Technischer Lärmschutz (eBook)

Werner Schirmer studierte Elektrotechnik an der TU Dresden und war Assistent von Professor Reichardt am dortigen Institut für Technische Akustik. Anschließend übernahm er die Leitung eines Schallschutz-Ingenieurbüros in Dresden, das 1971 in eine Forschungsabteilung des Zentralinstituts für Arbeitsschutz umgewandelt wurde. Seit 1993 ist er in der KÖTTER Beratende Ingenieure GmbH Rheine/Dresden/Berlin als wissenschaftlicher Leiter und Geschäftsführer bzw. seit 2001 als Beratungsingenieur tätig.

Vorwort zur zweiten Auflage 5
Aus dem Vorwort zur ersten Auflage 7
Inhaltsverzeichnis 9
Mitarbeiterverzeichnis 19
Hinweis für den Leser 20
Wichtige Formelzeichen und Einheiten 21
1. Vorschriften und Normen für Maschinengeräusche 24
1.1 Einführung 24
1.2 Geräuschemission, Maschinenrichtlinie 24
1.3 Geräuschemission im Freien betriebener Maschinen 26
1.4 Geräuschemission, Umweltzeichen „Blauer Engel“ 30
1.5 Geräuschimmission, Arbeitsschutz 31
1.6 Geräuschimmission, baulicher Schallschutz 33
1.7 Geräuschimmission, Nachbarschaftsschutz 33
1.8 Schrifttum 34
1.8.1 Literatur 34
1.8.2 Gesetze, EU-Richtlinien 35
1.8.3 Normen, Richtlinien 35
2. Größen und Messverfahren zur Kennzeichnung von Geräuschen und Geräuschquellen 40
2.1 Einführung 40
2.2 Kennzeichnung der physikalischen Eigenschaften von Geräuschen 40
2.2.1 Schalldruck 40
2.2.2 Schalldruckpegel 41
2.2.3 Bandschalldruckpegel 43
2.3 Größen zur Kennzeichnung der Schallimmission 44
2.3.1 Überblick 44
2.3.2 Bewerteter Schalldruckpegel 45
2.3.3 Äquivalenter Dauerschallpegel, Taktmaximal-Mittelungspegel 46
2.3.4 Beurteilungspegel 47
2.3.5 Spitzen-Schalldruckpegel 48
2.3.6 Einzelereignis-Schalldruckpegel 48
2.3.7 Lärmdosis 48
2.4 Größen zur Kennzeichnung der Schallemission 49
2.4.1 Überblick 49
2.4.2 Schallleistungspegel, Richtwirkungsmaß 49
2.4.3 Schallintensitätspegel 50
2.4.4 Schallenergiepegel 51
2.4.5 Schalldruckpegel an festgelegten Messorten 51
2.4.6 Emissions-Schalldruckpegel am Arbeitsplatz 51
2.4.7 Geräuschemissionsangabe 52
2.5 Rechenoperationen mit Schallpegelwerten 53
2.5.1 Addition 53
2.5.2 Subtraktion 55
2.5.3 Mittelwertbildung 55
2.6 Verfahren zur Messung der Schallimmission 56
2.6.1 Vorbemerkungen 56
2.6.2 Vorbereitung der Messung 56
2.6.3 Messdurchführung 56
2.6.4 Messauswertung 57
2.7 Verfahren zur Messung der Schallemission, Schallleistungsmessung 58
2.7.1 Überblick 58
2.7.2 Freifeldverfahren 61
2.7.3 Hallraumverfahren 66
2.7.4 Vergleichsverfahren 68
2.7.5 Kanalverfahren 70
2.7.6 Intensitätsverfahren 71
2.8 Verfahren zur Nachprüfung angegebener Geräuschemissionswerte 75
2.8.1 Nachprüfverfahren für Einzelmaschinen 75
2.8.2 Nachprüfverfahren für Maschinenlose 75
2.9 Verfahren zur Schallquellenanalyse 78
2.9.1 Überblick 78
2.9.2 Voruntersuchung 78
2.9.3 Verfahren ohne Änderungen an der Maschine 81
2.9.4 Verfahren mit Änderungen an der Maschine 83
2.10 Schrifttum 84
3. Messtechnik 87
3.1 Einführung 87
3.2 Schalldruckpegelmessung 88
3.2.1 Mikrofone 88
3.2.2 Geräte zur Schalldruckpegel- und Schalldosismessung 90
3.2.3 Aufbau und Funktion des Schallpegelmessers 91
3.2.4 Hilfsmittel 91
3.2.5 Handhabung der Schallpegelmesser 95
3.2.6 Fehler und Abhilfemaßnahmen 96
3.3 Messung von Schwingungsgrößen 97
3.3.1 Einführung 97
3.3.2 Schwingungs- und Körperschallmessung 97
3.3.3 Kraftmessung 105
3.3.4 Dehnungsmessung 107
3.4 Speicherung von Messsignalen 108
3.4.1 Einführung 108
3.4.2 Digitale Speicherung 108
3.4.3 Handhabung von Aufzeichnungsgeräten 109
3.4.4 Fehler bei der Zwischenspeicherung 110
3.5 Frequenzanalysen 111
3.5.1 Einführung 111
3.5.2 Filterkenngrößen 111
3.5.3 Filterarten 113
3.5.4 FFT-Analyse 113
3.5.5 Kenngrößen der FFT-Analyse 114
3.5.6 Anwendung von Zeitfenster 115
3.5.7 Auswahl und Handhabung der Frequenzanalyseverfahren 115
3.5.8 Auswertung der Ergebnisse 118
3.5.9 Cepstrumanalyse 118
3.6 Zweikanalige Signal- und Systemanalyse 120
3.6.1 Einführung 120
3.6.2 Messung der Übertragungsfunktion 120
3.6.3 Quellenanalyse 121
3.7 Mehrkanalmethoden zur Geräuschquellenlokalisation 123
3.7.1 Einführung 123
3.7.2 Bekannte Verfahren 124
3.7.3 Kriterien zur Auswahl eines geeigneten Verfahrens 125
3.7.4 Direkte Messverfahren Schalldruckkartierung 127
3.7.5 Verfahren mit Berechnungsmodellen Stationäre akustische Nahfeldholographie – NAH 131
3.7.6 Zusammenfassung und Vergleich 135
3.8 Schriftum 135
4. Schwingungen und Schallabstrahlung von festen Körpern 138
4.1 Einführung 138
4.2 Biegewellenausbreitung auf Platten 138
4.3 Biegeeigenfrequenzen von Stäben und Platten 145
4.4 Admittanz mechanischer Strukturen 148
4.5 Schallabstrahlung fester Körper 153
4.5.1 Abstrahlgrad, Definition und Grenzwerte 153
4.5.2 Schallabstrahlung konphas schwingender Körper – Monopol- und Dipolstrahler 154
4.5.3 Schallabstrahlung schwach gedämpfter Platten mit Biegeschwingungen 157
4.5.4 Schallabstrahlung stark gedämpfter Platten mit Biegeschwingungen 161
4.6 Modelldarstellungen, Begriffe, Mess- und Berechnungsverfahren zur mechanischen Geräuschentstehung in Maschinen 162
4.7 Geräuscharme Varianten passiver Maschinenstrukturen 166
4.7.1 Bleche mit Dämpfungsbelag 166
4.7.2 Gehäuseformen 173
4.7.3 Zusatzelemente an Krafteinleitungsstellen, Zusatzmassen bei elastischen Verbindungen 176
4.8 Schrifttum 179
5. Luftschalldämmung 182
5.1 Einführung 182
5.2 Physikalische Grundlagen der Schalldämmung 182
5.2.1 Erläuterung des Begriffes Schalldämmung und Definition des Schalldämm- Maßes 182
5.2.2 Anregung einer Wand zu Biegeschwingungen durch Luftschall 183
5.2.3 Trennimpedanz, Koinzidenzeffekt und Abstrahlwinkel 185
5.3 Einschalige ebene Wände 187
5.3.1 Schalldämmung unterhalb der Grenzfrequenz 188
5.3.2 Schalldämmung oberhalb der Grenzfrequenz 193
5.3.3 Zusammenfassung 193
5.4 Spezielle Wandarten 194
5.4.1 Rohrwandungen 194
5.4.2 Doppelwände 198
5.4.3 Biegeweiche Vorsatzschalen 203
5.5 Konstruktionen aus mehreren Bauteilen 207
5.5.1 Wände mit Bauteilen unterschiedlicher Schalldämmung 207
5.5.2 Einfluss flankierender Bauteile 208
5.6 Messung des Schalldämm-Maßes 210
5.7 Schalldämm-Maße von Bauteilen 211
5.8 Schrifttum 212
6. Luftschallabsorption 214
6.1 Einführung 214
6.2 Physikalische Grundlagen und Berechnungsverfahren 214
6.2.1 Schallreflexion an Grenzschichten 214
6.2.2 Poröse Absorber ohne Abdeckung 215
6.2.3 Poröse Absorber mit vorgeschalteter Masse (Resonanzabsorber) 222
6.3 Ermittlung der Stoffkennwerte für poröses Material 226
6.3.1 Längenbezogener Strömungswiderstand 226
6.3.2 Porosität 227
6.4 Realisierungsprobleme bei porösen Absorbern 228
6.4.1 Gelochte Abdeckung 228
6.4.2 Folienabdeckung 229
6.4.3 Montage mit Wandabstand 230
6.5 Dimensionierung von akustischen Absorbern aus handelsüblichen porösen Materialien 231
6.5.1 Längenbezogener Strömungswiderstand 231
6.5.2 Berechnungsbeispiel 233
6.6 Breitband-Schallabsorber ohne poröses Material 233
6.7 Messung des Schallabsorptionsgrades 236
6.7.1 Hallraummessung 236
6.7.2 Rohrmessung 237
6.7.3 Form von Schallabsorptionsgrad-Angaben 237
6.8 Schrifttum 239
7. Konstruktion lärmarmer Maschinen 241
7.1 Einführung 241
7.2 Teil-Geräuschquellen und Gesamtgeräusch einer Maschine 242
7.3 Aufteilung der Geräuschminderung auf Maschinengeräuschanteile 244
7.3.1 Aufteilung auf Teilquellen 244
7.3.2 Aufteilung auf Frequenzbänder 245
7.4 Ansatzpunkte zur Geräuschminderung an Maschinen 247
7.4.1 Maschinenakustische Quellenarten 247
7.4.2 Strömungsmechanische Geräusche 248
7.4.3 Mechanische Geräusche 249
7.4.4 Aktive Lärmschutzsysteme – „Antischall“ 253
7.5 Einbindung in den Konstruktionsprozess 256
7.6 Schrifttum 256
8. Ventilatorgeräusche 258
8.1 Ventilatorbauarten 258
8.2 Ventilatorkennzahlen 259
8.3 Ventilatorkennlinie 260
8.4 Ventilatorbetriebspunkt 260
8.5 Geräuschentstehung 261
8.6 Kennlinie und Geräuschemission 266
8.7 Konstruktive Maßnahmen und Geräuschemission 267
8.8 Einfluss der Einbausituation 268
8.9 Stand der Technik 269
8.10 Ventilator und Schalldämpfer 269
8.11 Schrifttum 270
9. Absorptionsschalldämpfer 272
9.1 Einführung 272
9.2 Dämpfungsmechanismus 273
9.3 Kenngrößen 276
9.3.1 Dämpfungsmaße 276
9.3.2 Kanalquerschnittsformen 278
9.3.3 Normierte Größen 278
9.4 Akustische Bemessung 280
9.4.1 Exakte Lösung für die Ausbreitungsdämpfung 280
9.4.2 Normierte grafische Darstellung (Trapez-Diagramm) 283
9.4.3 Näherungsformel nach 285
9.4.4 Reflexionsdämpfung 287
9.4.5 Einfluss verschiedener Abdeckungen des Absorbermaterials 288
9.4.6 Einfluss der Strömung auf die Schalldämpfung 289
9.4.7 Einfluss der Temperatur auf die Schalldämpfung 291
9.4.8 Unterteilung des Kanalquerschnittes 292
9.4.9 Bedämpfung tiefer Frequenzen 293
9.4.10 Bedämpfung hoher Frequenzen 294
9.5 Schalldämpfer mit Strömung 297
9.5.1 Strömungsgeräusch des Schalldämpfers 297
9.5.2 Druckverlust im Schalldämpfer 298
9.6 Konstruktive Ausführung 299
9.6.1 Verhältnis Kulissenbreite – Spaltweite 299
9.6.2 Absorbermaterial 300
9.6.3 Dämpfungsminderung durch akustische Nebenwege 300
9.6.4 Handelsübliche Absorptionsschalldämpfer 301
9.7 Schrifttum 303
10. Schallschutzkapseln 304
10.1 Einführung 304
10.2 Begriffe und Schallübertragungswege bei einer Maschinenkapsel 304
10.3 Abschätzung der Pegelabsenkung bei Schallübertragung über die Kapselwände – Weg A 306
10.4 Konstruktive Gestaltung 308
10.4.1 Allgemeine Bemerkungen 308
10.4.2 Wahl der Kapselabmessungen 308
10.4.3 Ausführung der Kapselwand 309
10.4.4 Vermeidung der Schallübertragung über Undichtigkeiten und unvermeidbare Öffnungen – Weg B 310
10.4.5 Vermeidung der Körperschallanregung der Kapsel – Weg C 318
10.4.6 Vermeidung der Schallabstrahlung außerhalb der Kapsel – Weg D 319
10.4.7 Zusammenfassung 319
10.5 Verfahren zum messtechnischen Nachweis der Einfügungsdämmung 319
10.6 Wärmeabführung aus Schallschutzkapseln 320
10.7 Beispiele praktisch ausgeführter Schallschutzkapseln 323
10.7.1 Baukastensysteme für Schallschutzkapseln 323
10.7.2 Maschinenhaube mit Schallschutzkapselfunktion 324
10.7.3 Integrierte Schallschutzkapsel für eine Schnellläuferpresse 324
10.8 Rechenbeispiel 326
10.8.1 Akustische Dimensionierung 326
10.8.2 Wärmeabführung 327
10.9 Schrifttum 328
11. Schwingungsabwehr bei Maschinenaufstellungen 329
11.1 Einführung 329
11.2 Notwendigkeit und Zielstellung der Schwingungsabwehr 329
11.2.1 Auswirkung mechanischer Schwingungen 329
11.2.2 Rechtliche Vorschriften 330
11.2.3 Normative und Richtwerte 331
11.3 Verfahren zur Schwingungsabwehr 338
11.3.1 Schwingungssysteme und Schwingungsmodelle 338
11.3.2 Verfahrensgruppen 341
11.3.3 Schwingungserregung 346
11.3.4 Primärmaßnahmen der Schwingungsabwehr 349
11.3.5 Schwingungsisolierung 353
11.3.6 Stoßisolierung 360
11.3.7 Aktiver Schwingungsschutz durch Ausregelung 361
11.3.8 Schwingungstilger 363
11.3.9 Verminderung von Verkehrs- und Industrieerschütterungen 365
11.4 Berechnungsverfahren zur Schwingungsisolierung 368
11.4.1 Zusammenstellung der Berechnungsziele 368
11.4.2 Orientierungsrechnung mit 1 Freiheitsgrad 369
11.4.3 Genaue Berechnung 372
11.5 Ausgeführte Beispiele 373
11.6 Schrifttum 376
12. Körperschallisolierung 379
12.1 Einführung 379
12.2 Grundlagen der Körperschallisolierung 379
12.2.1 Grundgleichung der Körperschallisolierung 380
12.2.2 Admittanzen des Systems Maschine – Schwingungsisolatoren – Gebäudedecke 385
12.2.3 Wirkung eines Zwischenfundamentes 390
12.2.4 Körperschalldämmung in Rohrleitungen 394
12.2.5 Körperschallisolierung von Aggregaten in Maschinenstrukturen 395
12.2.6 Regeln für die qualitativ optimierte Körperschallisolierung 396
12.2.7 Schritte zur quantitativen Optimierung der Körperschallisolierung in Gebäuden 398
12.3 Praktische Beispiele für die Körperschallisolierung von Maschinen 399
12.3.1 Aufzugsmaschinen und dazugehörige Schalteinrichtungen 399
12.3.2 Pumpen 401
12.3.3 Lüftungstechnische Anlagen 402
12.4 Schrifttum 402
13. Schallausbreitung und Schallschutz in Räumen 405
13.1 Einführung 405
13.2 Schallausbreitung im Freifeld 406
13.2.1 Einzel- oder Punktschallquelle 406
13.2.2 Ausgedehnte Schallquellen 408
13.2.3 Verluste und Störungen im Ausbreitungsweg 409
13.3 Schallausbreitung in geschlossenen Räumen 410
13.3.1 Einflüsse und Beschreibungsarten 410
13.3.2 Annähernd kubischer Raum 412
13.3.3 Flachraum 415
13.3.4 Langraum 417
13.3.5 Streukörper 418
13.3.6 Standard-Rechenverfahren 419
13.4 Schallausbreitung durch Koppelflächen 426
13.4.1 Geschlossene Koppelflächen 426
13.4.2 Offene Koppelflächen 428
13.5 Übersicht über Schallschutzmaßnahmen in Räumen 430
13.6 Raumgestaltung und Quellenanordnung 433
13.7 Schallabsorbierende Raumauskleidungen 434
13.7.1 Anwendung 434
13.7.2 Anforderungen 434
13.7.3 Bauformen 435
13.7.4 Werkstoffe 436
13.7.5 Wirksamkeit 436
13.8 Schallschirme 439
13.8.1 Anwendung 439
13.8.2 Berechnung 439
13.8.3 Bauformen 444
13.8.4 Werkstoffe 444
13.8.5 Wirksamkeit 444
13.9 Trennwände, Kapseln, Kabinen 445
13.9.1 Anwendung 445
13.9.2 Akustische Wirkung 446
13.10 Schrifttum 446
14. Adaptronik-Anwendungen 449
14.1 Einführung 449
14.2 Aktive Werkstoffe 451
14.3 Systementwurf 455
14.4 Systemtechnik 456
14.5 Anwendungsbeispiele 457
14.5.1 Strukturkontrolle 458
14.5.2 Schwingungsdämpfung 460
14.5.3 Schwingungstilgung 462
14.5.4 Schwingungsisolation 464
14.6 Schrifttum 466
Sachverzeichnis 468

7. Konstruktion lärmarmer Maschinen ( S. 218)

W. Schirmer

7.1 Einführung

Da die Möglichkeiten zur Lärmminderung auf dem Schallausbreitungsweg begrenzt sind (s. Kap. 13) und ihre Realisierung meist sehr hohe Aufwendungen verursacht, hat der Maschinen-, Geräte- und Fahrzeughersteller großen Einfluss auf die Erfüllung der Zielsetzungen des Lärmschutzes insgesamt, was zu einem entsprechenden Vorschriftenwerk (s. Kap. 1) sowie zu Marktvorteilen lärmarmer Erzeugnisse in vielen Ländern geführt hat.

Nachträgliche Lärmschutzmaßnahmen an Maschinen, Geräten und Fahrzeugen haben geringere Erfolgsaussichten als bereits in der Konzeptphase (Bild 7–9) eingeführte lärmarme Prinzipien, abgesehen von Schallschutzkapseln, die allerdings aus Gründen der Zugänglichkeit oder des Aufwandes oft nicht mehr in Frage kommen, wenn die Konzeption einer Maschine nicht schon von vornherein darauf ausgerichtet wurde, s. Abschn. 7.5).

Für weitgehend ausgereifte und gleichartige Konstruktionsweisen sowie Fertigungsmethoden, z.B. bei Zahnradgetrieben, schwankt nach Eliminierung der Leistungs- und Drehzahlabhängigkeit der Geräuschentstehung auch beim Vergleich der Erzeugnisse vieler Hersteller die Geräuschentstehung in relativ kleinen Grenzen, sofern Maschinen mit groben Fehlern ausgeschlossen werden. So bearbeitete Messergebnisse von 2000 Getrieben mit Nennleistungen 10 bis 1000 kW von zahlreichen Herstellern ergaben ót = 3 dB [1], ót s. Abschn. 2.8.2.

Zur Erzielung wesentlicher Verbesserungen – >, 3 dB(A) –, wozu auch schon die Vermeidung einer Geräuscherhöhung bei Drehzahlerhöhung oder Masseverminderung zu zählen ist, sind erhebliche Entwicklungsaufwendungen und das Abgehen von konventionellen Konstruktions- und Fertigungsweisen rechtzeitig vorzusehen. Zweckmäßig ist es dann auch, die Zusammenarbeit von Konstrukteuren und Lärmschutzspezialisten von Anfang an zu sichern.

Viele Spezialaufgaben bei der Konstruktion lärmarmer Maschinen, Geräte und Fahrzeuge sind bereits an anderer Stelle dieses Buches ausführlich behandelt: Geräuschmessung Kap. 2 und 3., Struktur(Gehäuse-)gestaltung einschließlich Zusatzmassen, Versteifungen und Dämpfungsbelägen Kap. 4, Schallschutzkapseln Kap. 10, schallabsorbierende Kanalauskleidungen Kap. 9, Ventilatorauswahl Kap. 8, Körperschallisolierung Kap. 12. In diesem Kap. 7 sollen einige spezielle Fragen behandelt werden.

Wichtige, oft zu wenig beachtete Konsequenzen ergeben sich aus der Beteiligung zahlreicher Einzelquellen am Gesamtgeräusch einer Maschine. Ihre Zahl kann leicht 5 bis 10 erreichen. Dadurch wird einerseits die mögliche Wirkung einzelner Lärmschutzmaßnahmen auf das Gesamtgeräusch beeinflusst (Abschn. 7.2), andererseits er- fordert diese Situation eine Aufteilung des Gesamtzielwertes für eine Maschine auf Teilzielwerte für Baugruppen (Abschn. 7.3).

Insbesondere bei Beteiligung verschiedener Herstellerfirmen oder Bearbeiter ist das für exakte Aufgabenabgrenzungen erforderlich. Das bekannte Prinzip der Lärmminderung durch Schallauslöschung („Antischall") gibt immer wieder Anlaßss zu Spekulationen über eine universelle, neuartige Lösung des gesamten Lärmproblems. Im Abschn. 7.4.4 werden die physikalischen Grundlagen, technischen Realisierungsanforderungen und Anwendungen genannt.

Daraus folgt, dass lärmarme Maschinen in erster Linie durch Verminderung der Anregung und durch Maßnahmen zur Dämpfung und Dämmung von Körper- und Luftschall in der Maschine zu erreichen sind (s. Abschn. 7.4). Hierbei eröffnet die Adaptronik-Anwendung neue Möglichkeiten, s. Kap. 14.

7.2 Teil-Geräuschquellen und Gesamtgeräusch einer Maschine

Eine einzelne Maßnahme zur Geräuschminderung an einer Maschine wirkt sich oft nur auf eine von mehreren ihrer Teilquellen aus. Trotz guter Wirksamkeit für diese eine Teilquelle ist die Verminderung des Gesamtgeräusches der Maschine dann nur sehr gering.