Ingenieurakustik: Grundlagen Anwendungen Verfahren

399 Pages·1999·12.17 MB·German

by  Dr-Ing. Hermann Henn

Hermann Henn
Gholam Reza Sinambari
Manfred Fallen
Ingenieurakustik
Aus dem Programm ____________- --..,.
Naturwissenschaftliche Grundlagen
Experimentalphysik für Ingenieure
von H.-I. Schulz, I. Eichier, M. Rosenzweig, D. Sprengel
und H. Wetzel
Einführung in Theorie und Praxis der Zeitreihen
und Modalanalyse
von H. G. Natke
Die Erforschung des Chaos
von I. Argyris, G. Faust und M. Haase
Ingenieurakustik
von H. Henn, G. R. Sinambari und M. Fallen
Physik Kompakt
von G. Lindström, R. Langkau und W. Scobel
Das Techniker Handbuch
von A. Böge (Hrsg.)
Vieweg Lexikon Technik
von A. Böge (Hrsg.)
Vieweg Handbuch Elektrotechnik
von A. Böge (Hrsg.)
vieweg _________________
~
Hermann Henn
Gholam Reza Sinambari
Manfred Fallen
Ingenieurakustik
Grundlagen
Anwendungen
Verfahren
2., erweiterte und überarbeitete Auflage
Mit 249 Abbildungen und 36 Tabellen
IJ
vleweg
Dr-Ing. Hermann Henn t war Professor für Mechanik und Akustik an der Fachhochschule des
Landes Rheinland-Pfalz, Abteilung Kaiserslautern. Er starb am 24. Februar 1982.
Dr.-Ing. Gholam Reza Sinambari ist Professor an der Fachhochschule Bingen, Fachbereich Um
weltschutz und vertritt dort die Fachgebiete Schall-und Erschütterungsschutz sowie Ingenieur
wissenschaftliche Grundlagen. Darüber hinaus ist er nebenberuflich Geschäftsführer der Firma
IBS Ingenieurbüro für Schall-und Schwingungstechnik GmbH Ludwigshafen.
DrAng. Manfred Fallen ist Akademischer Direktor am Lehrstuhl für Mechanische Verfahrens
technik und Strömungsmechanik (0. Prof Dr.-Ing. habil. Fritz.Ebert) im Fachbereich Maschi
nenbau und Verfahrenstechnik der Universität Kaiserslautern und leitet dort die Arbeitsgruppe
Strömungsmeßtechnik, -akustik, Windenergie.
1. Auflage 1984
2., erweiterte und überarbeitete Auflage 1999
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© Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, BraunschweigjWiesbaden, 1999
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Umschlaggestaltung: Ulrike Weigel, Niedernhausen
Gedruckt auf säurefreiem Papier
ISBN 978-3-528-18570-1 ISBN 978-3-322-94324-8 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-322-94324-8
v
Vorwort zur 2. Auflage
Die vorliegende 2. Auflage ist eine aktualisierte Ausgabe des 1984 erschienenen Buches
INGENIEURAKUSTIK. Der Schwerpunkt liegt wieder auf den Grundlagen der Akustik,
die in einigen Bereichen, so Z.B. bei der Behandlung des Körperschalls in Kap. 1,
erweitert wurden.
Ein wesentliches Merkmal im Umgang mit Lärmproblemen ist die starke Reglementie
rung durch Gesetze und Normen, was eine ständige Überarbeitung und Aktualisierung des
Stoffes erforderlich macht. Die Schalleistungsbestimmung ist ein Beispiel hierfür, das im
Kapitel Schalleistung behandelt wird. Hierbei wird auch u.a. die Schallintensi
tätsmeßtechnik, die in den letzten Jahren an Bedeutung gewonnen hat, näher erläutert.
Hervorzuheben ist auch in diesem Zusammenhang die neue TA-Lärm, die die für
Deutschland gültigen Grenzwerte festlegt. Soweit Änderungen schon bekannt sind, wer
den sie berücksichtigt.
Basierend auf den positiven Reaktionen zur 1. Auflage des Buches bezüglich Inhalt,
Themenauswahl und Umfang wurde das Konzept beibehalten. Auch die 2. Auflage richtet
sich vor allem an Ingenieure und Konstrukteure, die sich mit Fragen der primären und
konstruktiven Lärmminderung beschäftigen. Dadurch bedingt hat die Behandlung der
Grundlagen zur Luft- und Körperschallentstehung, -weiterleitung und -abstrahlung eine
zentrale Bedeutung. Natürlich ist das Buch als wertvolle Einführung und nützliches
Nachschlagewerk auch für Studenten und alle diejenigen, die mit Lärm und Schallschutz
im weitesten Sinne zu tun haben, geeignet.
Die Bedeutung der Akustik läßt sich kaum besser dokumentieren als durch die enormen
Fortschritte, die in allen Bereichen der Technik, Z.B. im Maschinen- und Anlagenbau, in
der Fahrzeug- und Luftfahrttechnik, bei Haushalts- und Konsumgeräten, in den letzten
Jahren erreicht worden sind. Natürlich sind noch weitere Anstrengungen zur Lärmredu
zierung notwendig, da einerseits stets höhere akustische und schwingungstechnische
Anforderungen gestellt werden und andererseits neue Geräuschprobleme hinzukommen.
In diesem Zusammenhang wird z.B. auf den Verkehrslärm hingewiesen, der durch Rei
fengeräusche verursacht wird und nun deutlich wahrnehmbar ist, weil früher dominie
rende Geräuschquellen erheblich leiser geworden sind. Weitere Beispiele sind die Ge
räuschemissionen von Windkraftanlagen oder der Lärm, der auf den Einsatz von neuen
Werkstoffen im Maschinen-und Anlagenbau zurückzuführen ist.
Die Universitäten und Fachhochschulen haben den Bedarf erkannt und die Lehrangebote
deutlich erweitert, wie der 2. Auflage des Studienführers Akustik zu entnehmen ist. In
diesem Sinne soll auch das vorliegende Buch einen Beitrag leisten, damit die Ingenieure
bei ihren Aufgaben im Studium und in der Praxis unterstützt werden.
Bei der Überarbeitung des Buches hat Herr Dipl.-Ing. (FR) Udo Thorn maßgeblich mit
gewirkt, wofür die Autoren sich herzlich bedanken.
Bingen, Ludwigshafen und Kaiserslautern, im März 1999 Gh. R. Sinambari
M. Fallen
VII
Inhaltsverzeichnis
1 Theoretische Grundlagen des Schallfeldes
1.1 Einleitung ...................................................................................................... .
1.2 Schallfeldgrößen und Schallfelder. ............................................................... .
1.2.1 Lineares Wellenfeld ........................................................................... 1
1.2.2 Ebenes Wellenfeld............................ .............................. .................... 5
1.2.3 Kugelwellenfeld ......... .............. .......................................................... 10
1.3 Geschwindigkeit der Schallausbreitung ........................................................ 12
1.3.1 Ausbreitung in Gasen ......................................................................... 12
1.3.2 Ausbreitung in Flüssigkeiten.............................................................. 14
1.3.3 Ausbreitung in festen Körpern (KörperschalI)................................... 16
1.4 Impedanz ....................................................................................................... 21
1.4.1 Akustische Impedanz ................ ........ ................................................. 21
1.4.2 Mechanische Impedanz ...................................................................... 24
1.4.2.1 Mechanische Impedanzen idealisierter Bauteile ................... 24
1.4.2.2 Mechanische Eingangsimpedanz realer Bauteile .................. 33
1.4.2.3 Elastische Entkopplung, Schwingungs-und
Körperschallisolierung .......................................................... 37
1.4.3 Übertragene mechanische Leistung.................................................... 48
1.5 Energetische Größen des Schallfeldes ........................................................... 50
1.5.1 Ebenes Wellenfeld.............................................................................. 51
1.5.2 Kugelwellenfeld ................................................................................. 52
1.6 Zeitliche und spektrale Darstellung von Schallfeldgrößen............................ 53
1.6.1 Periodischer Zeitverlauf ..................................................................... 55
1.6.2 Regelloser, stochastischer Zeitverlauf, allgemeines Rauschen .......... 57
1.6.3 Kurzzeitige Meßgrößenänderungen, Impulswirkung ......................... 63
1.6.4 Allgemeine Geräusche, Lärm............................................................. 71
1.7 Schallpegelgrößen ........... ..... ......................................................................... 72
1.7.1 Zusammenhang zwischen einer Schall intensitäts-bzw.
Schalldruckänderung und einer Pegeländerung ................................. 74
1.7.2 Pegeladdition, Summenpegel .................. ............................... ............ 77
1.73 Störpegel............... ................................... ............................... ............ 79
1. 7.4 Mittelwertbildung von verschiedenen, zeitlich konstanten Pegeln .... 80
1.7.5 Mittelwertbildung zeitabhängiger PegeL.......................................... 81
1.8 Literatur ......................................................................................................... 85
VIII Inhaltsverzeichnis
2 Entstehung und Abstrahlung von SchaU ...................................... 87
2.1 Schallentstehung bei einfachen Schallsendem .............................................. 88
2.1.1 Linienhafte Kontinua.......................................................................... 88
2.1.1.1 Schwingende Saiten .............................................................. 88
2.1.1.2 Schwingende Stäbe, Zungen ................................................. 88
2.1.1.3 Schwingende Ringe, Rohre ................................................... 90
2.1.1.4 Schwingende Gassäulen (Flüssigkeitssäulen) ....................... 93
2.1.2 Flächenhafte Kontinua ....................................................................... 95
2.1.2.1 Schwingende Membranen..................................................... 95
2.1.2.2 Schwingende Platten ............................................................. 98
2.2 Abstrahlung von KörperschalI, Abstrahlgrad .......... ...................................... 100
2.2.1 Kugelstrahler O-ter Ordnung .............................................................. 104
2.2.2 Kugelstrahler 1. Ordnung .................................................................. 110
2.2.3 Kugelstrahler 2. Ordnung ................................................................... 116
2.2.4 Kolbenstrahler ................................................................................... 118
2.2.5 Biegeelastische, unendlich große Platte bei Körperschallanregung ... 122
2.2.6 Koinzidenzeffekt .................................. .............................................. 130
2.3 Literatur ......................................................................................................... 136
3 Technische Geräusche und ihre Entstehung ............................... 137
3.1 Körperschall. .................................................................................................. 137
3.1.1 Stoß-und Schlaganregung.................................................................. 139
3.1.2 Periodische Anregung...................................... .................................. 140
3.1.3 Stochastische Anregung ..................................................................... 140
3.2 FluidschalI ..................................................................................................... 141
3.2.1 Aeropulsive Geräusche ....................................................................... 142
3.2.2 Geräuschentstehung infolge Wirbelbildung ................ ....................... 143
3.2.3 Geräuschentstehung durch Freistrahlen ............................................. 144
3.2.4 Geräuschentstehung in turbulenten Grenzschichten ........................... 146
3.3 Thermodynamische Geräusche ...................................................................... 149
3.4 Resonanztöne ................................................................................................. 149
3.5 Fluidschall bei allgemeinen Gasen und Flüssigkeiten ................................... 150
3.6 Literatur ......................................................................................................... 153
4 Physiologische Grundlagen des Hörens ......................................... 155
4.1 Menschliches Gehör...................................................................................... 155
4.2 Subjektive Lautstärke und Weber-Fechnersches Gesetz ............................... 158
4.3 Tonhöhenempfinden ...................................................................................... 163
4.4 Literatur ......................................................................................................... 164
Inhaltsverzeichnis IX
5 Objektive Lautstärke ............................................................................... 165
5.1 Frequenzbewerteter Schallpegel .................................................................... 165
5.2 Zeitbewerteter Schallpegel ............................................................................ 168
5.3 Berechnung und Beurteilung der Lautstärke breitbandiger Geräusche......... 169
5.3.1 Verfahren nach E. Zwicker (Frequenzgruppenverfahren) .................. 171
5.3.2 Verfahren von Stevens (Lautheitsbewertungsverfahren) ................... 173
5.4 Beurteilung der Lästigkeit von Geräuschen................................................... 175
5.4.1 NR-Verfahren ..................................................................................... 176
5.4.2 Perceived Noise Level........................................................................ 176
5.4.3 Beurteilungspegel ............................................................................... 178
5.5 Literatur......................................................................................................... 185
6 SchaUausbreitung im Freien ................................................................ 187
6.1 Punktschallquelle ................................... ................... ................... ............ ...... 187
6.2 Linien-und Flächenschallquellen .......... .............. .................. ...... .................. 192
6.3 Reflexionen bei der Schallausbreitung .................... ...................................... 202
6.4 Zusätzliche Pegelminderungen ................... ................. ......... ......................... 203
6.4.1 Pegelminderung durch Dämpfungseffekte ...... ...................... ............. 204
6.4.2 Pegelminderung durch Abschirmung im Freien.......... .......... ............. 207
6.5 Zusammenfassung und Beispiele ......................... ......................................... 219
6.6 Literatur ......................................................................................................... 225
7 SchaUausbreitung in geschlossenen Räumen .............................. 227
7.1 Eigenwerte, geometrische Reflexion, diffuses Schallfeld ............................. 228
7.2 Energiebetrachtung bei der Schallreflexion, Anpassungsgesetz ................... 233
7.3 Luftschalldämmung an ebenen Wänden endlicher Dicke, Massengesetz ..... 237
7.4 Luftschalldämmung von Doppelwänden aus biegeweichen Schalen ............ 258
7.5 Mittleres Schalldämmaß R, bewertetes Schalldämm-Maß Rw .................... 264
7.6 Luftschalldämpfung an ebenen Wänden, Poren-und Resonanzabsorbern .... 266
7.6.1 Porenabsorber ..................................................................................... 266
7.6.2 Resonanzabsorber ............................................................................... 273
7.7 Gesamtabsorption eines Raumes .................................. ........ ......................... 279
7.8 Schalldruckpegel des diffusen Schallfeldes ................................................... 282
7.9 Hallradius............................................... .... .................................................... 286
7. 10 Nachhallzeit ................................................................................................... 287
7.11 Hörsamkeit eines Raumes .............................................................................. 293
7.12 Schallabstrahlung eines diffusen Feldes ........................................................ 297
7.13 Semi-Diffusfeld, Bezugsschallquelle ............................................................. 305
7.14 Akustische Meßräume .................................. ............. .................................... 310
7.14.1 Reflexionsarme Schallmeßräume .................. .......... ........................... 310
7.14.2 Hallräume ........................................................................................... 311
7.15 Literatur ......................................................................................................... 313
X Inhaltsverzeichnis
8 Schalleistung .................................................................................................. 315
8.1 Schalleistung, eine invariante Größe............................................................. 315
8.2 Ermittlung des Schalleistungspegels nach dem Hüllflächenverfahren ...... .... 317
8.2.1 Messung unter Freifeldbedingungen .............. ........... ........ .... .... ..... .... 317
8.2.2 Messung in geschlossenen Räumen ................................................... 323
8.3 Ermittlung des Schalleistungspegels nach dem Hallraumverfahren .............. 326
8.4 Emissions-Schalldruckpegel am Arbeitsplatz ............................................... 328
8.5 Literatur ......................................................................................................... 330
9 Rohrleitungsgeräusche ............................................................................ 333
9.1 Einleitung ....................................................................................................... 333
9.2 Mathematische Behandlung der Rohrströmung ............................................ 334
9.3 Innere Schalleistung ...................................................................................... 340
9.4 Dämmung der Rohrwand ............................................................................... 342
9.5 Schallweiterleitung in der Rohrleitung .......................................................... 347
9.5.1 Dämpfung in geraden Rohrstrecken ................................................... 348
9.5.2 Dämpfung (Dämmung) an Formelementen ........................................ 352
9.5.3 Dämpfung (Dämmung) an der Austrittsöffnung ................................ 354
9.54 Dämpfung (Auft eilung) an Rohrverzweigungen ................................ 358
9.6 Schallabstrahlung an der Rohrwand, äußere Schalleistung ........................... 361
9.7 Rechenbeispiel ............................................................................................... 363
9.8 Literatur ......................................................................................................... 368
Anhang 371
Al Herleitung einiger Wellengeschwindigkeiten in festen Körpern ................... 371
A2 Gruppengeschwindigkeit ............................................................................... 371
Verzeichnis der Formelgrößen ................................................................... 375
Sachwortverzeichnis ......................................................................................... 385
1 Theoretische Grundlagen des Schallfeldes
1.1 Einleitung
In einem unendlich ausgedehnten gasförmigem Medium, z.B. Luft, mit dem Druck Po,
der Dichte Po und der Temperatur To im Ruhezustand pflanzt sich eine örtlich begrenzte,
zeitlich veränderliche Störung des Gleichgewichtes in freien Wellen fort. Da Gase nur
sehr kleine Schubkräfte übertragen können und auch keine freien Oberflächen besitzen,
erfolgt diese Fortpflanzung nur in Form von Längswellen. Dabei schwingen örtlich die
Gasteilchen in der Fortpflanzungsrichtung hin und her, wobei gegenüber dem Ruhedruck
Po sehr kleine Druckschwankungen auftreten. Diese Druckschwankungen werden vom
menschlichen Ohr empfangen und können als Schall wahrgenommen werden. In Anleh
nung an das menschliche Hörvermögen wird in der Technik der akustische Frequenzbe
reich von 16 Hz bis 20 kHz festgelegt. Schall kann sich aber auch in Flüssigkeiten und
festen Körpern fortpflanzen. In diesen Fällen spricht man dann von Flüssigkeits- bzw.
Körperschall. Die Schallausbreitung in Flüssigkeiten erfolgt in ähnlicher Weise wie bei
Gasen in Längswellen. Bei festen Körpern können erheblich größere Schubspannungen
übertragen werden, wodurch andere Wellenformen auftreten.
1.2 Schallfeldgrößen und Schallfelder
Kommt es in einem Raum zu einem Schallereignis, so führen die Gasteilchen Schwin
gungen aus, die zu dem sog. Schalldruck oder auch Schallwechseldruck p führen. Die
Geschwindigkeit, mit der die Teilchen hin und her schwingen, wird Schallschnelle v
genannt. Beide Größen sind Schallfeldgrößen des sog. Schallfeldes, in dem sich die Stö
rung ausbreitet. Der Wechseldruck ist eine skalare Größe. Im Gegensatz dazu hat die
Schnelle als kinematische Feldgröße Vektorcharakter. Beide Größen sind von der Zeit
und vom Ort abhängig. Das Schallfeld ist ausreichend beschrieben, wenn man an jeder
Stelle des Mediums zu jedem Zeitpunkt den Wechseldruck und die Schnelle für die drei
Raumrichtungen kennt. Ein räumliches Wellenfeld liegt vor, wenn die Ausbreitung in
allen Richtungen, ein ebenes Wellenfeld, wenn sie nur in einer Richtung erfolgt, und die
Feldgrößen in Ebenen senkrecht dazu konstant sind.
1.2.1 Lineares Wellenfeld
Ein lineares Wellenfeld baut sich in einem unendlich langen Rohr nach einer Störung
auf, wenn der Durchmesser d klein gegen die Wellenlänge der sich im Rohr fortpflan
zenden Störungen ist. Die Schwingung sei als klein angenommen, so daß auch die Feld
größen p und v, wobei letztere nur in Richtung der Rohrachse wirkt, kleine Größen dar
stellen. Sie sind von der Zeit t und der Ortskoordinate x auf der Rohrachse abhängig. Ein
H. Henn et al., Ingenieurakustik
© Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig/Wiesbaden 1999