Schallschutzvorrichtung mit vibroakustischen Metamaterialien

Die Erfindung betrifft eine Schallschutzvorrichtung auf Basis von vibroakustischen Metamaterialien, sowie eine diese enthaltende Lärmschutzwand.

Lärmschutz ist in vielen Bereichen des alltäglichen Lebens relevant, wenn es darum geht Mensch und Umwelt vor negativen Einflüssen durch erhöhte Schallpegel zu schützen. Von besonderer Relevanz ist Lärmschutz daher im Straßenverkehr, wo Lärm vor allem durch Roll- und Antriebsgeräusche, sowie durch aerodynamische Geräusche an Fahrzeugen entsteht. Dieser Lärm ist in dem Frequenzbereich von 500 Hz bis 1000 Hz am lautesten. Um Menschen und Tiere vor Straßenlärm zu schützen, werden neben Möglichkeiten zur Reduktion von Schallemission an Straßen und Fahrzeugen vor allem sogenannte Lärmschutzwände eingesetzt, die die Ausbreitung von Schall dämmen. Lärmschutz ist jedoch auch in anderen Bereichen relevant, beispielsweise an Baustellen, in der Industrie, in Großraumbüros oder allgemein im Bauwesen. Auch in diesen Bereichen finden Schallschutzvorrichtungen, dämmende Elemente wie Fassaden, Trennwände, Fenster und Türen oder weitere Bauteile, die auf eine ähnliche Weise wie Lärmschutzwände wirken, Anwendung.

Herkömmliche Lärmschutzwände reduzieren die Schalltransmission durch die Erhöhung der flächenbezogenen Masse, das heißt durch eine Erhöhung der Wandstärke oder durch die Verwendung von Materialien hoher Dichte. Besonders niedrige Transmissionswerte werden daher beispielsweise mit Betonlärmschutzwänden erreicht. Ebenso kann die Schalltransmission durch eine Verbesserung der Absorptionseigenschaften der Lärmschutzwand reduziert werden. Zu diesem Zweck dienen absorbierende Materialien, wie beispielsweise Mineralwolle, die in Lärmschutzwänden in Kassettenbauweise verwendet werden, aber auch die Integration von Erdwällen oder Vegetation in die Lärmschutzwand. Weitere Möglichkeiten zur Verbesserung der Absorptionseigenschaften sind die Verwendung von porösen Materialien, Membranen oder Helmholtz-Resonatoren. Die resultierenden Lärmschutzwände haben jedoch in jedem Fall den Nachteil, dass sie große Massen und einen hohen Materialaufwand aufweisen. Außerdem müssen sie in der Regel massiv und raumgreifend gestaltet sein, sodass sie das Landschaftsbild negativ beeinträchtigen.

Eine weitere Möglichkeit zur Dämpfung von Schallausbreitung, die bisher im Lärmschutz noch keine größere Anwendung gefunden hat, ist die Verwendung von vibroakustischen Metamaterialien. Bei Metamaterialien handelt es sich um künstliche, meist periodische, Strukturen, die dazu ausgelegt sind, besondere leitende, isolierende, dämpfende oder verstärkende Eigenschaften zu erzielen. Auf diese Weise lassen sich zum Beispiel Strukturen gestalten, die Stoppbänder ausbilden. Stoppbänder sind Frequenzbereiche, in denen die Wellenausbreitung nur stark abgeschwächt stattfindet. Bei vibroakustischen Metamaterialien werden diese Konzepte angewendet, um die Ausbreitung von elastischen und akustischen Wellen zu kontrollieren und zu manipulieren. In diesem Rahmen sind dabei die Eigenschaften von Festkörpern, wie Dichte, Kompressions- und Elastizitätsmodul relevant. Ein einfaches Beispiel für ein solches Metamaterial ist eine Struktur aus Materialien mit periodisch wechselnden Brechungsindizes, im akustischen Bereich beispielsweise realisiert durch Sprünge oder Inhomogenität in den elastischen Parametern einer Struktur. In einer solchen Struktur tritt Bragg-Streuung auf: An den Übergängen der Brechungsindizes werden die Schallwellen frequenzabhängig reflektiert. In gewissen, von der Gitterstruktur der Inhomogenitäten abhängigen Frequenzbereichen kommt es zu destruktiver Interferenz, sodass ein Stoppband entsteht. Eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung von Stoppbändern durch vibroakusti- sche Metamaterialien sind periodische Anordnungen von resonanten Strukturen, sogenannte lokale Resonatoren. Durch die Interaktionen der lokalen Resonatoren mit ihrer Umgebung verhält sich die resultierende Struktur, als hätte sie eine negative effektive Masse, sodass die Wellenausbreitung für diesen Bereich stark behindert wird. Um ein stark ausgeprägtes Stoppband zu erzeugen, müssen die einzelnen Resonatoren alle auf dieselbe Frequenz abgestimmt sein. Bei Abweichungen in der Periodizität und Frequenzabstimmung der Resonatoren ergibt sich ein breiteres, aber weniger stark ausgeprägtes Stoppband. Durch geschicktes Design von vibroakustischen Metamaterialien lassen sich diese Effekte ausnutzen, um Strukturen zu schaffen, die eine besonders geringe Schalltransmission aufweisen.

Aufgabe der vorliegenden Schutzanmeldung ist es daher, eine Schallschutzvorrichtung vorzuschlagen, die im Vergleich zu herkömmlichen Lärmschutzvorrichtungen eine verbesserte Reduktion von Schalltransmission bei einer geringeren flächenbezogenen Masse bietet. Somit können bei der Konstruktion von Lärmschutzwänden Masse und Material eingespart werden und verbesserte teiltransparente Lärmschutzwände geschaffen werden.

Diese Aufgabe wird durch eine Schallschutzvorrichtung gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst.

Eine solche Schallschutzvorrichtung umfasst eine Anordnung von mechanischen Resonatoren, die jeweils mindestens eine schwingende Masse und ein Federelement enthalten, wobei die mechanischen Resonatoren darauf abgestimmt sind, jeweils mindestens eine Eigenfrequenz in einem relevanten Frequenzbereich aufzuweisen, wobei die Anordnung von mechanischen Resonatoren so konfiguriert ist, dass sie mindestens ein Stoppband für Wellenausbreitung in dem relevanten Frequenzbereich erzeugt.

Die Schallschutzvorrichtung umfasst eine Anordnung von mechanischen Resonatoren versehen. Diese Anordnung von mechanischen Resonatoren bildet ein vibroakustisches Metamaterial aus. Die Anordnung kann zweidimensional, also in der Ebene, oder dreidimensional im Raum sein. Insbesondere können mehrere zweidimensionale Anordnungen auf, oder nebeneinander gestapelt sein. Die einzelnen Resonatoren bestehen jeweils mindestens aus einer schwingenden Masse und einem Federelement. Die schwingende Masse kann eine beliebige Form und Abmessung haben und aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Die Masse der schwingenden Masse ist ein wichtiger Faktor bei der Frequenzabstimmung des Resonators. Das Federelement hat elastische Eigenschaften. Das Federelement kann einteilig mit der schwingenden Masse ausgebildet. Es kann sich ebenso um ein einzelnes elastisches Element, wie zum Beispiel um eine Blattfeder oder Schraubenfeder, handeln. Das Federelement kann eine beliebige Form und Abmessung haben. Insbesondere sind Form und Abmessung des Federelements wichtige Faktoren bei der Frequenzabstimmung des Resonators. Das Federelement kann aus demselben Material wie die schwingende Masse bestehen, oder es kann sich beispielsweise auch um ein Elastomer handeln. Es ist anzumerken, dass schwingende Masse und Federelement nicht unbedingt klar voneinander abzugrenzen sind. Schwingende Masse und Federelement können einteilig ausgebildet sein und auch die schwingende Masse kann sich in der Schwingung verformen. Die schwingende Masse, das Federelement und ein gewisser Bereich der Umgebung des Resonators bilden eine Einheitszelle des Resonators. Die Anordnung von mechanischen Resonatoren besteht aus einer räumlichen Wiederholung dieser Einheitszellen.

Jeder einzelne Resonator besitzt mindestens eine erste relevante Resonanzfrequenz. Bei einer Anregung mit einer Resonanzfrequenz wird die Amplitude der Schwingung des Resonators maximal. Die Resonanzfrequenz eines Re- sonators wird dabei durch die Eigenschaften der gesamten Einheitszelle bestimmt. Es spielt also neben der Masse der schwingenden Masse und des Federelements und den elastischen Eigenschaften des Federelements auch die Geometrie, Masse und Elastizität der umgebenden Strukturen eine Rolle. Eine Frequenzabstimmung der Resonatoren kann also durch Variation dieser Eigenschaften erfolgen. Die Einheitszellen sollten in der Größenordnung einer halben Wellenlänge der ersten relevanten Frequenz, oder kleiner, dimensioniert sein.

Alle mechanischen Resonatoren des Metamaterials sind auf die gleiche, oder zumindest annähernd gleiche, Resonanzfrequenz abgestimmt. So entsteht ein Stoppband um diese Frequenz, das eine Wellenausbreitung im Metamaterial stark abschwächt. Durch die Abstimmung der Resonanzfrequenz der mechanischen Resonatoren lässt sich so ein Stoppband gestalten, das Transmission und Reflektion von Schallwellen in der Schallschutzvorrichtung und in damit verbundenen Bauteilen reduziert. Weisen die Resonatoren mehrere Resonanzfrequenzen in dem relevanten Frequenzbereich auf, so können mehrere Stoppbänder um diese entstehen. Diese mehreren Stoppbänder können getrennt Schwingungen in unterschiedlichen Frequenzbereichen reduzieren cider sich überlappen und so ein großes Stoppband bilden.

Die Anordnung von mechanischen Resonatoren kann periodisch sein. Eine periodische Struktur ergibt sich aus der räumlichen Wiederholung der Einheitszellen der mechanischen Resonatoren.

Der Abstand der mechanischen Resonatoren zueinander in der Anordnung von mechanischen Resonatoren kann kleiner sein als eine halbe Wellenlänge der ersten relevanten Frequenz, um ein vorteilhaftes Verhalten der Anordnung zu gewährleisten.

Durch die periodische Anordnung der mechanischen Resonatoren mit Abständen kleiner oder gleich einer halben Wellenlänge kann außerdem erreicht werden, dass sich mindestens ein weiteres Stoppband in der Schallschutzvorrichtung ausbildet, das durch Bragg-Streuung an der Anordnung entsteht. Auf diese Weise lässt sich ein zusätzliches Stoppband um eine weitere Frequenz ausnutzen. Weitere Stoppbänder lassen sich auch erzeugen, in dem die mechanischen Resonatoren so ausgebildet sind, dass sie mehrere Resonanzfrequenzen aufweisen. Des Weiteren kann die Anordnung der mechanischen Resonatoren so gewählt werden, dass sich zusätzliche Resonanzfrequenzen für die Anordnung ergeben, indem entweder Resonatoren mit verschiedenen relevanten Frequenzen in der Anordnung verwendet werden oder sich weitere Stoppbänder durch die Form der Anordnung ergeben.

Sind die einzelnen mechanischen Resonatoren leicht unterschiedlich abgestimmt, lässt sich das Stoppband um die erste Resonanzfrequenz verbreitern. Es verliert dabei jedoch auch an Schärfe, die Reduktion von Schwingungen in diesem Frequenzbereich fällt weniger stark aus. Diese Effekte können jedoch erwünscht sein. Außerdem können leicht unterschiedliche Frequenzabstimmungen der Resonatoren sinnvoll sein, um die Resonatoren an ihre Position in der Anordnung von lokalen Resonatoren anzupassen, beispielsweise, wenn zu erwarten ist, dass auf bestimmte Bereiche der Anordnung zusätzliche Kräfte wirken.

Zusätzlich zu schwingender Masse und Federelement können die Resonatoren auch ein dämpfendes Element umfassen. Dabei kann es sich beispielsweise um ein viskoelastisches Material handeln, das in die Einheitszelle eingebracht ist. Durch eine Dämpfung kann die Form des Stoppbandes beeinflusst werden. Durch zusätzliche Dämpfung des Resonators verbreitert sich das Stoppband, was ein erwünschter Effekt sein kann.

Die mechanischen Resonatoren können so ausgeführt sein, dass ihre Frequenzabstimmung nicht durch äußere Einflüsse geändert werden kann. Äußere Einflüsse sind beispielsweise Witterung oder äußere mechanische Einflüsse. Zu diesem Zweck können die mechanischen Resonatoren eine umkapselte Form oder Einhausung aufweisen oder so angeordnet sein, dass sie vor Wind, Wetter oder der Ansammlung von Schmutz geschützt sind. Dies ist insbesondere bei der Verwendung der Schallschutzvorrichtung in Außenbereichen, wie im Straßenverkehr, wichtig, wo sie sowohl der Witterung und Temperaturschwankungen als auch dem Schmutz aus Straße und Luft ausgesetzt sind, und trotzdem eine verlässliche Funktion über eine lange Lebensdauer gewünscht ist.

Es gibt verschiedene Formen von mechanischen Resonatoren, die in einer Schallschutzvorrichtung angeordnet sein können. Je nach Anwendungszweck, Ort der Schallschutzvorrichtung und insbesondere der geplanten Größe der gesamten Anordnung von mechanischen Resonatoren können diese ausgewählt werden. Es können auch unterschiedliche Formen von Resonatoren, die dennoch die gleiche oder zumindest ähnliche Frequenzabstimmung aufweisen, in einer Anordnung miteinander kombiniert werden, beispielsweise um mechanische oder ästhetische Anforderungen zu erfüllen. Darüber hinaus können Resonatoren derart gestaltet sein, dass sie die Scha I Iref lektion beeinflussen. Die hier beschriebenen mechanischen Resonatoren ermöglichen Stoppbänder in Frequenzbereichen zwischen 50 Hz und 5000 Hz, insbesondere in dem Bereich zwischen 1000 Hz und 1500 Hz.

Die mechanischen Resonatoren können beispielsweise als Napfresonatoren ausgeführt sein. Bei einem Napfresonator bildet eine napfförmige, elastische Membran das Federelement und eine schwingende Masse ist im Inneren dieses Napfes angeordnet. Wenn eine solche Anordnung auf eine Oberfläche aufgebracht wird, kann sie nach außen vollständig abgeschlossen sein, wodurch ein Schutz vor äußeren Einflüssen gegeben ist. Außerdem lässt sich ein solcher Napfresonator auf einfache Weise herstellen und für den relevanten Frequenzbereich dimensionieren. Ein Napf kann hier als kuppel-, Zylinder- oder kegelstumpfförmig verstanden werden. Der Napf muss nicht zwingenderweise eine kreisförmige oder auch nur runde Grundform aufweisen, diese kann jedoch für die Frequenzabstimmung nützlich sein. Der Napf besitzt eine offene und eine geschlossene Seite. Die geschlossene Seite kann abgeflacht oder abgerundet ausgeführt sein und mit konzentrischen Wellen zur Steifigkeitsreduktion oder ähnlichen Dekorationen versehen sein. Auf der offenen Seite bildet die Wand des Napfes so einen Bund, mit dem der Resonator auf einfache Weise auf eine Oberfläche aufgebracht, beispielsweise verklebt oder verschraubt werden kann.

Bei einem Napfresonator kann der Napf als Federelement einteilig mit der schwingenden Masse ausgebildet sein. Zur Herstellung eines solchen Napfresonators bieten sich beispielsweise Druckguss- oder Spritzgussverfahren an. Als Material können beispielsweise Stahl, Zink, Aluminium oder weitere Metalle und Kunststoffe verwendet werden. Insbesondere bietet sich Zink wegen seines gegenüber Stahl geringen E-Moduls bei nur geringfügig kleinerer Dichte an, sodass es sich gut als elastische Membran des Resonators verwenden lässt. Zink wirkt außerdem als Korrosionsschutz und bietet so zusätzlichen Witterungswiderstand. Ein einteiliger Napfresonator bietet die Vorteile einer geringen Teileanzahl und einfacher Montage bei relativ einfacher großserientechnischer Herstellung.

Stattdessen können Napf und schwingende Masse auch als einzelne Teile ausgeführt sein, wobei die Masse in dem Napf befestigt wird. Der Napf kann beispielsweise aus einem umgeformten Blech bestehen. Ebenso kann er im Spritzgussverfahren aus Kunststoff hergestellt werden. Zur Herstellung der Masse kann hingegen ein Material mit einer deutlich höheren Dichte, wie Stahl oder Blei, gewählt werden, sodass sich mehr Möglichkeiten zur Frequenzabstimmung ergeben. Die Masse ist in dem Napf angeordnet und fest mit diesem verbunden, beispielsweise über eine Verschraubung oder Verklebung. Wird der Napf im Spritzgussverfahren hergestellt, kann das Masseelement umspritzt und so bereits in diesem Herstellungsschritt mit dem Napf verbunden werden. Da sich Kunststoffnäpfe auch in Verbünden herstellen lassen, kann dieser Napfresonator so auch einfach in großserientechnischer Herstellung realisiert werden.

In einer weiteren Form eines mechanischen Resonators, die für eine Schallschutzvorrichtung verwendet werden kann, ist das Federelement als Elastomer ausgeführt. In einer einfachsten Form kann beispielsweise eine schwingende Masse mittels eines Elastomerkörpers mit einer Oberfläche verbunden und so schwingfähig gelagert sein. Eine weitere Form eines solchen Resonators ist die schwingfähige Lagerung eines Masseelements zwischen zwei Elastomeren, umkapselt durch ein Gehäuse. So ist die schwingende Masse in einer Richtung stabil schwingfähig gelagert. Durch ein Gehäuse ist der Resonator außerdem vor Witterungseinflüssen geschützt. Anstelle eines Elastomers können zum Beispiel auch eine Druckfeder, ein Faserkissen, ein Metallkissen oder ein Metallschaum verwendet werden. Diese Form eines Resonators weist zwar eine größere Anzahl von Bauteilen auf, bei diesen handelt es sich jedoch um einfache und gut verfügbare Teile, mit denen auf Grund großer Variationsmöglichkeiten eine gute Frequenzabstimmung erreicht werden kann. Sind die Resonatoren jeweils einzeln in Gehäusen ausgeführt, so lassen sie sich auf einfache Weise auf eine Oberfläche aufbringen. Außerdem ergibt sich in einer Anordnung von solchen mechanischen Resonatoren ein besonders gutes Verhältnis aus der freien Fläche und der Fläche, die für die Resonatoren benötigt wird. Dies kann vorteilhaft sein, da es in Kombination mit transparenten Materialien die Konstruktion von transparenten und teiltransparenten Lärmschutzwänden ermöglicht.

Als Federelement eines mechanischen Resonators kann auch ein Blechstreifen dienen. Dieser kann dabei auch als schwingende Masse wirken, oder mit einer zusätzlich aufgesetzten schwingenden Masse versehen sein. Im einfachsten Fall wirkt diese Anordnung als Blattfeder mit einer schwingenden Masse an einem Ende oder in ihrer Mitte. Es kann jedoch auch ein längerer Blechstreifen entweder so gekantet oder mit Stützelementen versehen werden, dass er mehrere federnde Bereiche aufweist, auf die einzelne Massen aufgebracht, beispielsweise geklebt, geschraubt oder geschweißt sind. Auf diese Weise kann eine großflächige Anordnung von Resonatoren einfach realisiert und im Verbund auf eine Oberfläche aufgebracht werden. Zwischen den Blechstreifen ergibt sich dabei viel freie Fläche.

Eine weitere Form eines mechanischen Resonators umfasst eine Oberfläche, aus der ein einteiliger Resonator herausgearbeitet wurde, sodass Teile der Oberfläche, die durch Aussparungen definiert sind, schwingfähig sind. So kann die Schallschutzvorrichtung aus einem Blech gefertigt werden, aus dem mittels Laserstrahl- oder Wasserstrahlschneiden oder Stanzen eine ganze Anordnung von Resonatoren herausgearbeitet wird. Der einzelne Resonator besteht dabei aus einem Bereich der Oberfläche, der von Aussparungen definiert ist. Dabei verbindet/verbinden ein erster Abschnitt oder mehrere erste Abschnitte dieses Bereiches als Federelement einen zweiten Abschnitt als schwingende Masse mit der verbleibenden Umgebungsoberfläche. Diese Anordnung von Resonatoren lässt sich auf einfache Weise großflächig produzieren. Einzelne Bereiche können außerdem mit Zusatzgewichten versehen werden. Da diese Form der Resonatoren anfällig gegenüber Schmutz ist, der sich in den Aussparungen ansetzt, aber auch eine äußerst flache Bauform aufweist, ist sie insbesondere zur Verwendung im Inneren von mehrschichtigen Bauteilen geeignet.

In einer weiteren Form eines Resonators fungiert ein Stahlseil als Federelement und die schwingende Masse wird an dieses gehängt. Als schwingende Massen können beispielsweise Stahl- oder Bleikugeln verwendet werden. Das Stahlseil wird dazu zwischen zwei Stützelementen gespannt. Durch die Vorspannung und die Masse lässt sich die Frequenzabstimmung vornehmen. Ein Stahlseil besitzt auf Grund seiner immanenten Reibung bereits eine Dämpfung. Das Stahlseil kann dabei auch durch mehrere Stützelemente getragen werden, so dass ein Stahlseil als Federelement mehrerer Resonatoren wirken kann und sich so eine großflächige Anordnung von lokalen Resonatoren leicht gestalten lässt. Auch bei dieser Ausführung der mechanischen Resonatoren ergibt sich ein gutes Freiflächenverhältnis.

Ein mechanischer Resonator kann auch dadurch realisiert sein, dass eine schwingende Masse in Absorptionsmaterial eingelagert ist. Das Absorptionsmaterial, beispielsweise Mineralwolle, wirkt so als Federelement. Bei den schwingenden Massen kann es sich um Stahl- oder Bleikugeln handeln, die in spezifischen Abständen zueinander in der Matrix des Absorptionsmaterials angeordnet sind. Auf diese Weise lässt sich eine Schallschutzvorrichtung in die gängige Kassetten-Konstruktion von Lärmschutzwänden integrieren. Insbesondere kann diese Form der mechanischen Resonatoren gut mit weiteren Formen von mechanischen Resonatoren kombiniert werden, die auf einer Oberfläche einer Kassette angebracht werden.

Die mechanischen Resonatoren der Schallschutzvorrichtung können zusätzlich je ein Element zur Energiewandlung umfassen, so dass die Schwingungen der Resonatoren für Energiegewinnung genutzt werden können.

Ebenso können die mechanischen Resonatoren Elemente zur Einstellung ihrer Eigenfrequenz umfassen. Dies kann durch eine Variation der Federsteifigkeit der Federelemente erreicht werden. Beispielsweise kann die Vorspannung der Federelemente eingestellt werden. Auf diese Weise lässt sich eine aktive oder passive Nachsteuerung je nach äußeren Ansprüchen, beispielsweise einer aktuellen Verkehrslage, bewerkstelligen. Auch die Verwendung von Aktoren, die aktiv Kräfte in die Schallschutzvorrichtung einsteuern und so die Ausbildung des Stoppbandes beeinflussen, bzw. begünstigen, ist denkbar. Durch solche Aktoren ließe sich die Leistungsfähigkeit der Schallschutzvorrichtung, insbesondere die Breite und Tiefe des Stoppbandes, verbessern.

Eine mögliche Anwendung der beschriebenen Schallschutzvorrichtung ist in Lärmschutzwänden. Dabei ist die beschriebene Schallschutzvorrichtung mit allen üblichen Formen von Lärmschutzwänden kombinierbar. Bei Lärmschutzwänden aus Beton können die mechanischen Resonatoren in dem Beton vergossen werden oder auf äußere Oberflächen aufgebracht werden. Bei Lärmschutzwänden in Kassettenbauweise können die Resonatoren in den Kassetten oder auf deren Oberflächen angebracht werden, oder direkt in Oberflächen und Füllmaterialien integriert werden. Die Anordnungen von mechanische Resonatoren können ebenso auf Lärmschutzwände aus Holz, Glas, oder Kunststoffverbünden aufgebracht, oder in Hohlräumen von diesen angeordnet werden. Auch komplette Lärmschutzeinhausungen und Tunnelwände können mit einer Schallschutzvorrichtung versehen werden. Entsprechende Lärmschutzwände finden vor allem im Straßenverkehr Anwendung, jedoch soll sich die Verwendung der beschriebenen Schallschutzvorrichtung nicht auf diese beschränken. Weitere Einsatzorte finden sich unter anderem an Flughäfen, Seehäfen und Bahnstrecken.

Die Schallschutzvorrichtung kann dabei zumindest bereichsweise auf einer Außenseite einer Lärmschutzwand angeordnet sein. Bei einer Anordnung auf einer von der Schallquelle abgewandten Seite ergibt sich so hauptsächlich eine Reduktion der Schalltransmission, bei einer Anordnung auf einer der Schallquelle zugewandten Seite lässt sich auch die Schallreflexion reduzieren. Zur Aufbringung der Schallschutzvorrichtung auf einer Außenseite der Lärmschutzwand eignen sich insbesondere die mechanischen Resonatoren in Napfform, einfache Resonatoren mit Federn oder Elastomeren, die in Gehäusen untergebracht sind und Blechstreifen mit aufgebrachten schwingenden Massen.

Weist die Lärmschutzwand eine Sandwichstruktur auf, wie beispielsweise eine Lärmschutzwand in Kassettenbauweise, in der die Lärmschutzwand aus mehreren Lagen von Materialien besteht, so kann die Schallschutzvorrichtung in einer der inneren Lagen angeordnet sein, oder diese ausbilden. Für diese Anordnung der Schallschutzvorrichtung sind insbesondere die mechanischen Resonatoren aus Blechstreifen mit aufgebrachten Massen, die aus einer Oberfläche herausgearbeiteten Resonatoren und die Resonatoren, die durch in Absorptionsmaterial eingelagerte Massekugeln ausgebildet sind, geeignet. Die Lärmschutzwand kann als innere Lage auch einen Hohlraum oder mehrere Hohlräume umfassen, in denen die Schallschutzvorrichtung angeordnet sein kann. Auf diese Weise können die mechanischen Resonatoren der Schallschutzvorrichtung frei schwingen, sind aber dennoch vor äußeren Einflüssen geschützt angeordnet. Besonders für diese Form der Lärmschutzwand geeignet sind Resonatoren in Form von Stahlseilen mit daran aufgehängten Massen.

Die Lärmschutzwand kann auch mehrere Lagen umfassen, auf denen Schallschutzvorrichtungen angebracht sind, oder die durch Schallschutzvorrichtungen gebildet werden. Dabei können unterschiedliche Ausführungen von Schallschutzvorrichtungen miteinander kombiniert werden. Insbesondere können Schallschutzvorrichtungen mit Stoppbändern in unterschiedlichen Frequenzbereichen miteinander kombiniert werden, um eine Lärmschutzwand zu erhalten, die Schallausbreitung in mehreren Bereichen reduziert. Auf diese Weise können auch spezifische Schallschutzvorrichtungen dazu verwendet werden, Transmission und Reflexion von Schall an der Lärmschutzwand zu reduzieren.

Die Lärmschutzwand kann Aussparungen, wie beispielsweise Fenster, umfassen, in denen die Schallschutzvorrichtung angeordnet ist. Auf diese Weise kann die Lärmschutzwand offener gestaltet werden und Sichtlinien durch die Lärmschutzwand ermöglichen, ohne dass dafür die Schalldämmung geopfert wird. Besonders für diese Form der Lärmschutzwand geeignet sind Anordnungen von mechanischen Resonatoren mit einem hohen Freiflächenverhältnis, wie zum Beispiel Stahlseile mit daran aufgehängten Massen oder Blechstreifenresonatoren.

Die Lärmschutzwand kann auch allgemein aus einem transparenten Material wie Glas oder einem entsprechenden Kunststoff ausgebildet sein. Da die Schallschutzvorrichtung als eine Anordnung von mechanischen Resonatoren auf die Lärmschutzwand aufgebracht wird und diese ein relativ hohes Freiflächenverhältnis aufweisen kann, ergibt sich so zumindest eine teiltransparente Lärmschutzwand.

Die Lärmschutzwand kann nachträglich mit einer Schallschutzvorrichtung versehen werden. Die Lärmschutzwand kann aber auch so hergestellt werden, dass die Schallschutzvorrichtung fest in dieser integriert ist. Dies ermöglicht eine bessere Abstimmung der Konstruktion der Lärmschutzwand auf die Funktion der Schallschutzvorrichtung. Insbesondere können manche Formen der Schallschutzvorrichtung einteilig mit der Lärmschutzwand ausgebildet sein.

Auch wenn die Funktion der Schallschutzvorrichtung bisher am Beispiel einer Lärmschutzwand beschrieben wurde, kann die Schallschutzvorrichtung auch für andere Bauteile, die zur räumlichen und akustischen Trennung zweier Bereiche dienen sollen, genutzt werden. Genannt werden sollen hierbei insbesondere Fenster, Türen, Trockenwände, Fassaden, Maschinengehäuse, Stelloder Trennwände und mobile Lärmschutzwände.

Die beschriebenen Ausführungsformen des Gegenstandes der vorliegenden Anmeldung können dabei sowohl einzeln verwendet als auch kombiniert werden, um zusätzliche Effekte zu erzielen und eine Schallschutzvorrichtung zu bieten, die mit einer Anordnung von mechanischen Resonatoren versehen ist.

Die erwähnten, sowie weitere Aspekte der Erfindung werden ersichtlich anhand der detaillierten Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die mit Hilfe der folgenden Zeichnungen gegeben wird, von welchen:

Fig. la und lb die Funktionsweise eines vibroakustischen Metamateri- als veranschaulichen,

Fig. 2a, 2b und 2c verschiedene allgemeine Ausführungsformen einer Lärmschutzwand mit vibroakustischen Metamaterialien darstellen, Fig. 3a bis 3d verschiedene relevanten Formen von mechanischen Resonatoren veranschaulichen, Fig. 4a zwei perspektivische Ansichten einer ersten Form eines Napfresonators zeigt, und

Fig. 4b einen Querschnitt durch den Napfresonator aus Fig. 5a darstellt,

Fig. 5a zwei perspektivische Ansichten einer zweiten Form eines Napfresonators zeigt, und

Fig. 5b einen Querschnitt durch den Napfresonator aus Fig. 6a darstellt,

Fig. 6a zwei perspektivische Ansichten einer dritten Form eines Napfresonators zeigt, und

Fig. 6b einen Querschnitt durch den Napfresonator aus Fig. 7a darstellt,

Fig. 7a, 7b und 7c drei verschiedene Möglichkeiten der Dämpfung am Beispiel eines Napfresonators darstellen,

Fig. 8a einen Querschnitt durch einen mechanischen Resonator mit einer Feder als Federelement darstellt,

Fig. 8b einen Querschnitt durch einen mechanischen Resonator mit einem Elastomer als Federelement darstellt,

Fig. 8c eine perspektivische Ansicht eines mechanischen Resonators mit einem Metallschaum als Federelement darstellt,

Fig. 9a eine perspektivische Ansicht eines aus einem Blechstreifen mit aufgesetzten Massen bestehenden mechanischen Resonators darstellt, Fig. 9b eine Seitenansicht des aus einem Blechstreifen mit aufgesetzten Massen bestehenden mechanischen Resonators darstellt, Fig. 10a stellt eine Draufsicht auf eine aus einem Blech herausgearbeitete Anordnung mechanischer Resonatoren dar, und

Fig. 10b eine perspektivische Ansicht der Anordnung mit einer Vergrößerung eines Abschnitts darstellt,

Fig. 11 eine schematische Darstellung von mechanischen Resonatoren mit einem Stahlseil als Federelement zeigt,

Fig. 12a eine perspektivische Ansicht einer Lärmschutzwand versehen mit einer Schallschutzvorrichtung darstellt, und

Fig. 12b eine frontale Ansicht der Lärmschutzwand darstellt,

Fig. 13 einen Querschnitt durch eine Lärmschutzwand in Kassettenbauweise mit zwei verschiedenen Schallschutzvorrichtungen darstellt, Fig. 14a eine schematische Darstellung einer mehrschichtigen Lärmschutzwand mit einer im Inneren angeordneten Schallschutzvorrichtung zeigt,

Fig. 14b eine schematische Darstellung einer mehrschichtigen Lärmschutzwand mit einer außen angeordneten Schallschutzvorrichtung zeigt,

Fig. 14c eine schematische Darstellung einer einschichtigen Lärmschutzwand mit einer darauf angeordneten Schallschutzvorrichtung zeigt,

Fig. 15a und 15 schematische Darstellungen von Lärmschutzwänden, die bereichsweise mit einer Schallschutzvorrichtung versehen sind, zeigen,

Fig. 16a eine schematische Darstellung einer Lärmschutzwand, die mit einer Schallschutzvorrichtung auf zwei unterschiedlichen Bereichen versehen ist, zeigt,

Fig. 16b eine schematische Darstellung einer Lärmschutzwand, die ein mit einer Lärmschutzvorrichtung versehenes Fenster aufweist, zeigt, Fig. 17a eine schematische Darstellung einer Ausführung einer mit einer Schallschutzvorrichtung versehenen gekrümmten Lärmschutzwand, zeigt, und

Fig. 17b eine schematische Darstellung einer mit einer Schallschutzvorrichtung versehenen Lärmschutzeinhausung zeigt.

Im Folgenden sollen die beanspruchten Gegenstände auf Basis der begleitenden Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Elemente.

Fig. la und lb stellen abstrahiert den allgemeinen Aufbau und die Funktionsweise von vibroakustischen Metamaterialien dar.

Fig. 1 zeigt ein vibroakustisches Meta material auf der Basis von resonanten Strukturen, sogenannten lokalen Resonatoren. Dabei handelt es sich in diesem Zusammenhang jeweils um mechanischen Resonatoren 2. Diese umfassen jeweils eine schwingende Masse 3 und ein Federelement 4. Die Anordnung von mechanischen Resonatoren 2 ist periodisch. Weisen die mechanischen Resonatoren 2 alle dieselbe Frequenzabstimmung auf, das heißt, haben sie alle mindestens eine gemeinsame Eigenfrequenz, so bildet sich bei Anregung mit dieser Frequenz in der Anordnung der mechanischen Resonatoren 2 und in dem mit diesem gekoppelten Medium ein Stoppband um diese aus. Die Ausbreitung von Wellen in diesem Frequenzbereich, im akustischen Bereich also von Körper- und Luftschall, insbesondere in dem Bereich von 50 Hz bis 5000 Hz, wird also stark reduziert. In diesem Bereich kann die Struktur praktisch nicht zu Schwingungen angeregt werden. Da die mechanischen Resonatoren 2 je nach ihrer Ausführung auch mehrere Eigenfrequenzen haben können, können sich so mehrere Stoppbänder um weitere Frequenzen ausbilden. Dabei können diese Stoppbänder verschiedene Frequenzbereiche abdecken, oder sich überlappen, sodass ein vergrößertes Stoppband entsteht. Ebenso können die einzelnen mechanischen Resonatoren 2 mit einer leicht unterschiedlichen Frequenzabstimmung ausgeführt werden. Dadurch wird die Schwingungsreduktion im Stoppbandbereich zwar geschwächt, das Stoppband wird jedoch verbreitert. Die in Fig. la dargestellte Anordnung stellt somit die allgemeinste Form der Schallschutzvorrichtung dar. Diese Schallschutzvorrichtung 1 ist dabei unabhängig von ihrer Anwendung und muss nicht auf eine Lärmschutzwand 5 aufbracht werden, sondern kann auch in anderen Bereichen Verwendung finden. Sie ist zunächst nur dadurch definiert, dass sie eine Anordnung von mechanischen Resonatoren umfasst, die dieselbe Frequenzabstimmung aufweisen.

Fig. lb stellt zusätzliche ein vibroakustisches Metamaterial dar, das auf dem Effekt der Bragg-Streuung beruht. Dieser Effekt entsteht durch periodisch auftretende Sprünge in der Phasengeschwindigkeit von Wellen in einem Medium, wie sie beispielsweise durch die periodische Anordnung von Massen 2 erzeugt werden. Durch die Reflexion der Wellen an diesen Inhomogenitäten kommt es in bestimmten Frequenzbereichen, abhängig von den Abständen der Inhomogenitäten, zu destruktiver Interferenz, sodass ebenfalls ein Stoppband erzeugt wird. Der Abstand der Inhomogenitäten entspricht dabei der halben Wellenlänge der Frequenz des Stoppbandes. Dieser Effekt ist natürlich auch in komplexeren Anordnungen, wie in Fig. la dargestellt, vorhanden. Im Kontext der vorliegenden Anmeldung spielt die Bragg-Streuung jedoch eine e- her untergeordnete Rolle, da die Schallschutzvorrichtung immer eine Anordnung von mechanischen Resonatoren 2 umfasst. Die Bragg-Streuung kann dabei jedoch zur Ausbildung zusätzlicher Stoppbänder genutzt werden. In den Fig. 2a, 2b und 2c sind verschiedene grundlegende Ausführungsformen einer Lärmschutzwand 5 mit einer auf vibroakustischen Metamaterialien basierenden Schallschutzvorrichtung 1 jeweils schematisch perspektivisch und im Querschnitt dargestellt. Fig. 2a zeigt eine Lärmschutzwand 5 mit darauf aufgebrachten mechanischen Resonatoren 2 (abstrahiert dargestellt). In Fig. 2b sind die mechanischen Resonatoren 2 in die Lärmschutzwand 5 eingebracht. In Fig. 2c sind die mechanischen Resonatoren 2 in die Lärmschutzwand 5 integriert, indem aus dieser bereichsweise Federelemente 4 herausgearbeitet sind, hier in Form einer Verdünnung der Wandstärke, und auf diesen schwingende Massen 3 aufgebracht sind. Auch die Massen 3 könnten jedoch einteilig mit der Lärmschutzwand 5 ausgebildet sein. Die Verbindung der mechanischen Resonatoren 2 mit der Lärmschutzwand 5 kann über eine Klebung, Verschraubung oder über andere Fügeverfahren erfolgen.

Im Folgenden werden verschiedene Konzepte von mechanischen Resonatoren beschrieben, die in einer Schallschutzvorrichtung 1 verwendet werden können. Diese lassen sich grob in vier verschiedene Type einordnen, die in Fig. 3a bis 3d schematisch dargestellt sind. Fig. 3a stellt einen säulenförmigen Resonator dar, indem eine schwingende Masse 3 auf einem diskreten Federelement 4 aufgebracht ist. Diese Form ist einfach zu realisieren und theoretisch auch ohne zusätzlicher Masse 3 möglich. Als Federelement 3 sind beispielsweise Schraubenfedern, Elastomere oder Metallkissen und -schäume denkbar. Fig. 3b stellt einen Biegebalken-Resonator dar. Hier ist der Großteil des Balkens als Federelement 4 markiert und mit einer Masse 3 an der Spitze versehen. Es muss sich dabei aber nicht um diskrete Bauteile handeln, ebenso ist ein durchgängiger Balken denkbar. Daher lasen sich in dieser Konfiguration Federelement 4 und schwingende Masse 3 nicht streng trennen. Ein Biegebalkenresonator kann auf einfache Weise generativ, aus einem Kunststoff per Laserschneiden oder umformende Verfahren aus Blech hergestellt werden. Fig. 3c stellt einen Membran-Resonator dar. Bei diesem ist eine schwingende Masse 3 auf einer Membran als Federelement 4 aufgebracht. Die Membran muss dabei nicht flach sein, sondern kann verschiedene Formen annehmen. Die Membran muss jedoch elastische Eigenschaften haben. Die schwingende Masse 3 kann mit der Membran verklebt, verschraubt oder anderweitig verbunden sein oder auch einteilig mit dieser ausgebildet sein. Fig. 3d stellt einen Resonator dar, der aus einer schwingenden Masse 3 und einem diese umschließenden elastischen Medium als Federelement 4 besteht. In einem Resonator dieser Form sind die schwingenden Massen praktisch in dem Federelement eingelagert.

Als besonders vorteilhaft zur Verwendung in einer Schallschutzanordnung haben sich Membran-Resonatoren wie in Fig. 3c erwiesen. Diese können als Napfresonatoren hergestellt werden, in denen die Membran zu einem napfförmigen Federelement 4 umgeformt wird, in dem die schwingende Masse angeordnet ist. Diese Form des Resonators erlaubt es, den mechanischen Resonator 2 nach außen abgeschlossen zu konstruieren, sodass dieser vor äußeren Einflüssen geschützt ist. Ausführungsformen solcher Napfresonatoren sind in Fig. 4a bis 6b dargestellt.

Fig. 4a und 4b stellen einen Napfresonator dar, in dem die schwingende Masse 3 und der Napf als Federelement 4 einteilig ausgebildet sind. Fig. 4a zeigt zwei perspektivische Ansichten des Resonators, sowohl von schräg unten als von schräg oben. Fig. 4b zeigt einen Querschnitt durch den Resonator entlang der Linie A-A. Da dieser Napfresonator einteilig ausgebildet ist, müssen Masse 3 und Federelement 4 nicht durch zusätzliche Mittel verbunden werden. Wie zu sehen ist, ist die Masse 3 zentriert in dem Napf des Federelements 4 angeordnet. Zur Einstellung der Eigenfrequenz des Resonators können die Membrandicke, der Durchmesser des Napfes und der Durchmesser, bzw. die Masse der schwingenden Masse variiert werden. Der Napfresonator kann außerdem mit konzentrischen Wellen (nicht gezeigt) auf seiner äußeren Oberfläche versehen sein, um die Steifigkeit des Federelements 3 zu reduzieren. Zur Herstellung eines solchen Napfresonators bieten sich beispielsweise Druckguss- oder Spritzgussverfahren an. Als Material können beispielsweise Stahl, Zink, Aluminium oder weitere Metalle und Kunststoffe verwendet werden. Insbesondere bietet sich Zink wegen seines gegenüber Stahl geringen E- Modul bei nur geringfügig kleinerer Dichte an, sodass es sich gut als elastische Membran des Resonators verwenden lässt. Zink wirkt außerdem als Korrosionsschutz und bietet so zusätzlichen Witterungswiderstand. Ein einteiliger Napfresonator bietet die Vorteile einer geringen Teileanzahl und einfacher Montage bei relativ einfacher großserientechnischer Herstellung. Der untere Bund des Napfresonators erlaubt ein einfaches Aufbringen, beispielsweise durch Verklebung oder Verschraubung, auf eine Oberfläche, wie einer Lärmschutzwand.

Fig. 5a und 5b stellen einen Napfresonator dar, in dem der Napf als Federelement 4 aus einem Blech geformt ist und die schwingende Masse 3 zentriert in diesem angeordnet und fest mit diesem verbunden ist. Fig. 5a zeigt zwei perspektivische Ansichten des Resonators, sowohl von schräg unten als von schräg oben. Fig. 5b zeigt einen Querschnitt durch den Resonator entlang der Linie B-B. Da dieser Napfresonator zweiteilig ausgebildet ist, müssen Masse 3 und Federelement 4 durch zusätzliche Mittel verbunden werden. Die Masse 3 kann beispielsweise dem Napf verklebt, aber auch verschweißt oder verschraubt sein. Zur Einstellung der Eigenfrequenz des Resonators können die Membrandicke, der Durchmesser des Napfes und der Durchmesser, bzw. die Masse der schwingenden Masse variiert werden. Der Napfresonator kann außerdem mit konzentrischen Wellen oder anderen Prägungen (nicht gezeigt) auf seiner äußeren Oberfläche versehen sein, um die Steifigkeit des Federelements 3 zu reduzieren. Zur Herstellung eines solchen Napfresonators bieten sich beispielsweise ein Metallblech an, das in einem Umformungsverfahren zu einem Napf geformt wird. Zur Herstellung der Masse kann hingegen ein Material mit einer deutlich höheren Dichte, wie Stahl oder Blei, gewählt werden, sodass sich mehr Möglichkeiten zur Frequenzabstimmung ergeben. Durch die Verwendung von Blech und einfachen Umformungsverfahren lässt sich diese Ausführungsform des Resonators einfach herstellen. Der untere Bund des Napfresonators erlaubt ein einfaches Aufbringen, beispielsweise durch Verklebung oder Verschraubung, auf eine Oberfläche, wie einer Lärmschutzwand.

Fig. 6a und 6b stellen ebenfalls einen Napfresonator dar, der Napf als Federelement 4 und die schwingende Masse 3 als einzelne Teile hergestellt werden. In diesem Fall ist das Federelement 4 als ein Kunststoff na pf realisiert, in dem die Masse 3 befestigt ist. Fig. 6a zeigt zwei perspektivische Ansichten des Resonators, sowohl von schräg unten als von schräg oben. Fig. 6b zeigt einen Querschnitt durch den Resonator entlang der Linie C-C. Der Kunststoff na pf wird in einem Spritzgussverfahren hergestellt. Die Masse 3 ist mit dem Napf verklebt oder wird bei der Herstellung des Napfes mit dem Kunststoff umspritzt und so dauerhaft mit diesem verbunden. Zur Einstellung der Eigenfre- quenz des Resonators können die Membrandicke, der Durchmesser des Napfes und der Durchmesser, bzw. die Masse der schwingenden Masse variiert werden. Der Napfresonator kann außerdem mit konzentrischen Wellen oder (nicht gezeigt) auf seiner äußeren Oberfläche versehen sein, um die Steifigkeit des Federelements 3 zu reduzieren. Zur Herstellung eines solchen Napfresonators bieten sich verschiedene Kunststoffe mit elastischen, aber beständigen Eigenschaften an. Zur Herstellung der Masse kann hingegen ein Material mit einer deutlich höheren Dichte, wie Stahl oder Blei, gewählt werden, sodass sich mehr Möglichkeiten zur Frequenzabstimmung ergeben. Durch die Verwendung eines Spritzgussverfahrens lässt sich diese Form des Napfresonators in Verbünden herstellen und so einfach großserientechnisch produzieren. Der untere Bund des Napfresonators erlaubt ein einfaches Aufbringen, beispielsweise durch Verklebung oder Verschraubung, auf eine Oberfläche, wie einer Lärmschutzwand. Ähnlich wie der in Fig. 6a und 6b gezeigte Kunststoffnapfresonator kann auch ein Napfresonator aus einem Metallschaum gestaltet sein, in dem die Membran des Napfes aus einem Metallschaum besteht.

Fig. 7a bis 7c stellen verschiedene Möglichkeiten zur Dämpfung eines mechanischen Resonators 2 in einer Schallschutzvorrichtung 1 dar am Beispiel eines Napfresonators dar. Diese Dämpfungen lassen sich jedoch ebenso auf andere Ausführungsformen von mechanischen Resonatoren 2 anwenden. In Fig. 7a ist der Hohlraum des Napfes mit einem dämpfenden Schaum 6 gefüllt. In Fig. 7b ist ein Dämpfungselement 7 aus einem Elastomer oder Silikon in den Resonator eingebracht. In Fig. 7c ist der Resonator dadurch gedämpft, dass er über elastische Verklebungen 8 mit seinem Untergrund verbunden ist. In Fig. 7d ist ein Dämpfungselement auf die Membran des Resonators aufgebracht. Dabei kann es sich beispielsweise um eine Schicht Bitumen handeln, die den Resonator zusätzlich abdichtet und vor Korrosion schützt. Je nach Form des mechanischen Resonators 2 sind auch anderer Formen der Dämpfung möglich. Diese haben jedoch alle dieselbe Wirkung, dass sie die Form des Stoppbandes der Schallschutzvorrichtung 1 beeinflussen. Insbesondere wird das Stoppband durch die Dämpfung abgeschwächt (verliert an Tiefe), verbreitert sich dafür aber auch, was ein erwünschter Effekt sein kann. Durch die Verwendung von Dämpfungselementen lässt sich die Form des Stoppbandes also spezifisch an die jeweilige Anwendung anpassen. Fig. 8a, 8b und 8c zeigen die unterschiedliche mechanische Resonatoren 2, die sich jeweils dem Typ des Säulenresonators aus Fig. 3a zuordnen lassen. Fig. 8a und 8b gleichen sich insofern, als sie jeweils ein Gehäuse 9 umfassen, in dem eine schwingende Masse 3 zwischen zwei Federelementen 4 angeordnet ist. In Fig. 8a ist das Federelement 4 als eine Schraubenfeder ausgeführt, in Fig. 8b durch Elastomere. Anstelle von Elastomeren könnten jedoch auch Metallkissen verwendet werden. Durch die Anordnung mit der schwingenden Masse 3 zwischen zwei Federelementen 4 ist eine gleichmäßige Vorspannung dieser gegeben, wodurch sich auch die Frequenzabstimmung einstellen lässt. In Fig. 8c ist das Federelement 4 durch einen Metallschaum gegeben. Metallschäume weisen eine immanente Dämpfung auf und lassen sich großserientechnisch gut verarbeiten. Außerdem kann eine metallische schwingende Masse 3 direkt an den Metallschaum angegossen und so fest mit diesem verbunden werden. Durch das Gehäuse 9 ist der mechanische Resonator 2 jeweils umkapselt und vor äußeren Einflüssen geschützt. Da diese Ausführungsformen des mechanischen Resonators 2 standardisierte und gut verfügbare Bauteile verwendet, lassen sie sich gut herstellen und vielseitig einsetzen.

Fig. 9a und 9b stellen einen Resonator, beziehungsweise eine Anordnung von Resonatoren dar, die auf einem Blechstreifen basieren. Ein Blechstreifen lässt sich als Biegebalkenresonator wie in Fig. 3b verstehen. In der in Fig. 9a gezeigten Ausführung weist er jedoch auch Eigenschafen eines Membranresonators wie in Fig. 3c auf. Dadurch, dass der Blechstreifen mehrfach gekantet ist, definiert er eine Reihe von Federelementen 4, die jeweils mit einer schwingenden Masse 3 versehen sind. Die Masen 3 können mit dem Blechstreifen verklebt oder verschraubt sein. Somit lässt sich durch einen Blechstreifen eine Anordnung von Resonatoren 2 erstellen und im Verbund aufbringen. Ist eine Dämpfung erwünscht, so kann diese über eine elastische Verklebung des Blechstreifens mit dem Untergrund erreicht werden. Ein weiterer Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass sich in einer Anordnung solcher mechanischer Resonatoren 2 relativ viel Freifläche zwischen den einzelnen Blechstreifen ergibt.

Eine weitere auf einem Blech basierende Ausführungsform ist in Fig. 10a und 10b dargestellt. Hier ist eine Anordnung von mechanischen Resonatoren 2 aus der der Oberfläche eines Bleches herausgearbeitet. Zur Herstellung einer solchen Resonatoranordnung können Laser- oder Wasserstrahlschneiden oder auch andere spanende Verfahren verwendet werden. Auf diese Weise können Schallschutzvorrichtungen 1 mit großflächigen Anordnungen von mechanischen Resonatoren 2 in nur einem Schritt hergestellt werden. Wie in der Vergrößerung in Fig. 10b zu sehen ist, definieren Aussparungen in dem Blech plattenförmige schwingende Massen 3 und als Stege ausgebildete Federelemente 4, die die Massen mit der verbleibenden Oberfläche des Bleches verbinden. Schwingende Massen 3 und Federelemente 4 lassen sich dabei jedoch nicht diskret definieren, da sich beide Teile der Anordnung verformen, wenn der Resonator 2 zu Schwingungen angeregte wird. Eine Frequenzabstimmung erfolgt über die Wahl der Form und Abmessungen der schwingenden Massen 3 und Federelemente 4. Auf Grund der relativ geringen Masse der einzelnen Resonatoren 2 ist in dieser Ausführung einer Schallschutzvorrichtung 1 eine relativ große Fläche notwendig, sodass sich ein geringes Freiflächenverhältnis ergibt. Allerdings lässt sich diese Form der Resonatoren auch sehr dünn gestalten und so gut in andere Bauteile, beispielsweise in Lärmschutzwände 5 in Kassettenbauweise, integrieren. Zum Schutz vor äußeren Einflüssen sollte diese Form der Schallschutzvorrichtung 1 im Ganzen umkapselt werden. Außerdem muss das gesamte Blech über seine Ränder so gelagert werden, dass die einzelnen mechanischen Resonatoren 2 schwingfähig sind. Diese Ausführungsform wurde hier am Beispiel eines Bleches beschrieben. Sie lässt sich jedoch auch in anderen Oberflächen und Materialien realisieren, in denen sich durch Aussparungen zweidimensionale Resonatoren definieren lassen.

Fig. 11 zeigt eine weiter Ausführungsform, in der sich ein mechanischer Resonator 2 auf einfache Weise zu einer Anordnung von Resonatoren 2 erweitern lässt. Als Federelement 4 dient hier ein Stahlseil, das zwischen Stützelementen 9 gespannt ist und an dem eine schwingende Masse 3 aufgehängt ist. Das Stahlseil kann so als Federelement 4 mehrere Resonatoreinheitszellen dienen. Die Frequenzabstimmung lässt sich durch die Massen 3 und die Vorspannung des Stahlseils einstellen. Das Stahlseil bietet dabei auf Grund innerer Reibung bereits eine immanente Dämpfung. Eine zweidimensionale Anordnung von mechanischen Resonatoren 2 lässt sich auf einfache Weise durch die Verwendung mehrerer parallel angeordneter Stahlseile erreichen. Dabei bietet diese Form der Schallschutzvorrichtung auch ein gutes Freiflächenverhältnis. Fig. 12a und 12b zeigen eine Übersicht über eine einfache Lärmschutzwand 5, die mit einer Schallschutzvorrichtung 1 versehen ist. Bei den mechanischen Resonatoren 2, die über die Fläche der Lärmschutzwand 5 verteilt sind, kann es sich beispielsweise um Napfresonatoren, wie in Fig. 4a bis Fig. 6b, oder um Säulenresonatoren, wie in Fig. 8a bis 8c, handeln. Da sich durch die Schallschutzvorrichtung 1 ein Stoppband für die Schallausbreitung in einem relevanten Bereich in der Lärmschutzwand 5 ausbildet reduziert diese Schaltransmission und kann dabei weniger massiv ausgeführt sein als herkömmliche Lärmschutzwände, bzw. eine höhere Schalltransmissionsreduktion aufweisen. Außerdem kann sie aus Glas oder einem anderen transparenten Material bestehen. Selbst mit aufgebrachter Schallschutzvorrichtung 1 ist die Lärmschutzwand dann zumindest teiltransparent, und schränkt Sichtlinien weniger stark ein.

Fig. 13 zeigt einen Querschnitt durch eine Lärmschutzwand 5 in der Kassettenbauweise, wie sie in vielen herkömmlichen Lärmschutzwänden Anwendung findet. In dieser Ausführungsform verwendet die Lärmschutzwand 5 jedoch eine Kombination aus zwei Schallschutzvorrichtungen 1, die die Eigenschaften vibroakustischer Metamaterialien nutzen. Auf der linken Seite der Lärmschutzwand 5 ist eine Schallschutzvorrichtung 1 angeordnet, die einen Blechresonator, wie in Fig. 10a und b gezeigt, verwendet. Dieser ist in der Vergrößerung unten links im Querschnitt dargestellt. Damit die mechanischen Resonatoren 2 frei schwingen können, ist Schallschutzvorrichtung auf ein Stützelement 9 aufgebracht. Außerdem ist der Schallschutzvorrichtung 1 durch die Kassette 10 vor der Witterung und vor äußeren mechanischen Einflüssen geschützt. Auf der rechten Seite ist die Lärmschutzwand mit einer zweiten Schallschutzvorrichtung 1 versehen. Diese besteht aus einer Matrix aus Absorptionsmaterial als Federelement 4, in die Massekugeln 3 eingelagert sind. Diese Ausführungsform der Schallschutzvorrichtung 1 nutzt mechanische Resonatoren 2, wie sie in Fig. 3d dargestellt sind. Da Kassetten-Lärmschutz- wände in der Regel bereit mit entsprechenden Hohlräumen für Absorptionsmaterial versehen sind, lässt die Form der Schallschutzvorrichtung auf einfache Weise mit dieser Bauform der Lärmschutzwand 5 kombinieren. Ebenso lässt sich eine Lärmschutzwand in Kassettenbauweise natürlich nur mit einer ersten Schallschutzvorrichtung realisieren und die zweite Schallschutzvorrichtung durch ein herkömmliches Absorptionsmaterial ersetzen. Bei Verwendung von zwei Schallschutzvorrichtungen 1 auf gegenüberliegenden Seiten der Lärmschutzwand 5 lassen sich diese beispielsweise so einstellen, dass sie sowohl die Reflexion von Schall an der der Lärmquelle zugewandten Seite der Lärmschutzwand 5, als auch die Transmission durch die Lärmschutzwand 5 auf der abgewandten Seite besonders gut reduzieren.

Im Folgenden sollen auch noch einige weiteren Formen von mit Schallschutzvorrichtungen 1 versehenen Lärmschutzwänden 5 beschrieben werden.

Fig. 14a stellt eine Lärmschutzwand 5 in Sandwichbauweise dar, die aus zwei Trägerplatten 11 besteht, zwischen denen eine Schallschutzvorrichtung 1 angeordnet ist. Da die Schallschutzvorrichtung 1 die Schallabsorption innerhalb der Lärmschutzwand auf Grund ihres Stoppbandes erhöht, können die Trägerplatten 11 dünner und leichter als die Bauteile herkömmlicher Lärmschutzwände, oder auch aus einem schlechter schalldämpfenden Material, wie zum Beispiel Glas, bestehen. Stattdessen, oder auch zusätzlich dazu, kann die Schallschutzvorrichtung auch auf einer Außenseite einer Trägerplatte 11 angebracht sein, wie in Fig. 14b dargestellt. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn die Schallschutzvorrichtung 1 dazu ausgelegt ist, Transmission oder Reflexion von Schall in oder aus einer bestimmten Richtung zu reduzieren. Um eine Leichtbauweise zu ermöglichen, kann eine Lärmschutzwand 5, wie in Fig. 14c gezeigt, auch aus einer einzigen Trägerplatte 11, auf die eine Schallschutzvorrichtung 1 aufgebracht ist. Insbesondere kann die Schallschutzvorrichtung 1 auch in die Trägerplatte integriert sein, oder gemeinsam mit dieser hergestellt werden. Für eine solche Lärmschutzwand eignet sich beispielsweise eine Schallschutzvorrichtung wie in Fig. 9a und 9b oder Fig. 10a und 10b.

Eine Lärmschutzwand 5 kann auch nur bereichsweise mit einer Schallschutzvorrichtung 1 versehen sein. Beispielsweise ist in Fig. 15a eine Lärmschutzwand 5 gezeigt, die einen massiven unteren Abschnitt und einen dünneren oberen Abschnitt aufweist. Um jedoch die Absorptionseigenschaften des oberen Bereichs zu verbessern, ist dieser mit einer Schallschutzvorrichtung versehen. Ebenso ist es möglich, wie in Fig. 15b angedeutet, einen Bereich der Lärmschutzwand 5 mit einer Schallschutzvorrichtung 1 zu versehen, die auf einen Frequenzbereich abgestimmt ist, in dem dieser Bereich der Lärmschutz- wand 5 auf Grund seiner Bauform, Wanddicke oder Material nicht zur Reduktion der Schallausbreitung geeignet ist.

Fig. 16a zeigt einen Lärmschutzwand 5, die mit zwei Schallschutzvorrichtungen 1 in unterschiedlichen Bereichen der Lärmschutzwand 5 versehen ist. Dabei können die beiden Schallschutzvorrichtungen 1 unterschiedlich abgestimmt sein, um Unterschiede in Bezug auf Wanddicke, Bauform, Material des Bereichs der Lärmschutzwand 5, auf dem sie aufgebracht sind, auszugleichen.

Fig. 16b stellt eine Lärmschutzwand 5 dar, die mit einem Fenster versehen ist, um die ansonsten massive Form der Wand zu durchbrechen. Damit dieses Fenster dennoch zur Reduktion der Schalltransmission beiträgt, ist es mit einer Schallschutzvorrichtung 1 versehen. Somit kann die Schallschutzvorrichtung 1 dazu dienen, ästhetisch ansprechendere Lärmschutzwände 5 zu gestalten, ohne dabei Einbußen in ihrer Funktionalität zu erzeugen.

Die Schallschutzvorrichtung 1 kann auch mit anderen bekannten Konzepten des Lärmschutzes kombiniert werden, beispielsweise mit der in Fig. 17a gezeigten Lärmschutzwand 5 mit abgewinkeltem Aufsatz, der dazu dient den Beugungswinkel der an der Oberkannte der Lärmschutzwand 5 gebeugten Schallwellen zu beeinflussen. Fig. 17b zeigt eine vollständige Lärmschutzeinhausung 12, die zur Reduktion der Schalltransmission auf ihrer Außenseite mit Schallschutzvorrichtungen 1 versehen ist.

Ebenso können entsprechende Schallschutzvorrichtungen 1 auch auf weitere Bauteile angewendet werden, die die zur räumlichen und akustischen Trennung zweier Bereiche dienen sollen. Beispielsweise können solche Schallschutzvorrichtungen zum passiven Lärmschutz in Gebäudefassaden oder Lärmschutzfenstern verwendet werden. Weiter mögliche Einsatzgebiete im Bauwesen sind Trockenbauwände und Türen. Schallschutzvorrichtungen 1 lassen sich auch an Gehäusen von Maschinen anbringen. Mit Schallschutzvorrichtungen 1 versehene mobile Lärmschutzwände können an Baustellen eingesetzt werden, oder entsprechende Stell- und Trennwände in Großraumbüros oder Fabriken. Die hier gezeigten Ausführungsbeispiele sind daher nicht begrenzend. Insbesondere können diese Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden, um zusätzliche Effekte zu erzielen. Für den Fachmann ist offensichtlich, dass Änderungen an diesen Ausführungsbeispielen vorgenommen werden können, ohne die grundlegenden Prinzipien des Gegenstandes dieser Schutzanmeldung zu verlassen, deren Bereich in den Ansprüchen definiert ist.