Ingenieurakustik

Bei der akustischen Auslegung von Maschinen, Anlagen und Fahrzeugen geht es im Wesentlichen darum, die Geräuschentstehung und Geräuschabstrahlung zu reduzieren und/oder den Geräuschen einen Klang zu verleihen, der einen dem Charakter der Geräuschquelle entsprechenden Höreindruck vermittelt. Dabei sind in zunehmenden Maße Vorschriften und Grenzwerte zu beachten, da der Mensch ganz erheblich durch Lärm geschädigt werden kann. Das Interesse an der Akustik hat in den letzten Jahren ständig zugenommen, wie auch die Rangliste von Kaufkriterien eines Automobilherstellers zeigt (Abb. 1.1).

In einem unendlich ausgedehnten gasförmigen Medium, z. B. Luft, mit dem Druck p₀, der Dichte ρ₀ und der Temperatur T₀ im Ruhezustand pflanzt sich eine örtlich begrenzte, zeitlich veränderliche Störung des Gleichgewichtes in freien Wellen fort. Da Gase nur sehr kleine Schubkräfte übertragen können und auch keine freien Oberflächen besitzen, erfolgt diese Fortpflanzung nur in Form von Längswellen. Dabei schwingen örtlich die Gasteilchen in der Fortpflanzungsrichtung hin und her, wobei gegenüber dem Ruhedruck p₀ sehr kleine Druckschwankungen auftreten. Diese Druckschwankungen werden vom menschlichen Ohr empfangen und können als Schall wahrgenommen werden. In Anlehnung an das menschliche Hörvermögen wird in der Technik der akustische Frequenzbereich von 16 Hz bis 20 kHz festgelegt. Schall kann sich aber auch in Flüssigkeiten und festen Körpern fortpflanzen. In diesen Fällen spricht man dann von Flüssigkeits- bzw. Körperschall. Die Schallausbreitung in Flüssigkeiten erfolgt in ähnlicher Weise wie bei Gasen in Längswellen. Bei festen Körpern können erheblich größere Schubspannungen übertragen werden, wodurch andere Wellenformen auftreten.

Für das Erarbeiten von primären, konstruktiven Lärmminderungsmaßnahmen ist die Kenntnis der Schallentstehungsmechanismen entscheidend. Nachfolgend werden nur die wesentlichen Zusammenhänge bei der Schallentstehung zusammengestellt. Die Mechanismen der Schallentstehung lassen sich in folgende Grundsätze zusammenfassen:

Die primären Aufgaben der Schallmesstechnik sind:

Maschinen- und Anlagen verursachen Geräusche, die häufig als störend empfunden werden und deren Geräuschpegel aus unterschiedlichen Gründen verringert werden müssen. Eine Geräuschminderung beginnt mit der Identifizierung und Analyse der Entstehungsmechanismen [1, 2]. Die Zielsetzung bei der Auslegung der Systeme und der Konstruktion von Bauelementen richtet sich nach dem menschlichen Empfinden der Geräusche und Schwingungen (siehe auch Kap. 6). Hierbei werden die fühlbaren Schwingungen im Übergangsbereich zu hörbaren Geräuschen im Frequenzbereich 50 bis 100 Hz als Vibrationen bezeichnet. Die Begrifflichkeit der Vibration suggeriert dem Menschen, im Gegensatz zum Begriff der Schwingung, die unmittelbare subjektive Hörbarkeit oder Fühlbarkeit eines dynamischen Vorgangs. Die Beschreibung erfolgt phänomenologisch und orientiert sich an den subjektiven Beiträgen der Produkteigenschaften, die einen nutzbaren Kundenwert darstellen (Tab. 5.1).

Unter der Soziologie des Hörens versteht man die gesellschaftliche Bedeutung dieser Sinneswahrnehmung. Auch die Wahrnehmung und die Deutung von Geräuschen hinsichtlich der damit verbundenen Information und der akustischen Wertigkeit sind soziologisch geprägt.

In der Umgebung einer Schallquelle baut sich ein Schallfeld mit einer bestimmten Schalldruck- bzw. Schalldruckpegelverteilung auf. Hierauf hat einmal die Schallquelle selbst Einfluss, vor allem die Größe ihrer Schallleistung und deren spektrale Verteilung, die geometrische Form der Schallquelle und eine gegebenenfalls vorhandene Richtcharakteristik. Zum anderen spielt die akustische Eigenschaft der Umgebung eine wesentliche Rolle. Dabei muss man grundsätzlich unterscheiden, ob die Schallausbreitung im Freien oder in einem geschlossenen Raum vor sich geht. In diesem Kapitel wird die Schallausbreitung im Freien behandelt. Typische Beispiele für diese Schallausbreitung sind vor allem Verkehrslärm einschließlich Fluglärm, Emissionslärm von Industrie- und Gewerbeanlagen, Baustellenlärm und Freizeitlärm (Sportstätten, Nachbarschaft).

Im Gegensatz zur Schallausbreitung im Freien kommt es bei der Schallausbreitung in geschlossenen Räumen zu Reflexionen an den Raumbegrenzungen. Auf diese Weise verstärkt sich das Schallfeld in geschlossenen Räumen und kann daher insbesondere am Arbeitsplatz besonders lästig werden. Ein Geräusch, das in einem geschlossenen Raum von einer Schallquelle ausgehend beim Empfänger eintrifft, besitzt zwei Anteile der Ausbreitung, nämlich den Direktschall wie bei Freifeldbedingungen und den vielfach reflektierten Schall. In der Nähe der Schallquelle überwiegt der Einfluss des Direktschalls, etwas weiter entfernt der Einfluss des reflektierten Schalls. Die Verhältnisse sind in Abb. 8.1 dargestellt [1].

Die von einer Schallquelle abgestrahlte Schallleistung P_Q und der zugehörige Schallleistungspegel L_W = 10⋅lg P_Q/P₀, bezogen auf 10⁻¹² W, standen bisher häufiger im Mittelpunkt der Betrachtung. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die Schallleistung, d. h. die pro Zeit von einer Schallquelle in jeden Raumwinkel ihrer Umgebung abgestrahlte Schallenergie, eine akustisch invariante Kenngröße der Schallquelle darstellt, da sie unabhängig von Rückwirkungen des abgestrahlten Schallfeldes ist. Daher stellen die Schallleistung oder der Schallleistungspegel L_W die kennzeichnende Größe in der Beurteilung der Schallemission einer Geräuschquelle dar. Diese Feststellung ist vor allem auch auf Maschinen zu übertragen, die unter definierten Betriebs- und Aufstellungsbedingungen Geräusche in ihre Umgebung abstrahlen. Dabei ist es noch erforderlich, den Schallleistungspegel dem Frequenzgang des menschlichen Ohres (am Immissionsort) anzupassen, indem der Linearpegel einer A-Bewertung unterzogen wird. Das Ergebnis ist der A-bewertete oder kurz der A-Schallleistungspegel \( {L}_{W_A}=10\cdot \lg {P}_{Q_A}/{P}_0 \) in dB(A). Bei der Beurteilung der Geräuschemission von Maschinen stellt er die spezifische, maschineneigene Kenngröße dar, vergleichbar mit der mechanischen Leistungsabgabe der Maschine.

In Rohrleitungssystemen werden Gase (Luft, Erdgas), Dämpfe (Wasserdampf), Flüssigkeiten (Wasser) transportiert. Die Rohrsysteme bestehen aus der Leitung selbst mit geraden und gekrümmten Teilabschnitten sowie aus Übergangs-, Verzweigungs- und Umlenkungsstücken. Außerdem können die Rohrsysteme Armaturen und Stellglieder, wie Absperr- und Entspannungsorgane, Mess- und Regelgeräte, beinhalten, die auch in die Rohrleitung eingebaut sein können [14].

Im ersten Teil des Kapitels werden die grundlegenden Mechanismen als Phänomene vorgestellt. Daran anschließend erfolgt eine Einführung in das Verfahren zur Berechnung von Reflektionsschalldämpfern in Kanälen. Dabei werden auch Berechnungsbeispiele vorgeführt, die jeweils für die gleiche Frequenz und Impedanz durchgeführt werden.

Durch die Berücksichtigung der endlichen Impedanz des Fundaments, 200 mm-Betondecke, tritt eine 2. Eigenfrequenz der Isolierung auf (Zweimassenschwinger !). Dadurch bedingt können, vor allem bei der 2. Eigenfrequenz, erhöhte Schwingungen im Drehzahlbereich der Maschine auftreten (rote Kurve !). Der geplante Aufstellungsort der Kältemaschine im 1. OG ist für die Schwingungsisolierung nicht geeignet !