, zapewniającą odpowiednio wysoki współczynnik pochłaniania fal dźwiękowych, a tym samym skuteczne ich tłumienie. Badania, które doprowadziły do wynalazku, wykazały, że właściwą drogą do osiągnięcia wskazanego celu jest zastosowanie porowatej warstwy miękkiej, wykonanej z materiału spienionego, na przykład z pianki poliuretanowej, zaopatrzonej w układ komór, w postaci rezonatorów Helmholtza, przy czym kształt i wielkość zastosowanych komór jest dobrana odpowiednio do dominujących częstotliwości tłumionej fali dźwiękowej. Każda z tych komór jest połączona, w celu doprowadzenia do niej tłumionej fali dźwiękowej, niewielkim otworem z powierzchnią cienkiej, elastycznej warstwy pokrywającej, umożliwiającą przejście przez nią fali dźwiękowej. Cel ten został zrealizowany w konstrukcji dźwiękochłonnego, wielowarstwowego elementu konstrukcyjnego, wyposażonego w sztywną warstwę nośną, stanowiącą korzystnie część karoserii samochodowej lub obudowy urządzenia, w rdzeń z warstwy miękkiej, wykonanej z porowatego tworzywa sztucznego i zaopatrzonej w otwory, oraz z pokrywającej tę warstwę miękką po stronie przeciwnej względem warstwy nośnej - cienkiej, elastycznej warstwy pokrywającej. Element według wynalazku charakteryzuje się tym, że otwory warstwy miękkiej stanowią układ zamkniętych komór rezonansowych w postaci rezonatorów Helmholtza, przy czym wnętrza tych komór rezonansowych są połączone za pośrednictwem otworów z powierzchnią warstwy pokrywającej. Ponadto element ten jest korzystnie zaopatrzony w warstwę pośrednią, umieszczoną między warstwą miękką i warstwą nośną, i oddzielającą dna komór rezonansowych od warstwy nośnej. Warstwa nośna elementu konstrukcyjnego według wynalazku jest korzystnie wykonana z pianki poliuretanowej, wypełnionej ciężkim materiałem wypełniającym, zwłaszcza barytem, względnie z termoplastycznego tworzywa sztucznego wzmocnionego matą z włókna szklanego. Element konstrukcyjny jest ponadto korzystnie wyposażony między warstwą miękką i warstwą nośną zwłaszcza w rejonie obrzeża warstwy nośnej w elementy złączne umieszczone punktowo i wykonane z materiału o temperaturze topnienia wynoszącej około 100 C, co pozwala na łatwe zdejmowanie warstwy dźwiękochłonnej z warstwy nośnej przez ogrzanie elementu. Rdzeń z warstwy miękkiej oraz warstwa pokrywająca elementu konstrukcyjnego ma korzystnie zaokrąglone, wypukłe krawędzie, zaopatrzone w płaskie, odsądzone obrzeże, przylegające do obrzeża warstwy nośnej. Badania wykazały, że dźwiękochłonny, wielowarstwowy element konstrukcyjny według wynalazku, zaopatrzony w warstwie miękkiej w układ komór rezonansowych Helmholtza ma zdolność tłumienia warstwy nośnej istniejących części obudów urządzeń przemysłowych lub karoserii samochodowych, zapewniają niskie koszty jego wytwarzania. Zastosowanie elementów złącznych, o stosunkowo niskiej temperaturze topnienia, umożliwia, w celu spawania lub naprawy warstwy nośnej, łatwe zdjęcie z niej warstw dźwiękochłonnych. Element konstrukcyjny według wynalazku może znaleźć zastosowanie w różnych gałęziach przemysłu, zwłaszcza zaś jako element karoserii samochodowych i obudów urządzeń przemysłowych. Wynalazek jest przykładowo wyjaśniony na rysunku, na którym: fig. 1 przedstawia element konstrukcyjny według wynalazku w przekroju podłużnym; fig. 2 - obrzeże elementu według odmiennego rozwiązania w przekroju podłużnym; fig. 3 - obrzeże jeszcze innego rozwiązania elementu konstrukcyjnego według wynalazku w przekroju podłużnym; fig. 4 - przykładowe rozwiązanie konstrukcyjne elementu konstrukcyjnego karoserii samochodowej według wynalazku, w widoku z góry; fig. 5 - ten sam element w przekroju wzdłuż linii A-A na fig. 4; fig. 6 - odmianę elementu konstrukcyjnego według fig. 5, z komorami powietrznymi innego kształtu, w przekroju poprzecznym. Dźwiękochłonny element konstrukcyjny przedstawiony na fig. 1 składa się z warstwy nośnej 1, wykonanej z twardej pianki poliuretanowej, zaokrąglonej w pobliżu krawędzi i zaopatrzonej w płaskie obrzeże 1a odsądzone równolegle do płaszczyzny E przechodzącej przez środek tej warstwy nośnej 1, z rdzenia z warstwy miękkiej 2, wykonanego z miękkiej pianki

5 poliuretanowej o gęstości od 50 do 100 g/dm2 oraz z pokrywającej ten rdzeń po stronie przeciwnej do warstwy nośnej 1 - cienkiej, elastycznej i gazoprzepuszczalnej warstwy pokrywającej 3. Rdzeń z warstwy miękkiej 2 oraz warstwa pokrywająca 3 mają również zaokrąglone wypukłe krawędzie i są zaopatrzone w płaskie odsądzone obrzeże 2a, przylegające do obrzeża la warstwy nośnej 1. Warstwa miękka 2 rdzenia, znajdująca się między warstwą nośną 1 i warstwą przykrywającą 3, jest zaopatrzona w układ rezonansowych komór powietrznych 4 w postaci rezonatorów Helmholtza. Poprzez dobór wielkości i kształtu geometrycznego komór oraz ich rozmieszczenia w warstwie miękkiej, można bardzo dokładnie wyregulować zdolność elementu konstrukcyjnego do pochłaniania fal dźwiękowych w odpowiednich pasmach częstotliwości. Na fig. 1 jest pokazana jedna z komór rezonansowych 4, stanowiących rezonator Helmholtza, w przekroju, przy czym w warstwie miękkiej 2 znajduje się cały układ tych komór rezonansowych 4 (fig. 4) do pochłaniania przechodzących przez element konstrukcyjny fal dźwiękowych o określonych częstotliwościach. Wnętrze każdej komory 4 jest połączone przez otwór 5 w warstwie miękkiej 2 z powierzchnią cienkiej, elastycznej i gazoprzepuszczalnej warstwy pokrywającej 3. Warstwa 3 zabezpiecza przed przedostawaniem się do komory rezonansowej 4 kurzu i wody, lecz umożliwia przejście przez nią fal dźwiękowych. Sąsiadujące ze sobą komory 4 są od siebie wzajemnie oddzielone przez żebra podłużne 2b i żebra poprzeczne 2c utworzone z warstwy miękkiej 2. Układ komór rezonansowych 4 w warstwie miękkiej ma korzystnie postać rastra utworzonego przez poprzeczne i podłużne zebra wykonane z materiału warstwy miękkiej 2, co daje szczególnie dobry efekt pochłaniania fal dźwiękowych o określonych częstotliwościach. W odmiennym rozwiązaniu elementu konstrukcyjnego, przedstawionym na fig. 2, warstwa miękka 2 jest pokryta po stronie przeciwległej do warstwy pokrywającej 3 - cienką warstwą pośrednią 2d, oddzielającą ją od warstwy nośnej 1a. Warstwa nośna la jest korzystnie wykonana z pianki poliuretanowej wypełnionej ciężkimi wypełniaczami, na przykład barytem. W niektórych zastosowaniach warstwę nośną wykonuje się z termoplastycznego tworzywa sztucznego, wzmocnionego matą z włókna szklanego, na przykład z SMC (sheet mould compounds = tłoczone układy warstwowe) albo tez ze sztucznego tworzywa - metodą wtryskową względnie z blachy metalowej. Połączenie warstwy miękkiej ze sztywną warstwą nośną może być dokonane w różny sposób, na przykład przez klejenie, spawanie, ściskanie i zatrzaśnięcie. W rozwiązaniu elementu konstrukcyjnego według wynalazku zaleca się jednak łączenie warstwy nośnej z warstwą miękką lub z warstwą pośrednią przy użyciu elementów złącznych, pozwalających, w razie potrzeby, na łatwe rozdzielanie poszczególnych warstw. W rozwiązaniu elementu konstrukcyjnego przedstawionym na fig. 3 warstwa miękka 2, pokryta z jednej strony warstwą pokrywającą 3, jest z drugiej strony połączona z warstwą nośną 1 za pomocą niewielkich, płaskich elementów złącznych 7, 7a, przy czym obrzeże 3a tej warstwy pokrywającej 3 może służyć jako języczek odciągowy, umożliwiając w przypadku konieczności usunięcia warstwy miękkiej 2, łatwe jej odłączenie od warstwy nośnej 1. Na obrzeżu 1a warstwy nośnej 1 zaleca się, w celu możliwości jej spawania, stosowanie takich elementów złącznych 7, 7a, które topią się w temperaturze około 100 C, umożliwiając oddzielnie od siebie poszczególnych warstw i w razie potrzeby ich usunięcie z powierzchni warstwy nośnej 1. Ten aspekt wynalazku jest ważny zarówno dla możliwości wtórnego wykorzystania poszczególnych warstw elementu, jak i możliwości wykonania napraw warstwy nośnej. Elementami złącznymi mogą być również warstwy klejące, które topią się lub tracą swe właściwości klejące wskutek ogrzania. Nadają się także do tego celu warstwy podwójne, na przykład z cienkiej folii polipropylenowej oraz z cienkiej folii poliuretanowej. W rozwiązaniu według wynalazku zaleca się stosowanie, w rejonie styku z warstwą nośną, wielu punktowych elementów złącznych, co ułatwia rozdzielenie tych warstw. Stosunek powierzchni elementów złącznych do całkowitej powierzchni łączonych warstw powinien być mniejszy od 15%. Element konstrukcyjny według wynalazku ma zastosowanie, zwłaszcza w karoseriach samochodowych, zmniejszając energię fal dźwiękowych rozchodzących się z silnika i zapobiegając przedostawaniu się ich do kabiny lub do otoczenia, lecz może być również użyty do

6 budowy ścian tłumiących fale dźwiękowe w urządzeniach przemysłowych, na przykład w obudowach i pokrywach sprężarek, hamowniach itp. Może on znaleźć także zastosowanie do budowy przegród osłonowych przy torach kolejowych, autostradach lub obciążonych ruchem ulicach, ograniczając hałas w graniczących z nimi, zamieszkałych rejonach. W takich przypadkach zarówno warstwa nośna, jak i szczelnie połączona z nią warstwa pokrywająca winny być odpowiednio zabezpieczone przed wpływami atmosferycznymi.

7 Fig 5

8 Fig 1 Fig 2 Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 60 egz. Cena 2,00 zł.