Das Design des Schalldämpfers scheint zwar viel Arbeit bei der Unterdrückung des starken Motorgeräuschs zu leisten, ist aber eigentlich ganz einfach: Im Inneren des Schalldämpfers befindet sich ein täuschend einfacher Satz Rohre mit darin gebohrten Löchern. Diese Röhren sind zusammen mit speziellen Kammern tatsächlich wie ein fein gestimmtes Musikinstrument angeordnet, das heute nicht nur den Motor dämpft, sondern auch einen besonderen Klang erzeugt, der für viele Autoliebhaber angenehm ist, insbesondere beim Einsatz in Sportwagen.
Cutaway-Schalldämpfer
Daher sind Schalldämpfer so konzipiert, dass sie die vom Motor erzeugten Schallwellen so reflektieren, dass sie (die Wellen) sich teilweise selbst aufheben. Schalldämpfer verwenden eine Technologie, die dünn genug ist, um dieses Geräusch zu unterdrücken. Wie ist also ein Schalldämpfer aufgebaut? Lass es uns herausfinden! Aber zuerst müssen wir etwas mehr über die Physik des Klangs lernen.
Die Position des Schalldämpfers im Auto relativ zur gesamten Abgasanlage
Über Klang
Schallwellen werden durch Impulse abwechselnd hohen und niedrigen Luftdrucks in den Motorzylindern erzeugt. Diese Impulse bewegen sich mit Schallgeschwindigkeit durch die Luft. Diese Impulse entstehen im Motor zu dem Zeitpunkt, an dem das Auslassventil öffnet und das explosive Kraftstoff-Luft-Gemisch unter hohem Druck plötzlich in die Abgasanlage gelangt. Die Moleküle in diesem Gas kollidieren mit Molekülen im Rohr, die unter niedrigerem Druck stehen. Diese wiederum kollidieren mit Molekülen weiter unten in der Röhre, wodurch dieses Geräusch entsteht. Somit wandert die Schallwelle viel schneller durch das Abgassystem (oder besser gesagt von vorne nach hinten), als die Abgase aus ihr austreten.
Wenn diese Druckimpulse Ihr Ohr erreichen, wirken sie auf das Trommelfell und versetzen es in Schwingungen. Und Ihr Gehirn interpretiert diese Bewegung der Membran als Geräusch. Zwei Hauptmerkmale einer Welle bestimmen, wie wir einen solchen Klang wahrnehmen:
- Schallwellenfrequenz – eine höhere Wellenfrequenz bedeutet einfach, dass der Luftdruck schneller schwankt. Je schneller der Motor läuft, desto höher ist der Ton, den wir hören (denken Sie an das Summen von Formel-1-Autos oder Sportmotorrädern, die mit hoher Geschwindigkeit vorbeifahren). Langsamere Vibrationen klingen leiser (das charakteristischste Geräusch wird von Motoren, Harley-Davidson-Motorrädern, im Leerlauf oder bei niedrigen Drehzahlen erzeugt).
- Luftdruckniveau – Die Amplitude der Welle bestimmt, wie laut der Ton sein wird. Schallwellen mit großen Bewegungsamplituden auf unser Trommelfell üben mehr Druck aus, und wir nehmen dieses Gefühl als größere Geräuschmenge wahr.
Es stellt sich jedoch heraus, dass es möglich ist, zwei oder mehr Schallwellen miteinander zu kombinieren und einen (!) kleineren Klang zu erhalten. Sehen wir uns am Beispiel eines Schalldämpfergeräts an, wie es funktioniert!
Das Hauptmerkmal unserer Wahrnehmung von Schallwellen besteht darin, dass das resultierende Geräusch in unserem Ohr tatsächlich die Summe aller Schallwellen ist, die in einer Zeiteinheit das Trommelfell erreichen. Wenn Sie sich beispielsweise einen Song von Metallica anhören, können Sie das Schlagzeug und drei Gitarren gleichzeitig als eine einzige kombinierte Musik hören, aber wenn Sie sich einen solchen Song anhören, können Sie mehrere verschiedene Klangquellen hören (außer „außer“) zur Unterscheidung zwischen Schlagzeug- und Bassgitarrenspiel) - Schalldruckwellen, die das Trommelfell erreichen, werden addiert, so dass Ihr Trommelfell jeweils nur einen Druck verspürt.
Und nun der praktische Teil des Schalldämpfergeräts in Bezug auf die Schallunterdrückung: Tatsache ist, dass es möglich ist, eine Schallwelle zu erzeugen, die einer anderen identischen Welle direkt entgegengesetzt ist, und genau dies ist die Grundlage für die Geräuschreduzierung – einfach zwei identische Wellen entweder übertönen sie sich gegenseitig oder bilden eine Welle mit doppelter Amplitude. Schauen Sie sich die Animation unten an. Die von oben kommende Welle und die Welle in der Mitte sind reine gleiche Töne. Wenn diese beiden Wellen im Einklang sind, sich also mit der gleichen Frequenz überlappen, bilden sie eine Welle, jedoch mit der doppelten Amplitude. In der Wissenschaft nennt man dies konstruktive Interferenz. Wenn sie jedoch in entgegengesetzten Phasen einander überlagert werden und der niedrigste Punkt der Amplitude der ersten Welle zu einem Zeitpunkt mit dem höchsten Punkt der Amplitude der zweiten Welle zusammenfällt, heben sie sich einfach gegenseitig auf, bis der Ton Null ist . Und das nennt man bereits destruktive Interferenz. Während die erste Welle ihren maximalen Druck erreicht, erreicht die zweite Welle ihr Minimum. Wenn diese beiden Wellen gleichzeitig auf das Trommelfell treffen würden, würden Sie nichts hören, da sich diese beiden Wellen immer gegenseitig aufheben.
Wie ist der Schalldämpfer von innen angeordnet?
Der Schalldämpfer besteht im Wesentlichen aus einem Satz Rohre. Diese Röhren sollen Reflexionen von Schallwellen erzeugen, die sich gegenseitig stören und schließlich gegenseitig aufheben.
Abgase und damit verbundene Schallwellen (wenn auch, wie wir bereits wissen, viel früher) gelangen durch das zentrale Auspuffrohr in den Schalldämpfer. Sie prallen von der Rückwand des Schalldämpfers ab und werden durch ein Loch im Hauptteil des Schalldämpfers reflektiert. Anschließend gelangen sie durch eine Reihe von Löchern in eine andere Kammer, wo sie erneut gelöscht werden und durch das letzte Rohr austreten und den Schalldämpfer verlassen.
Die zweite Kammer heißt Resonator, der durch ein Loch mit der ersten Kammer verbunden ist. Der Resonator enthält ein bestimmtes Luftvolumen und hat eine bestimmte Länge, die mit pedantischer Präzision berechnet wird, um eine Wellenlänge zu erhalten, die eine bestimmte Schallfrequenz kompensieren kann. Wie passiert es? Schauen wir uns den Schalldämpfer genauer an...
Resonator
Wenn die Welle in den Schalldämpfer eintritt, gelangt ein Teil davon durch das Loch weiter in die zweite Kammer, während der andere Teil reflektiert wird. Die Welle breitet sich in der zweiten Kammer aus, dringt in die Rückwand des Schalldämpfers ein, wird von dieser reflektiert und tritt durch dasselbe Loch wieder aus. Die Länge dieser zweiten Kammer ist so berechnet, dass diese Welle den Resonator erst verlässt, nachdem die nächste Welle von der Außenseite der zweiten Kammer (der Innenseite der ersten Kammer) reflektiert wird. Im Idealfall wird der Teil der Hochdruckschallwelle, der die zweite Kammer verlässt, durch den Teil der Niederdruckwelle, der an der Außenseite der zweiten Kammerwand reflektiert wird, aufgehoben, und es sind diese beiden Wellen, die sich gegenseitig aufheben .
Die folgende Animation zeigt, wie der Resonator in einem vereinfachten Schalldämpfer funktioniert:
Tatsächlich ist das Motorgeräusch eine Mischung verschiedener Schallfrequenzen, und da viele dieser Frequenzen von der Motordrehzahl abhängen, liegt das Geräusch fast nie in den richtigen Frequenzbereichen, um es perfekt zu dämpfen. Der Resonator ist so konzipiert, dass er im besten Frequenzbereich arbeitet, in dem der Motor die meisten Geräusche macht. Aber selbst wenn die Frequenz unterschiedlich ist, erzeugt er immer noch ein erhebliches Maß an destruktiver Interferenz.
Bei einigen Autos, insbesondere bei Luxusautos, bei denen ein leiser Betrieb ein Schlüsselmerkmal ist, gibt es im Auspuff eine weitere Komponente, die wie ein Schalldämpfer aussieht, aber so genannt wird Resonator. Dieses Gerät funktioniert wie ein Kammerresonator in einem Schalldämpfer – die Abmessungen sind so bemessen, dass die gedämpften Wellen dann am Ausgang einen gewissen „schönen“ Klang erzeugen, um andere und sogar Menschen in der Kabine solcher Autos zu überraschen und zu erfreuen .
Im Inneren des Schalldämpfers befinden sich weitere Funktionen, die auf unterschiedliche Weise zur Reduzierung des Schallpegels beitragen. Der Schalldämpferkörper besteht normalerweise aus drei Schichten: zwei dünnen Metallschichten und einer dickeren, leicht isolierten Schicht dazwischen. Dadurch kann der Schalldämpfer einen Teil der Druckimpulse absorbieren. Darüber hinaus sind die Einlass- und Auslassrohre, die zur Hauptkammer führen, mit Löchern perforiert. Dadurch können Tausende winziger Druckimpulse in der Hauptkammer aufgehoben werden, die sich bis zu einem gewissen Grad gegenseitig „auffressen“ und zusätzlich im Schalldämpfer absorbiert werden.
Nachteile von Schalldämpfern und andere Arten von Schalldämpfern
Einer der wesentlichen Nachteile eines Schalldämpfers ist seine Widerstandsfähigkeit gegenüber dem Druck, den der Motor auf ihn ausübt – diese Eigenschaft nennt man Gegendruck. Wegen all der Windungen und Löcher im Schalldämpfer muss das Abgas einen langen Weg zurücklegen, um schließlich in die umgebende Atmosphäre zu entweichen. Die oben beschriebenen Schalldämpfer erzeugen einen ausreichend hohen Gegendruck, der dem Motor etwas Leistung abverlangt, da das offene Ventil des Zylinders das Ausbrennen ermöglicht und der Kraftstoff durch die Explosion in benachbarten Zylindern austritt, wie wir uns aus dem Artikel über den Motor erinnern Betrieb.
Es gibt andere Arten von Schalldämpfern, die den Gegendruck reduzieren können. Ein solcher Typ, manchmal auch als „ doppelt verglastes Fenster", nutzt nur Absorption, nicht Reflexion, um den Schall zu reduzieren. Bei einem solchen Schalldämpfer ist das Auspuffrohr direkt mit dem Ansaugrohr verbunden, das mit Löchern perforiert ist. Um dieses Rohr herum ist eine Glasisolierungsschicht angebracht, die einen Teil absorbiert der Druckimpulse. Die Isolierung ist von einer Stahlschicht umgeben.
Schalldämpfergerät - „Glaseinheit“
Solche Schalldämpfer haben auch einen erheblichen Nachteil: Sie erzeugen viel weniger Gegendruck und „fressen“ dadurch die Leistung des Autos nur geringfügig, reduzieren den Schallpegel jedoch nicht so stark wie herkömmliche Schalldämpfer.