Je leiser, desto besser

PANORAMA
Maschinenlärm gezielt bekämpfen
Je leiser, desto besser
Lärm stört und macht krank. Das gilt für Verkehrslärm, aber auch für Lärm von
Maschinen und Anlagen. Wirkungsvolle Maßnahmen gegen Lärm gehen über
einfache Schallschutzhauben hinaus. Die Ingenieure von Sulzer packen das
Übel an der Wurzel und finden dank systematischer Analyse und innovativen
Messverfahren geeignete Lösungen für jedes Lärmproblem.
S
eitdem die gesundheitsschädigenden Wirkungen von Lärm besser
bekannt sind, werden gesetzliche
Grenzwerte verschärft und wird Lärm
weniger toleriert. Auch die durch Lärm
verursachten Kosten finden zunehmend
Beachtung. Dazu gehört neben Arbeitsausfällen und Gesundheitskosten auch
der Wertverlust von Wohnraum. Laut
Schätzungen betragen die volkswirt-
schaftlichen Schäden durch Lärm allein
in der Schweiz jährlich mehr als 1 Mrd.
Franken1.
Auch in der Industrie erfolgt ein
Umdenken. Bei der Planung, Auswahl
und Genehmigung neuer Maschinen und
Anlagen werden zunehmend Geräuschemissionen berücksichtigt. Eine lärmarme
Maschine oder Anlage ist ein bedeutender
Wettbewerbsvorteil, weil die Gesundheit
und Zufriedenheit der Mitarbeitenden
steigt und lärmoptimierte Maschinen
auch oft eine längere Lebensdauer haben.
Die Gruppe Maschinendynamik und
Akustik von Sulzer Innotec ist ein kompetenter Ansprechpartner im Bereich
Lärmbekämpfung. Während früher vor
allem die Lärmreduktion bei SulzerMaschinen wie Webmaschinen, Lokomotiven und Dieselmotoren im Vordergrund
Sulzer berät externe Kunden bei Schallproblemen und verwendet dabei moderne Messtechnik, wie etwa selbst entwickelte
Mikrofon-Arrays. Um den Lärm von fahrenden Zügen zu ermitteln, verwendet Sulzer eine vertikale Reihe von 33 Mikrofonen
und erstellt aufschlussreiche Lärmkarten (siehe Zeichnung unten).
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Schallquellenintensität [dB(A)]
100
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Praxisbeispiel 1:
Entdröhnter Schraubenkompressor –
zufriedene Mitarbeitende
100
95
Schalldruck [dB(A) (re.20 μPa)]
stand, berät Sulzer heute hauptsächlich
externe Kunden in einem sehr breiten
Produktbereich bei Schall- und Schwingungsproblemen. Es ist das oberste Ziel
von Sulzer, den Kunden umfassend zu
beraten und gemeinsam mit ihm die
beste Lösung zu finden. Wie erfolgreiche
Lärmbekämpfung aussieht, zeigen die
folgenden Beispiele.
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Mit zusätzlichem Schalldämpfer
Ohne zusätzlichen Schalldämpfer
Mit zusätzlichem Schalldämpfer
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0
50
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Zeit [s]
Lärm ist generell ein Geräusch, das stört
2 Eine Schalldruckmessung zeigt die Wirksamkeit des Resonanzschalldämpfers. Das zeitlich
(siehe Infobox). Sind in einem Geräusch
periodische An- und Abschwellen des Schalldrucks ist eine Schwebung, welche durch die leicht
einzelne Töne hörbar, ist es besonders
unterschiedlichen Drehzahlen der beiden Pumpen entsteht.
lästig. Mitarbeitende in der Nähe einer
Kälteanlage hatten sich über tonhaltigen
Praxisbeispiel 2:
wie das folgende Beispiel zeigt. Im
Lärm beschwert. Bei der Kälteanlage
Nachhaltige Ruhe mit minimalem
Rahmen der Entwicklung eines neuverursachte der Schraubenkompressor
artigen, im Rohr liegenden Klappeneinen störenden Ton bei 200 Hz. Betriebs- Aufwand
In einem anderen Fall bekämpfte Sulzer
antriebes für Klimaanlagen wurde die
schwingungsmessungen zeigten, dass
Geräuschentwicklung durch theoretische
bei dieser Frequenz zusätzlich eine Eigen- den Lärm von Wasserringpumpen. Diese
Art von Pumpen ist gut dafür geeignet, Überlegungen und Messungen minimiert.
schwingung der Maschine auftrat.
Luft-Wasser-Gemische abzusaugen. Aller- Mit dem Einsatz von modernen WerkAufgrund der Funktionsweise der
zeugen und einer Signalverarbeitung mit
Maschine konnte die ursächliche Schall- dings verursacht sie eine pulsierende
Strömung in der Abluftleitung, die beim
Fourier-Analyse wurde das Klappenprofil
quelle nicht vermindert werden. Eine
Luftaustritt auf dem Dach als äußerst
weiterentwickelt und optimiert.
Dämmung der Körperschallübertragung
störender brummender Ton in die Umhätte einen massiven Aufwand bedeutet
gebung abgestrahlt wird.
und kam deshalb nicht in Frage. Darum
1 Ein vor Ort gebauter unkonventioneller Resonanzschalldämpfer
Als Verbesserungsmaßnahme empfahl
konzentrierte sich Sulzer bei der Lärmerwies sich als perfekte Lösung für eine Abluftleitung.
bekämpfung auf die Schallabstrahlung. Sulzer einen Resonanzschalldämpfer,
Große Flächen des
Maschinengestells
Die Maßnahmen von Sulzer halbierten die
wurden durch ElasVibrationen an den Maschinenfüßen und senktomerschichten und
ten damit die Maschinenbelastung.
Stahlplatten
entder noch vor Ort aus einem Rohr auf
dröhnt. Mit Erfolg: Der Schalldruckpegel
bei 200 Hz wurde um 5 dB reduziert, die störende (konstante) Brummtonfrequenz angepasst wurde und mit miniund die Mitarbeitenden empfanden den
malem Aufwand beim Abluftkamin
Anlagenlärm nicht mehr als störend.
Darüber hinaus halbierte diese Maß- aufgesetzt werden konnte 1. Damit
nahme die Vibrationen an den Maschinen- bekämpfte Sulzer den störenden Ton
füßen. Durch die Verringerung der Schall- effizient und reduzierte ihn um rund
10 dB 2. Das Lärmproblem wurde hier
abstrahlung wurde somit nicht nur das
ebenfalls über die Reduzierung der
Lärmproblem gelöst, sondern auch die
Schallabstrahlung gelöst.
Maschinenbelastung reduziert. Dank der
Analyse des Schallausbreitungspfades
Praxisbeispiel 3:
durch Sulzer konnten die Verbesserungen
Optimierte Luftströmung schafft
mit relativ geringem Aufwand und mit
minimalen Betriebsunterbrechungen um- ruhige Umgebung
Verbesserungen direkt bei der Schallgesetzt werden, ohne dass die eigentliche
entstehung haben meist ein sehr gutes
Maschine und der Kälteprozess verändert
Verhältnis von Wirkung und Aufwand,
werden mussten.
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Sulzer modifizierte zusammen mit
dem Kunden die Lüftungsklappen in verschiedenen Variationen am Rand und
untersuchte die erzeugten Strömungsgeräusche in Abhängigkeit vom Vordruck
vor der Klappe 3.
Gut gemessen ist halb gewonnen
Schall dann in die umgebende Luft
abstrahlen. In der Luft breitet sich der
Schall als Druckwelle weiter aus. Da
nicht alle Oberflächen in gleichem Maße
Schall abstrahlen, ist es wichtig, die
Abstrahlung der gesamten Struktur zu
betrachten. Das kann z.B. mit Schallintensitätsmessungen 4 oder einem
Mikrofon-Array erfolgen.
Die Beispiele zeigen, dass je nach
Situation sehr unterschiedliche Maßnahmen zu den besten Ergebnissen führen. Entwicklung eigener Messsysteme
Um die optimale Lösung zu finden, Mit Mikrofon-Arrays können Bilder der
analysiert Sulzer die Lärmquellen syste- Schallquellenverteilung berechnet werden. Darum nennt man sie auch akustimatisch mit modernen Messverfahren:
sche Kamera. Zur Lokalisierung von
• Schalldruckpegelmessungen
Schallquellen hat Sulzer eine eigene
• Schallintensitätsmessungen
akustische Kamera entwickelt und damit
• Beschleunigungsmessungen
beispielsweise Schallquellen von vorbei• Messungen mit einem Mikrofonfahrenden Eisenbahnzügen und LastArray (Reihenrichtmikrofonsystem)
In vielen Fällen breitet sich die Schall- wagen untersucht. Insbesondere bei
Fahrzeugen sind Messungen mit konenergie vom Entstehungsort zu einem
ventionellen Methoden problematisch,
beträchtlichen Anteil als Körperschall
in der Struktur aus.
Sulzer analysiert die Lärmquellen systematisch
Der Körperschall
mit modernen Messverfahren wie akustischen
kann mit einer TransKameras.
ferpfadanalyse systematisch untersucht
da die wesentlichen Schallquellen erst
werden. An der Oberfläche erzeugt der
bei höheren Geschwindigkeiten auftreten
Körperschall Vibrationen, welche den
Wie entsteht Lärm?
Als Lärm bezeichnet man störenden
Schall. Typische Lärmquellen an
Maschinen sind:
• Kraftpulsationen, hervorgerufen
durch
– Freie Massenkräfte (z.B. Unwucht
eines Rotors)
– Klopf-Anregung (auch Lagerspiel)
– Slip-Stick (Quietschen)
– Gleiten und Rollen über raue
Oberflächen (auch Zahneingriff,
unregelmäßige Magnetfelder)
– Magnetostriktion, Funkenentladung
• Strömungsgeräusche, hervorgerufen durch
– Pulsierende Strömung
(z.B. in einem Auspuff)
– Turbulenzen
– Strömungsinstabilitäten
– Kavitation
Schall breitet sich als Welle in allen
elastischen Medien (Gase, Flüssigkeiten, Festkörper) aus. An Grenzflächen
zwischen verschiedenen Medien ändern sich die Eigenschaften der Schallwellen. Ein typischer Ausbreitungspfad
besteht aus Körperschallübertragung,
Schallabstrahlung und Luftschallausbreitung. Allerdings sind oft mehrere
parallele Ausbreitungspfade vorhanden.
3 Mit diesem Versuchsaufbau untersuchte Sulzer die durch Lüftungsklappen induzierten Strömungsgeräusche
(Blick axial ins Lüftungsrohr auf die geöffnete Klappe mit im Rohr liegendem Klappenantrieb).
und der Fahrtwind mitfahrende Mikrofone sehr stark stört.
Sulzer kann mit der akustischen
Kamera die dominierenden Lärmquellen
an Fahrzeugen ermitteln (z.B. Abstrahlung der Rollgeräusche, Geräusche
von Kühlventilatoren und Aggregaten,
aerodynamische Lärmquellen, Motorgeräusche und Auspuff bei Lastwagen).
Die Messdaten erlauben eine Beurteilung
von Verbesserungsmaßnahmen und
sind auch für die Dimensionierung von
Schallschutzwänden bedeutend.
Wirkungsvolle Maßnahmen setzen
an der Quelle an
Maßnahmen gegen Lärm können prinzipiell sowohl bei den eigentlichen Lärmquellen als auch an verschiedenen Stellen
des Übertragungspfades angreifen. Dabei
ist es entscheidend, die dominierenden
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Mögliche Maßnahmen zur Beeinflussung der Schallausbreitung
• Körperschalldämmung durch Impedanzsprünge (z.B. durch sogenannte Sperrmassen). Bei einem Impedanzsprung wird ein Teil der Körperschallwelle reflektiert,
wodurch sich nur ein Teil weiter ausbreiten kann.
• Körperschalldämpfung durch Entdröhnen. Dies kann mit sogenannten Entdröhnfolien oder -matten erfolgen. Eine viskose Materialschicht sorgt für zusätzliche
Dämpfung (und Masse).
• Verminderung der Schallabstrahlung durch Absorption. Je nach Platzverhältnissen
können absorbierende Materialien verwendet werden.
• Verminderung der Luftschallabstrahlung durch kleinere, durchgehende Oberflächen (z.B. Lochblech anstatt Platten)
• Schallkapselung von stark abstrahlenden Komponenten. Schallschutzhauben sind
als Notlösung zu betrachten und haben üblicherweise Nachteile hinsichtlich Platzbedarf und Zugänglichkeit. Dafür sind für die Auslegung einer Schallhaube kaum
grundsätzliche Untersuchungen und Beratungen notwendig.
Mehr Informationen zur Lärmbekämpfung finden sich in den Veröffentlichungen 2, 3, 4, 5 sowie unter
www.sulzer.com/Akustik
Lärmquellen zu finden und zu bekämpfen. dest nahe an der Quelle zu beeinflussen.
So lange die stärksten Quellen und wich- Hier kann man mit kleinen Modifikatiotigsten Schallpfade nicht eliminiert sind, nen oft eine wesentliche Verbesserung
werden Maßnahmen an schwächeren
erzielen. Freie Massenkräfte können z.B.
Quellen und unbeSulzer bekämpft Lärm möglichst nah an der
deutenden Pfaden
Quelle, um wirtschaftlich optimale Lösungen
nur vernachlässigzu erzielen.
bare
Wirkungen
erzielen. Oft ist es
am wirtschaftlichsten, mit Maßnahmen
durch harmonischere Bewegungsabläufe
die Schallentstehung direkt oder zumin- oder weichere Kontaktpunkte reduziert
4 Mit einer Schallintensitätsmessung wird die Schallabstrahlung
beispielsweise an Straßenwalzen untersucht.
werden. In vielen Fällen hat das den
zusätzlichen Vorteil, dass auch die Belastungen innerhalb der Maschine sowie
Ermüdungsschäden und Verschleiß reduziert werden.
Manchmal sind allerdings aus funktionalen Gründen Maßnahmen direkt an
der Quelle nicht möglich. Je weiter entfernt die Maßnahmen von der Quelle
eingreifen (z.B. Schallschutzhaube, Schallschutzwände), desto begrenzter wird
ihre Wirkung. So wirken Schallschutzfenster nur im betreffenden Zimmer und
bei geschlossenem Fenster. Der Extremfall
ist der persönliche Gehörschutz. Er ist
zwar kostengünstig und wirksam, wirkt
aber nur bei Personen, die ihn auch
tragen.
Grundsätzlich sollte immer versucht
werden, zunächst die Schallquellen zu
reduzieren, dann die Schallübertragung
zu erschweren und zuletzt die Schallabstrahlung zu minimieren (siehe Infobox).
Fokus auf Wirtschaftlichkeit
Dank vielfältiger und breitgefächerter
Erfahrung entwickelt Sulzer bei Lärmproblemen effiziente und unkomplizierte
Lösungen. Sulzer verfolgt den Ansatz,
Lärm möglichst nahe an der Schallquelle
zu bekämpfen und sowohl technisch als
auch wirtschaftlich optimale Lösungen
zu empfehlen. Die Verbesserungsmaßnahmen sind auch kostensparend, denn
sie reduzieren oft die Belastung der
Maschine und erhöhen ihre Lebensdauer.
Hans Rudolf Graf, Frank May, Ulrich Moser
Sulzer Markets and Technology AG
Sulzer Innotec
Sulzer-Allee 25
8404 Winterthur
Schweiz
Telefon +41 52 262 21 56
[email protected]
Literaturhinweise
1
Schweizer Bundesamt für Umwelt:
www.bafu.admin.ch/laerm
H. R. Graf, «Lärmreduktion bei Luft/WasserWärmepumpenanlagen, Grundlagen und Maßnahmen»,
Forschungsprogramm im Auftrag des Bundesamtes für
Energie, 2002,
http://www.waermepumpe.ch/fe/Gr_LR_SB.pdf.
3 M. L. Munjal, Acoustics of ducts and mufflers with
application to exhaust and ventilation system design
(Hoboken: John Wiley & Sons, 1987).
4 W. Schirmer (Hrsg.), Technischer Lärmschutz
(Düsseldorf: VDI-Verlag, 1996).
5 W. Lips, Strömungsakustik in Theorie und Praxis
(Renningen: expert verlag, 1995).
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