Lärmminderung in Technik und Industrie: von der Ursache zur Lösung

Die Grafik visualisiert einen Grundsatz des Projektmanagements: Zu Beginn eines Projekts ist die Informationsdichte hoch und die Kosten für Änderungen sind niedrig. Mit fortschreitendem Projekt kehrt sich dieses Verhältnis um.

Abbildung 1: Der Zusammenhang von Projektfortschritt, Einflussmöglichkeiten und Änderungsaufwand

Lärm steckt oft in jedem technischen Produkt, wird jedoch meist zu spät erkannt. Gerade Ingenieur*innen wissen: Je weiter ein Projekt fortschreitet, desto schwieriger und teurer wird die nachträgliche Lärmreduzierung. Die größten Einflussmöglichkeiten, um ein Produkt auf geringe Lärmemissionen hin zu optimieren, bestehen daher in der frühen Projektphase, wenn das Konzept und das Design noch anpassbar sind. In späten Projektphasen kann oft nur noch Schadensbegrenzung betrieben werden. Der Kern der technischen Akustik setzt damit in den frühen Projektphasen an, um Aufwand und Kosten für die Lärmminderung gering zu halten.
 

Lärm entsteht in Maschinen und Produkten nach einem klaren Muster, das in drei Stufen unterteilt werden kann.

1. Lärmanregung

Hier liegt der Ursprung des Lärms, zum Beispiel durch:

  • dynamische Zahnkräfte in Zahnrad-Verzahnungen
  • Arbeitsvorgänge von Pumpen
  • elektrische Wechselkräfte in Elektromotoren oder
  • Stoß- und Schlagvorgänge.

Diese Anregungsmechanismen hängen oft direkt mit der eigentlichen Funktion des Produktes zusammen. Beispielsweise ist es Sinn und Zweck eines Zahnradgetriebes, Drehbewegungen und Drehmomente zu übertragen, was unweigerlich zu einer akustischen Anregung in Form von dynamischen Zahnkräften im Zahneingriff führt.

Das Schaubild illustriert die Entstehungskette von Lärm in einem mechanischen System, unterteilt in drei Phasen: Lärmanregung: Im Inneren des Systems entstehen durch "dynamische Zahnkräfte" (z. B. in einem Getriebe) Vibrationen. Diese werden auch durch das von außen wirkende "Lastmoment" beeinflusst. Lärmweiterleitung: Die Vibrationen breiten sich als "Körperschall" durch die festen Bauteile der Maschine aus. Lärmabstrahlung: Die Oberflächen des Gehäuses schwingen und regen die umgebende Luft an, was zur Abstrahlung von "Luftschall" führt, den wir als Geräusch wahrnehmen.

Abbildung 2: Die drei Stufen der Lärmentstehung in Geräten und Maschinen (Lärmanregung, Lärmweiterleitung, Lärmabstrahlung) am Beispiel eines Zahnradgetriebes.

2. Lärmweiterleitung

In der Regel ist der Entstehungsort der Lärmanregung nicht der Ort der Schallabstrahlung. Schall wird oftmals innerhalb von Maschinen und Geräten zunächst weitergeleitet. Diese Weiterleitung erfolgt beispielsweise durch:

  • Körperschall (Vibrationen in festen Strukturen)
  • Flüssigkeitsschall (Transport durch Medien wie Wasser oder Öl) oder
  • Luftschall (Weiterleitung etwa durch Rohrleitungen).
     

3. Lärmabstrahlung

Erreicht der Lärm einen Ort, von dem aus er abgestrahlt werden kann, wird er sich von dort aus in seiner Umgebung ausbreiten. Dies geschieht beispielsweise durch:

  • eine Luftschallabstrahlung von der Maschinenoberfläche oder
  • durch Körperschallbrücken, welche die Vibrationen in angrenzende Strukturen abstrahlen.

Aus dem oben dargestellten Prinzip der Lärmentstehung in Maschinen ergibt sich für die Lärmminderung eine klare Priorität für Ingenieur*innen:

„Packen Sie das Problem an der Wurzel!“

Prüfen Sie Optionen zur Lärmminderung zunächst im Bereich der Lärmanregung und erst danach bei der Lärmweiterleitung. Die Lärmminderung in der Stufe der Lärmabstrahlung sollte als letztes Mittel in Erwägung gezogen werden. Wer Lärm wirklich effizient vermeiden will, sollte somit bereits zu Beginn eines Projekts akustische Betrachtungen einbeziehen. Das spart Kosten und erhöht die Qualität von Produkten und Arbeitsumgebungen.
 

Eine Methode für alle Lärmprobleme

Um diesen Ansatz in der Praxis umzusetzen, wurde bei N-coustic Engineering Neubauer eine effiziente und zielgerichtete Methode entwickelt, die auf die Lärmminderung an beliebigen Produkten und Maschinen angewendet werden kann. 

V-Modell, das den Prozess zur Lärmminderung in 6 Schritten von der Analyse zur Lösung visualisiert.

Abbildung 3: Methode zur Lärmminderung in Geräten und Maschinen während des Produktentwicklungsprozesses, entwickelt von N-coustic Engineering Neubauer (in Anlehnung an VDI 2206).

In diesem Ansatz wird mittels akustischer Analysen tief in den Aufbau des Gerätes oder der Maschine eingetaucht (linke Hälfte der V-Abbildung), um mit der Implementierung der Lösung das Gesamtsystem zu validieren (rechte Hälfte der V-Abbildung). 

Am Anfang des methodischen Ansatzes steht die Klärung der Aufgabenstellung, um die Anforderungen, die Randbedingungen und die (versteckten) Kundenwünsche zu identifizieren. Im zweiten Schritt wird das Lärmproblem auf der Systemebene des Gerätes oder der Maschine identifiziert, um es im dritten Schritt einzelnen Komponenten zuordnen zu können. Auf Komponentenebene startet in Schritt vier die eigentliche Lärmminderung, indem die drei Stufen der Lärmentstehung (Lärmanregung, -weiterleitung und -abstrahlung) nacheinander im Hinblick auf mögliche Lärmminderungsmaßnahmen geprüft werden. Erfolgversprechende Lösungsansätze werden im fünften Schritt auf Systemebene validiert. Schließlich erfolgt die Sicherstellung der Kundenzufriedenheit im sechsten Schritt. In manchen Fällen sind Iterationen notwendig, die das Modell ebenfalls berücksichtigt.

Mit dem vorgestellten Verfahren wird Ingenieur*innen ein universelles methodisches Werkzeug an die Hand gegeben, mit welchem Lärmprobleme in Geräten und Maschinen systematisch gelöst werden können.

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Über den Autor:

Quelle: © Dr.-Ing. Philipp Neubauer

Dr.-Ing. Philipp Neubauer, N-coustic Engineering Neubauer, Griesheim

Herr Dr.-Ing. Philipp Neubauer ist als selbstständiger Ingenieur mit seinem Unternehmen N-coustic Engineering im Bereich der technischen Akustik aktiv. Zuvor arbeitete er als Technischer Projektleiter bei der Continental Engineering Services GmbH im Bereich Acoustic Solutions. Er studierte Maschinenbau an der TU Darmstadt mit den Schwerpunkten Maschinenakustik und Fahrzeugtechnik. Nach seiner Master-Thesis zum Thema aktive Beeinflussung der Schallabstrahlung eines Cellos, entwickelte und validierte er während seiner Dissertation eine neuartige geräuscharme Verzahnungstechnologie für Zahnradgetriebe, wofür er 2019 mit dem „young drivetrain experts award“ ausgezeichnet wurde. Ab 2019 entwickelte er bei der Continental Engineering Services GmbH ein innovatives lautsprecherloses Audiosystem für Fahrzeuge sowie Lösungen zur aktiven und passiven Geräuschminderung.

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