Technischer Lärmschutz

In diesem Kapitel wird eine Zusammenstellung der gesetzlichen und normativen Vorgaben gegeben, die bei der Konstruktion von Maschinen bezüglich ihrer Geräuschemission zu berücksichtigen sind. Dabei werden die Vorschriften, die sich auf die Geräuschemission beziehen (Abschn. 1.2, 1.3, 1.4 und 1.5), ausführlicher dargestellt, als Vorgaben zum Immissionsschutz, da sich das vorliegende Buch hauptsächlich mit den Geräuschentstehungsmechanismen in Maschinen und deren gezielter Beeinflussung befasst.

Zur Kennzeichnung von Geräuschen und Geräuschquellen werden Kenngrößen angewendet, die entweder die Schalleinwirkung (Schallimmission) am Aufenthaltsort von Menschen im Wohn-, Erholungs- und Arbeitsbereich oder die Schallabstrahlung (Schallemission) von Maschinen, technologischen Einrichtungen oder Anlagen beschreiben. Emissionskenngrößen wie Schallleistungspegel oder Richtwirkungsmaß dienen zu deren Charakterisierung. Es wird auf die durch internationale Normung festgelegten Messverfahren zur Bestimmung der Schallleistung eingegangen. Durch internationale Normung der Messgeräteeigenschaften (z.B. Frequenz- und Zeitbewertung) erhält man für die Schalleinwirkung Einzahlkenngrößen wie z.B. bewerteter Schalldruckpegel, Äquivalenter Dauerschallpegel, Beurteilungspegel, Spitzen-Schalldruckpegel oder Schalldosis. Diese gestatten es, verschiedene Lärmwirkungen wie z.B. Lästigkeit oder Gehörschädlichkeit unter einheitlichen Gesichtspunkten näherungsweise zu beurteilen. In zunehmendem Maße werden auf der Basis spektraler und zeitlicher Eigenschaften psychoakustische Kenngrößen wie Lautheit, Schärfe, Rauhigkeit oder Tonhaltigkeit herangezogen. Damit wird eine komplexere Einschätzung von Geräuschen möglich.

Eine wichtige Voraussetzung für den erfolgreichen technischen Lärmschutz sind aussagekräftige Messungen. Als Sensoren für den Luftschall werden dazu Elektret- und Kondensator-Mikrofone und für den Körperschall- sowie die Schwingungsanalyse Kraft-, Beschleunigungsaufnehmer oder auch Laservibrometer zum Einsatz gebracht. Zum Teil müssen die untersuchten Systeme künstlich angeregt werden. Dazu stehen für die Schallausbreitung in Luft spezielle Lautsprecher (Dodekaeder-Box) sowie z.T. kalibrierbare Schallleistungsnormale oder für die mechanische Anregung von Strukturen Shaker und Impulshämmer zur Verfügung. Diese Sensoren und Aktoren müssen sorgsam appliziert und kontinuierlich kalibriert werden. Die dabei notwendigen Hilfsmittel (Kabel, Kalibratoren etc.) und die vorherrschenden Hintergründe (Umwelteinflüsse, wie Luftfeuchte, Magnetfelder, Temperaturbereiche) werden im ersten Teil des Kapitels anhand von vielen praktischen Beispielen anschaulich erläutert.Im zweiten Teil steht die Analyse der mit der Sensorik gewonnenen Daten im Mittelpunkt. Dazu werden die Handhabung der Bandfilter-Analyse (Terz- und Oktav-Filter) sowie die praktischen Grundlagen der diskreten Fourier-Analyse (Abtastfrequenz, Frequenz- und Zeitauflösung sowie exponentielle und lineare Mittelung) ausführlich dargestellt. Im Speziellen wird dabei z. B. auf die Wirkung von Rechteck-, Hamming-, Hanning- oder Flat-Top-Fenstern eingegangen. Darüber hinaus wir die Vorgehensweise bei der Bestimmung von komplexen Übertragungsfunktionen und der Kohärenz diskutiert. Als spezielle Verfahren werden weiterhin die Cepstral- und Ordnungsanalyse vorgestellt.

In diesem Kapitel werden der Eintrag und die Ausbreitung von Körperschall sowie dessen Schallabstrahlung in erster Linie unter dem Aspekt der Maschinenakustik behandelt, d. h. mit Hinblick auf die Konstruktion lärmarmer Maschinen mit mechanischer Geräuschentstehung. Die ersten Abschnitte haben zum Ziel, Begriffe, Gesetzmäßigkeiten und Gültigkeitsbedingungen sowie Schlussfolgerungen für die praktische Anwendung zu erläutern. Dabei steht zunächst die Berechnung der Eigenfrequenzen von stab- und plattenartigen Strukturen und die Vorhersage der Koinzidenzgrenzfrequenz von Platten im Vordergrund. Im Anschluss werden das Konzept der mechanischen Admittanz erläutert und die Eingangsadmittanzen für die eingangs genannten Strukturen zusammengestellt. Diese Modellvorstellung erlaubt die Unterscheidung zwischen Kraft- und Schnellanregung und findet im anschließenden Abschnitt im bewährten Modell der mechanischen Geräuschentstehung seine praktische Anwendung. Auf der Basis des Modells der mechanischen Geräuschentstehung wird schließlich die quantitative Höhe des Eintrages mechanisicher Energie in die Strukturen anhand des Verhältnisses von Quell- und Eingangsimpedanz abgeschätzt und deren Weiterleitung mithilfe des Konzepts der Transferadmittanz beschrieben. Letztes Detail bildet dann die Berechnung der Höhe des abgestrahlten Körperschalls unter Verwendung des Abstrahlgrades. In den anschließenden Abschnitten wird die Eignung des Modells der mechanischen Geräuschentstehung anhand des Einsatzes von Dämpfungsbelägen, unterschiedlichen Gehäuseformen, und Zusatzelementen, wie Versteifungen und Massen an Krafteinleitungsstellen vor dem Hintergrund praktischer Anwendungen diskutiert.

Die Dämmung von Luftschall mittels einer geschlossenen Wand ist ein hochwirksames Prinzip des sekundären Lärmschutzes. Je nach der Ausführung dieser Wand sind Unterschiede des Schalldruckpegels zwischen zwei benachbarten Räumen von etwa 10 bis 60 dB, z. T. auch bis zu 70 dB, möglich. Die hierbei zum Einsatz kommenden Trennwände werden in biegesteif, z. B. Mauerwerk und beigeweich, z. B. Gipskarton unterteilt. Dabei spielt die Koinzidenzfrequenz, bei der sich das Schalldämm-Maß der Wand bedeutend verschlechtert, eine entscheidende Rolle. Die wichtigsten Größen zur Auslegung von Wänden sind die flächenbezogene Masse und die Biegesteifigkeit. Jedoch können auch die Abmessungen, die Materialdämpfung und die Einspannbedingungen das Schalldämm-Maß beeinflussen. Bei kleinen Trennwänden, gekrümmten Schalen und Rohren, Doppelwänden und sogenannten biegeweichen Vorsatzschalen sind besondere Gesetzmäßigkeiten zu beachten. Außer dem unmittelbaren Trennelement beeinflusst die Nebenwegübertragung auf flankierenden Bauteilen das Schalldämm-Maß. In diesem Kapitel werden die physikalische Grundlagen der Berechnungsmethoden, die Messverfahren nach z. B. DIN EN ISO 16283 und beispielhaft Schalldämm-Maße wichtiger Bauteile behandelt.

Schallabsorber werden überall dort verwendet, wo störende Schallreflexionen an Begrenzungselementen vermieden werden sollen. Als Absorber im mittleren bis hohen Frequenzbereich dienen dabei poröse Materialien, wie Mineralwolle, Glaswolle oder Kunststoffschaum (Breitbandabsorber). Diese Materialien werden vorrangig anhand des Strömungswiderstandes ausgelegt. Für die erforderliche Abdeckung können in der Regel schalldurchlässige Anordnungen, wie Vliese, dünne Folien oder Lochplatten benutzt werden. Im Bereich tiefer Frequenzen kommen dagegen Platten- und Lochplatten mit geringer Lochfläche zum Einsatz. Dadurch ergeben sich Schallabsorber mit einer Absorptionswirkung in einem schmalen Frequenzband, wie z. B. Folien-, Platten oder auch Helmholtz-Resonatoren. Der Schallabsorptionsgrad kann im Labor mit Hilfe des Kundtschen-Rohres nach DIN EN ISO 10534, im Hallraum nach DIN EN ISO 354 oder auch direkt vor Ort an Lärmschutzwänden nach DIN EN 1793-5 und auf Fahrbahnen nach DIN ISO 13472-1 gemessen werden

In diesem Kapitel werden die Möglichkeiten zur schalltechnischen Optimierung von Arbeitsräumen, wie z. B. Großraumbüros sowie Werk- und Industriehallen anhand von vielen praktischen Beispielen sehr ausführlich vorgestellt. Dazu wird im ersten Teil zunächst die verlustbehaftete Schallausbreitung von Punkt-, Linien- und Flächenquellen im Freien behandelt. Diesen Ausführungen schließt sich dann die Beschreibung der Schallausbreitung in Räumen unterschiedlichster Geometrie, wie z.B. Rechteck-, Lang- oder Flachräumen, an. Innerhalb dieser Diskussion werden dabei wichtige akustische Eigenschaften eines Raumes, z. B. die Lage der Eigenmoden, der mittlere Schallabsorptionsgrad, die Schröder Eckfrequenz, die Nachhallzeit oder auch das Diffuse Schallfeld näher behandelt. Im Anschluss werden Maßnahmen zur schalltechnischen Optimierung der Räume und deren Wirksamkeit vorgestellt. Dabei wird insbesondere auf das Einbringen von Trenn- und Teiltrennwänden, auf den Einbau absorbierender Wandauskleidungen oder auch auf das Aufstellen von Schallschirmen oder Kapselungen eingegangen. Diesen Ausführungen folgt die Vorstellung der Verfahren zur Berechnung der Schallausbreitung in Arbeitsräumen nach VDI 3760. Darüber hinaus wird das Stochastisches Schallstrahl- oder -teilchenverfahren ausführlich beschrieben. Die Wirksamkeit dieses in Software implementierten Verfahrens wird dabei anhand von Beispielen, wie dem Absorber in „Kulissenanordnung“, dem Einbau von Trennwänden, Kapseln und Kabinen oder auch bei der Einbeziehung von ausgedehnten Maschinen als Schallquellen, ausführlich gezeigt. Das Kapitel schließt mit der Darstellung der praktischen Herangehensweise bei der Planung schalltechnisch optimierter Arbeitsstätten.

Ventilatoren sind in großer Zahl im Einsatz, um gasförmige Medien durch Rohrleitungen und Kanäle, zu bewegen. Dabei erzeugen sie Geräusche, deren Intensität mit der strömungsmechanischen Leistung des Ventilators ansteigt.

Schalldämpfer haben die Aufgabe, den sich über Kanäle ausbreitenden Fluidschall, z.B. Luftschall stark zu vermindern, ohne dabei die Fortleitung strömender Medien wesentlich zu behindern. Die Wirksamkeit der Systeme wird dabei durch die Pegelmaße Durchgangs- und Einfügungsdämpfung beschrieben. Diese Größen können nach DIN-EN-ISO 11820 in situ oder nach DIN-EN-ISO 7235 im Labor messtechnisch bestimmt werden. Im mittleren bis hohen Frequenzbereich werden meist Absorptionsschalldämpfer zum Einsatz gebracht. Die Wirkungsweise dieser Schalldämpferart kann sehr effektiv durch die Formel nach Piening abgeschätzt werden. Im Bereich tiefer Frequenzen werden dagegen Resonanzschalldämpfer, wie Plattenschalldämpfer oder Schalldämpfer mit Lambda-Viertel- bzw. Helmholtz-Resonatoren, verwendet. Diese Schalldämpferarten weisen einen geringen Druckverlust auf und können daher sehr günstig in Anlagen zur Fluidförderung, wie z.B. in Luft-Wasser-Wärmepumpen, verbaut werden. Im Vergleich dazu bewirkt der Reflexionsschalldämpfer einen weitaus höheren Druckverlust. Mit dieser Schalldämpferart werden daher z. B. Verbrennungsmotoren versehen. Bei ordnungsgemäßer Auslegung wird hierbei eine sehr breitbandige Wirkung erzielt. Die sich im Bereich tieferer Frequenzen im Kanal ausbildenden Stehenden Wellen können durch die Anwendung der Transfer-Matrix-Methode berechnet werden. Dieses Verfahren kann sehr erfolgreich mit den Ergebnissen der Finiten-Element-Methode oder auch mit den Messergebnissen der Two-Source-Methode kombiniert werden.

Bei der Verminderung von Maschinenlärm durch passive Maßnahmen, d.h. ohne Änderung der konstruktiven Gestaltung der Maschinen, kommt der vollständigen Kapselung lärmintensiver Maschinen bzw. Teilaggregaten besondere Bedeutung zu, weil dadurch die Schallausbreitung von diesen Lärmquellen bereits in unmittelbarer Nähe der Quellen beeinflusst werden kann. Im hier vorliegenden Kapitel wird daher die konstruktive Auslegung von Kapselungen unter Berücksichtigung der Hinweise nach DIN EN ISO 15667 anhand von vielen praktischen Beispielen sehr ausführlich beschrieben. Dabei finden sowohl die Pfade der Luftschallausbreitung als die der Körperschallausbreitung Berücksichtigung. Darüber hinaus wird die messtechnische Bestimmung der Wirkungsweise von Kapselung in Anlehnung an DIN EN ISO 11546 vorgestellt. In Ergänzung zu den akustischen Betrachtungen ist ein Teil des Kapitels außerdem einem Abschätzverfahren für die Wärmeabführung aus Kapseln gewidmet. Die für Schallschutzkapseln beschriebenen Dimensionierungs- und Gestaltungshinweise gelten im Übrigen im gleichen Maße auch für Schallschutzkabinen.

Von einer Maschine oder einem Transportmittel erregte mechanische Schwingungen (Synonym: Vibrationen, Erschütterungen) können die Funktion dieser Maschine selbst oder benachbarter Maschinen und Geräte beeinträchtigen, ihre Sicherheit gefährden, Zerstörungen und Ausfälle herbeiführen oder zumindest den Menschen belästigende spürbare Schwingungen oder störenden Lärm verursachen. Mechanische Schwingungen können aber auch positive Auswirkungen in Produktions- und Transportprozessen haben und werden zu diesem Zweck planmäßig erregt.

Als Körperschall werden Schwingungen und Wellenvorgänge in festen Körpern bezeichnet, wobei meist auf den Hörfrequenzbereich von ca. 20 Hz bis 20000 Hz fokussiert wird. Die eingesetzten Methoden zur Prognose von Körperschall sind aber über diese Frequenzgrenzen hinweg gültig. Die Körperschallisolierung als Maßnahme des praktischen Schallschutzes dient zur Verminderung der Körperschallübertragung von Maschinen auf Strukturen (z. B. Bauwerke). Dabei soll in diesem Abschnitt neben Methoden zur Charakterisierung von Körperschallquellen vor allem der Übertragungsweg über die Maschinenfüße behandelt werden. Ausgehend von der Grundgleichung der Körperschallisolierung werden Möglichkeiten zur körperschallisolierten Aufstellung von Maschinen beschrieben und grundlegende Zusammenhänge zur Auslegung von Schwingungsisolatoren vorgestellt. Zudem wird eine einfache Methode zur Prognose von Körperschall an der Lagerstelle auf Basis von elektromechanischen Ersatzmodellen erörtert. Es werden zusammenfassende Regeln für die qualitativ optimierte Körperschallisolierung formuliert und anhand praktischer Beispiele Hilfestellungen bei der Auslegung körperschallisolierten Maschinenlagerung gegeben.

Die steigenden Anforderungen an den technischen Lärmschutz und die technischen Entwicklungen auf den Gebieten Sensorik, Aktorik und Regelungselektronik lassen aktive Lösungen wieder verstärkt in den Blickpunkt des Interesses treten. Die Grundidee der aktiven Lärmreduzierung, die Addition eines exakt um 180° zur Anregung phasenverschobenen Signals, wurde bereits von Leonardo da Vinci beschrieben und 1933 von Paul Lueg patentiert. Die wissenschaftliche Arbeit auf dem Gebiet Active Noise Control (ANC) ist seitdem ungebrochen. Dieser Abschnitt gibt einen Überblick zu den Grundlagen adaptronischer Systeme. Ausgehend von aktiven Werkstoffen, die in Sensorik und Aktorik von aktiven Systemen zum Einsatz kommen, wird auf den Systementwurf und die dafür eingesetzten Methoden eingegangen. Die wesentlichen Bestandteile eines adaptronischen Systems wie Leistungsverstärker und die Hard- und Software zur Regelung werden vorgestellt. Die typischen Anwendungsgebiete der Adaptronik im technischen Lärmschutz wie Strukturkontrolle, Schwingungsdämpfung und Schwingungskompensation werden anhand von Praxisbeispielen erläutert.