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 p\({}_{{0}}\), der Dichte \(\uprho _{{0}}\) und der Temperatur T\({}_{{0}}\) 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 p\({}_{{0}}\) 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 Pegel aus unterschiedlichen Gründen verringert werden müssen. Eine Geräuschminderung beginnt mit der Identifizierung und Analyse der Entstehungsmechanismen [3],[17].

Das menschliche Hören basiert nicht nur auf der Physiologie des Hörorgans, sondern auch auf der psychoakustischen Wirkung der Geräusche. Je nach akustischem Muster sortiert der Mensch das Gehörte zwischen Wohlklang und Lästigkeit ein. Besonders bei Fragen der akustischen Qualität macht der Mensch einen Mustervergleich und kategorisiert die Geräusche. Diese Kategorien, z.B. wie ein Türschließgeräusch gut klingen muss, sind soziologisch gelernt. 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. Die Leistungsfähigkeit und Qualität einer Maschine ist daher verbunden mit dem markenspezifischen Maschinengeräusch oder Klang.

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 [17].

Unmittelbar um die Schallquelle, von der angenommen wird, dass sie den Charakter eines Kugelstrahlers 0. Ordnung hat, baut sich ein Nahfeld auf, das durch den Kugelradius r\({}_{{\mathrm{N}}}\) begrenzt wird. Daran schließt sich die Freifeldzone an. In ihr fällt der Schalldruckpegel um \(6\,\mathrm{dB}\) pro Abstandsverdoppelung ab, wohingegen im Nahfeld diese Änderung wegen der vorhandenen Phasendifferenz zwischen Druck und Schnelle größer sein muss.

Die von einer Schallquelle abgestrahlte Schallleistung P\({}_{{\mathrm{Q}}}\) und der zugehörige Schallleistungspegel L\({}_{{\mathrm{W}}}=10\cdot\lg\mathrm{P}_{{\mathrm{Q}}}/\mathrm{P}_{0}\), 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\({}_{{\mathrm{W}}}\) 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 \(\mathrm{L_{{W_{{A}}}}}=10\lg\mathrm{P_{{Q_{{A}}}}}/\mathrm{P}_{{0}}\) 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].

In solchen fluiddurchströmten Rohrleitungssystemen entstehen Geräusche, die im strömenden Medium selbst als Fluidschall und in der Rohrwand als Körperschall weitergeleitet werden. Als weitere Geräuschquelle bei durchströmten Rohrleitungen sind die in und an der turbulenten Grenzschicht entstehenden Fluid- und Körperschallgeräusche zu nennen. Diese Geräusche werden als Grundgeräusche entlang der ganzen Leitung erzeugt. Diesem Grundgeräusch können sich örtlich erzeugte Geräusche vor allem als Fluidschall, in geringerem Maße auch als Körperschall, überlagern.

Im Fahrzeugbau nimmt die Elektrifizierung der Antriebs- und der Nebenaggregate zu so genannten Mechatroniksystemen stetig zu. Die Vorteile gegenüber rein mechanischen, pneumatischen oder hydraulischen Systemen liegen in der einfachen Regelbarkeit der elektrischen Aktuatoren und der Möglichkeit, durch das Vernetzen der einzelnen Systeme miteinander weitere neue Funktionen darzustellen. Besonders erfolgreich ist man hier bei den Bremssystemen. Neben der Funktion der Antiblockierbremsung kann z. B. mit der gleichen Steuereinheit auch eine Berganfahrhilfe, eine Komfortbremsung im Stadtverkehr oder eine Abstandsregelung auf der Autobahn ermöglicht werden. Unter Mechatroniksystemen im Fahrzeugbau werden geregelte oder gesteuerte Aktuatoren verstanden, welche Fahr- oder Komfortfunktionen erfüllen. An mobilen Systemen im Fahrzeugbau werden an Klangbild und Lautstärke von Geräuschen sowie Vibrationsfrequenz und -stärke die unterschiedlichsten Anforderungen gestellt und infolgedessen, verschiedenste Problemlösungen schon während der Fahrzeugentwicklung erarbeitet. So sollen die als unangenehm empfundenen Geräusche möglichst leise sein, Warngeräusche hingegen laut genug, um bestimmte Sicherheitskriterien zu erfüllen. Zusätzlich werden besonders in der automobilen Mittel- und Oberklasse Geräusche so „designed“, dass sie den Kundenerwartungen entsprechen. Ähnliches gilt auch für fühlbare Vibrationen.

Betrachtet werden Reflektions- und Absorptionsschalldämpfern in Rohrleitungssystemen unterhalb der Quermodengrenzfrequenz. Zuerst wird Reflektion als wesentlicher Wirkmechanismus vorgestellt. Typische Bestandteile von Reflektionsschalldämpfer werden vorgestellt und erklärt. Das wären die Expansionskammer, der Helmholtzresonator und das Resonanzrohr. Es wird erklärt, warum die Wirkung der Bauteile von der Einbausituation abhängig ist.

Daran anschließend erfolgt eine Einführung in das Verfahren zur Berechnung von Reflektionsschalldämpfern mittels Transfermatrizen. Dieses wird ergänzt durch die Charakterisierung der Schallabstrahlung mit Hilfe der Abstrahlungsimpedanz und der Beschreibung der Schallquelle. Die Berechnung des Übertragungsverhaltens und des abgestrahlten Geräuschs wird mit Hilfe eines Beispiels vorgeführt.