Wie verändert KI unsere Arbeitswelt? Teile deine Erfahrung zur Workforce Transformation und gewinne eines von fünf Web-Based Trainings.

Lärm in Maschinen identifizieren und mindern: Praxisbeispiel Absaugeinrichtung

Abbildung 1: Methodischer Ansatz zur Identifikation von Schallquellen: die N-Methode

Lärm in Maschinen entsteht selten an einer einzigen, klar abgegrenzten Stelle. Antriebe, Übertragungspfade, Gehäuse und Anbauteile wirken zusammen und erzeugen am Ende den hörbaren Lärm. Für Ingenieurinnen und Ingenieure ist die Frage nach der Lärmquelle in einer auffälligen Maschine deshalb meist schwerer zu beantworten als die Frage nach einer möglichen Gegenmaßnahme. Dieser Artikel zeigt die Suche nach der Lärmquelle am Beispiel einer Absaugeinrichtung, an der im Betrieb ein deutlich hörbares Pfeifen auftritt.

Wie strukturiert die N-Methode die Suche nach Lärmquellen? 
Die N-Methode strukturiert den Prozess der Lärmminderung in Maschinen in sechs Arbeitsschritte entlang zweier Achsen: dem Projektfortschritt und der Komplexität der betrachteten Aufgabe. Methodisch ist sie aus dem V-Modell der VDI 2206 abgeleitet und auf die Geräuschminderung angepasst.

Der Kern der N-Methode liegt in der Steuerung der Komplexität in Abhängigkeit vom Projektfortschritt. Auf Systemebene ist sie hoch. Ursachen lassen sich dort oft nur vermuten und Vermutungen lassen sich nur durch Ausprobieren prüfen. Die Methode bricht das Problem deshalb auf die Komponentenebene herunter, löst es dort und validiert die Lösung anschließend im Gesamtsystem. Bleibt ein Schritt ohne Erfolg, führt der Weg zurück in die vorhergehende Analyse.
 

System verstehen: die Absaugeinrichtung und ihr Aufbau

Abbildung 2: Untersuchte Absaugeinrichtung

Die betrachtete Absaugeinrichtung fördert Luft aus einem Arbeitsbereich nach außen. Sie besteht aus einem Lüfter mit 59 Schaufeln, einem Lüftergehäuse, einem Filtereinsatz, dem umgebenden Gehäuse und dem Abluftrohr. Die angesaugte Luft durchströmt den Filtereinsatz, wird vom Lüfter gefördert und über das Abluftrohr abgeführt. Betrieben wird die Einrichtung in vier Stufen mit unterschiedlichen Drehzahlen. In allen Stufen tritt ein deutlich hörbares Pfeifen auf. Der erste Gedanke geht in Richtung eines Schalldämpfers im Abluftrohr. Dieser Gedanke ist naheliegend, denn ein Schalldämpfer ist bekannt und ohne Eingriff in die Konstruktion umsetzbar. Er setzt allerdings am Ende der Wirkkette an. Ob er tatsächlich das konkrete Geräusch mindern kann, ist zu Beginn der Untersuchung noch eine offene Frage.

Wie wird das Gesamtsystem in den vier Betriebsstufen akustisch untersucht?
Das Gesamtsystem der Absaugeinrichtung wird in allen vier Stufen messtechnisch untersucht. In den Spektren der schnellen Fourier-Transformation (FFT) treten schmalbandige Peaks deutlich aus dem übrigen Spektrum hervor. Sie liegen je nach Stufe zwischen 4,9 kHz und 6,8 kHz und stellen den Pfeifton dar. Damit stehen zwei Eigenschaften fest, die den Kreis der möglichen Ursachen eingrenzen: Das Geräusch ist tonal und seine Frequenz verschiebt sich mit dem Betriebspunkt. Es ist also an eine Eigenschaft des Betriebspunktes gekoppelt, der sich mit der Drehzahl ändert.

Abbildung 3: FFT-Spektren des Geräusches der Absaugeinrichtung in allen vier Betriebspunkten

Komponenten-Analyse: Ausschluss von Fehlinterpretationen

Auf Komponentenebene lassen sich die Baugruppen einzeln analysieren und deren jeweiliger Beitrag zum Geräusch bewerten. Naheliegend ist eine Rotor-Stator-Interaktion zwischen Lüfter und Lüftergehäuse, auch Drehklang genannt. Er tritt bei der Blattfolgefrequenz auf, die sich aus Drehzahl n [in 1/s] und Schaufelanzahl z zu f = z · n ergibt, sowie bei deren Vielfachen. Bei 59 Schaufeln und Drehzahlen zwischen 35-45 1/s fallen die für die vier Stufen zu erwartenden Frequenzen nicht mit den gemessenen Peaks zusammen. Der Drehklang erklärt den Pfeifton also nicht.

Wo lokalisiert die akustische Kamera die Schallquelle?
Den entscheidenden Hinweis liefert die Schallquellenortung mittels einer akustischen Kamera. Der Schall wird am stärksten an der Fügestelle zwischen Gehäuse und Filteraufsatz abgestrahlt, nicht am Lüfter und nicht am Abluftrohr.

Abbildung 4: Die Schallquellenortung mittels akustischer Kamera zeigt, dass der Schall an einem engen Luftspalt abgestrahlt wird.

Die Ursache: ein Spalt, der wie eine Pfeife wirkt

An dieser Stelle befindet sich ein schmaler Spalt zwischen Gehäuse und Filtereinsatz. Durch ihn wird Luft am Filtereinsatz vorbeigesaugt. Der Spalt wirkt dabei wie eine Pfeife und erzeugt den tonalen Schall in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit der Luft. Die Verschiebung der Frequenz in Abhängigkeit vom Betriebspunkt lässt sich über die veränderte Strömungsgeschwindigkeit der Luft im Spalt erklären.

Die Maßnahme zur Lärmminderung fällt entsprechend simpel aus. Eine Anpassung der Bauteiltoleranzen schließt den Spalt zwischen Filtereinsatz und Gehäuse, wodurch auf Komponentenebene das Pfeifen verschwindet. Der Eingriff erfolgt damit direkt an der Lärmquelle, also am Ort der Entstehung, statt nach der Abstrahlung.
 

Das Ergebnis an der vollständigen Maschine

Abbildung 5: FFT-Spektren als Vorher-Nachher-Vergleich mit dem verschlossenen Spalt als Lärmminderungsmaßnahe

Eine auf Komponentenebene wirksame Änderung kann sich im Zusammenspiel des Gesamtsystems anders verhalten. Die Absaugeinrichtung wird deshalb abschließend erneut akustisch untersucht. Die Analyse zeigt, dass der Pfeifton beseitigt und das Problem damit gelöst ist. Zusätzlich sinkt der Summenschalldruckpegel um etwa 1 dB.
 

Wirtschaftliche Einordnung 

Der Vergleich beider Wege kann sich auch finanziell lohnen. Ein Schalldämpfer im Abluftrohr hätte dauerhaft und über die gesamte Produktionsmenge in jedem produzierten Gerät Material- und Montagekosten verursacht, ohne den Pfeifton zu mindern. Die tatsächliche Maßnahme ist eine kleine Nacharbeit am Spritzgusswerkzeug, wie sie im Werkzeugbetrieb ohnehin von Zeit zu Zeit anfällt. Sie ist faktisch kostenneutral und erzeugt keine wiederkehrenden Stückkosten. Demgegenüber steht der einmalige Aufwand für die Analyse in der Größenordnung einiger Engineering-Arbeitstage. Darin liegt der wirtschaftliche Hebel des methodischen Vorgehens.
 

Was sich allgemein auf Lärmprobleme übertragen lässt 

Die am Beispiel der Absaugeinrichtung vorgestellte Methode lässt sich auf nahezu alle Maschinen übertragen, in denen Pumpen, Getriebe, Elektromotoren, Lüfter oder andere Antriebstechnik arbeiten. Insbesondere drei Erkenntnisse sind dabei verallgemeinerbar:

  • Komplexität senken: Auf Systemebene lassen sich Ursachen meist nur vermuten. Beim Herunterbrechen auf die Komponentenebene können nachvollziehbare und objektive Maßnahmen identifiziert werden.
  • So nah wie möglich an der Anregung ansetzen: Maßnahmen am Ort der Lärmentstehung wirken in der Regel effizienter und sind kostengünstiger als sekundäre Maßnahmen, die die Schallausbreitung verhindern.
  • Validieren aller umgesetzten Maßnahmen: Ob eine Maßnahme effektiv das Lärmproblem lösen kann, lässt sich messtechnisch anhand einer provisorischen Umsetzung feststellen, noch bevor Geld in Werkzeugänderungen oder neue Bauteile investiert wird.

FAQ – Häufige Fragen und Antworten

Was ist die N-Methode zur Lärmminderung?

Die N-Methode ist ein sechsstufiges Vorgehen zur systematischen Lärmminderung in Maschinen. Sie führt die Analyse vom Gesamtsystem auf die Komponentenebene, unterstützt dort die Entwicklung einer gezielten Maßnahme und verlangt anschließend deren Validierung an der vollständigen Maschine. Bei erfolglosen Schritten führt sie zurück in die vorhergehende Analyse.

Wie wird ein Pfeifton in einer Maschine eingegrenzt?

Der Pfeifton wird durch akustische Messungen in allen vier Betriebsstufen eingegrenzt. Schmalbandige Peaks zwischen 4,9 und 6,8 Kilohertz zeigen, dass das Geräusch tonal ist und sich seine Frequenz mit dem Betriebspunkt verschiebt. Dadurch lässt sich die Suche auf Ursachen konzentrieren, die von Drehzahl oder Strömung abhängen.

Wie lokalisiert eine akustische Kamera die Schallquelle?

Die akustische Kamera lokalisiert die stärkste Schallabstrahlung an der Fügestelle zwischen Gehäuse und Filteraufsatz. Damit richtet sich die weitere Untersuchung auf einen engen Luftspalt statt auf Lüfter oder Abluftrohr. Die Ortung verbindet das auffällige Frequenzsignal mit einem konkreten Bereich der Absaugeinrichtung und grenzt mögliche Ursachen weiter ein.

Welche Maßnahme beseitigt den Pfeifton der Absaugeinrichtung?

Eine Anpassung der Bauteiltoleranzen schließt im beschriebenen Praxisbeispiel den Spalt zwischen Filtereinsatz und Gehäuse. Dadurch verschwindet der Pfeifton zunächst auf Komponentenebene und anschließend auch an der vollständigen Maschine. Die abschließende akustische Messung dient dazu, die Wirksamkeit der konstruktiven Änderung im Gesamtsystem zu überprüfen.

Welche Erkenntnisse lassen sich auf andere Lärmprobleme übertragen?

Die wichtigsten übertragbaren Schritte sind das Senken der Komplexität, das Ansetzen an der Lärmentstehung und die messtechnische Validierung jeder Maßnahme. Eine provisorische Umsetzung kann zeigen, ob eine Lösung wirksam ist, bevor Geld in Werkzeugänderungen oder neue Bauteile investiert wird. So verbindet das Vorgehen technische Ursachenanalyse mit wirtschaftlich abgesicherten Entscheidungen.

Über den Autor:

Quelle: © Dr.-Ing. Philipp Neubauer

Dr.-Ing. Philipp Neubauer

N-coustic Engineering Neubauer, Griesheim

Dr.-Ing. Philipp Neubauer ist Inhaber von N-coustic Engineering Neubauer und leitet das Ingenieurbüro für technische Akustik mit Sitz in Darmstadt. Das Unternehmen arbeitet mit herstellenden Unternehmen aus den Bereichen Maschinen- und Anlagenbau, Antriebstechnik und Fahrzeugindustrie zusammen, um bei der Identifikation von Lärmquellen und der Entwicklung geräuscharmer Produkte von der Messung über die Simulation bis hin zur konstruktiven Umsetzung zu unterstützen.

Vor der Gründung war er 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 und promovierte über eine geräuscharme Verzahnungstechnologie für Zahnradgetriebe, für die er mehrfach ausgezeichnet wurde und Patente hält.

Zurück zum Anfang der Seite springen