Physikalische Grundlagen Auspuff?
Ich muss eine Ausarbeitung für Physik machen zum Thema Lärmschutz.
Eine Aufgabe war die Physikalischen Grundlagen von unserem Thema erklären. Mein Thema sind Auspuffanlagen. Meine Frage ist jetzt, welche Phys. Gesetze werden im Schalldämpfer eines Autos angewandt?
3 Antworten
Die genauen Gesetze habe ich aus dem Stehgreif auch nicht, außerdem will ich deine Hausarbeit nicht komplett vorweg nehmen.
Allerdings zum Thema Auspuff, Grund und Funktionsweise noch ein paar Fakten, teils allgemein bekannt, teils welche, die vielleicht auch nicht jeder gleich auf dem Kasten hat, darauf basierend kannst du dir dann die Gesetze raussuchen.
Erst mal, was passiert im (4-Takt) Motor? Ein Kraftstoff-Luftgemisch wird angesaugt, verdichtet, entzündet sich und drückt den Kolben runter. Sobald der Kolben wieder hochgeht, wird das Auslassventil geöffnet und das verbrannte Gemisch entweicht.
Die Annahme, dass die Explosion den Haupt-Lärm ausmacht, stimmt aber nicht. Gründe:
- Guck dir mal einen alten amerikanischen Truck, z.B. Peterbilt oder Kenworth, an. Die haben eine Motorbremse, die über die von PKWs (Schubabschaltung, also Abschaltung der Kraftstoffzufuhr, dass nur noch Luft verdichtet und expandiert) hinausgeht. Bei der sogenannten Jacobsbremse, im Trucker-Slang Jake Brake, wird ebenfalls die Kraftstoffzufuhr unterbrochen, die Luft wird komprimiert, doch statt diese wieder expandieren und somit beim Herunterdrücken des Kolbens etwas arbeiten zu lassen, wird kurz vorm oberen Totpunkt des Kolbens ein separates Auslassventil geöffnet, das die Luft schlagartig entweichen lässt. Obwohl hier nichts verbrennt, knallt das gewaltig. Deshalb dürfen Trucks auch in Lärmschutzgebieten nicht (Schild "No Jake Brake") oder nur mit Bremsschalldämpfer (Schild "Brake Muffler required") mit der Jacobsbremse bremsen. Hör dir mal das Monster an: https://www.youtube.com/watch?v=NXhZ6jlqFTI
- Die Ausbreitung der Flammfront bei Benzinern ist eher gleichförmig als eine Explosion. Die Selbstentzündung von Dieselkraftstoff erfolgt eher explosionsartig. Ein Diesel ist vorne, beim Motor, lauter, hinten am Auspuff gibt es kaum Unterschiede. Natürlich trägt die Verbrennung zur Lautstärke bei, was man natürlich vorne wie hinten hört, wenn man mit Schubabschaltung bergab rollt, aber der Löwenanteil kommt vom schlagartigen, pulsierenden Entweichen der Luft (nicht so schlagartig, wie bei einer Jake Brake, da die Luft vor dem Ausstoßen nicht noch mal verdichtet wird, aber ein Kolben, der mehrere tausend Mal pro Minute nach oben saust und Luft ausstößt, ist immer noch schnell genug, dass es schlagartig ist)
Luft ist das Transportmedium für Schallwellen. Ein schlagartiges Entweichen von Luft macht Geräusche, egal ob man eine Sprudelwasserflasche öffnet (Zisch), eine Pringles-Dose "poppt" oder Luft aus einem Motor ausstößt. Selbst ein Lautsprecher arbeitet so, die Membran setzt durch ihre Schwingungen Luft in Bewegung. Ein Blatt Papier vor dem Lautsprecher macht ihn leiser. Ein Schalldämpfer sozusagen.
Der Ausbreitung des Schalls gewährt man halt im Auspuff Einhalt. Durch Dämmstoffe, die die Luft abbremsen und durch ein Labyrinth zwecks Schallüberlagerung/Interferenz, das den Schall etwas gleichförmiger werden lässt oder im Idealfall durch Überlagerung von 180°-Phasenverschiebung Schall auslöscht... Das ist der Auspuff.
Alles, was die Luft bremst, dämpft den Schall. Das kann von vorne bis hinten ein Abgasturbolader sein (die Luft wird beim Umströmen der Schaufeln abgebremst, deshalb klingt ein Turbo nie ganz so kernig, wie ein Sauger), ein Katalysator und/oder Partikelfilter und einer oder mehrere Schalldämpfer, wo Dämmstoffe die Luft ausbremsen.
Natürlich produziert das einen Rückstau, was auf die Leistung von Motor (Auspuff) oder Jake Brake (Bremsschalldämpfer) schlägt. Deshalb sind sportliche Autos auch dendenziell eher laut, laute Autos aber nicht immer sportlich (erstens weil ein Sportschalldämpfer mit weniger Dämmung aus einem 55PS Polo keinen Ferrari macht und zweitens weil der Rückstau beim Motorkennfeld ggf. einberechnet wurde und man ohne Kennfeldoptimierung sogar Leistung verliert, aber das geht jetzt ein wenig weg von deinem Kernthema).
Was für dich am interessantesten sein dürfte ist die Entstehung von Schall, Phasenlage und Überlagerung von Wellen und die Ausbreitung von Schall in verschiedenen Medien, die Gesetze und Regeln der Physik dazu darfst du dir selbst raussuchen, wie gesagt ich will die Arbeit ja auch nicht komplett vorgreifen.
In den Schalldämpfern werden in der Regel 2 Verfahren angewandt:
- Schallüberlagerung (Interferrenz) und
- Absorbtion (weiche Füllstoffe)
Das können Einzelelemente in separaten Schalldämpfer-Gehäusen sein. Die beiden Verfahren können aber auch in einem gemeinsamen Gehäuse Anwendung finden.
Eine weiterführende Information hinsichtlich der physikalischen Arbeitsweisen: https://www.hild-tuning.de/unterschied-reflexionsschalldaempfer-absorptionsschalldaempfer/