Praktische Maschinenakustik (eBook)

Professor Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Franz Kollmann war nach Studium des Maschinenbaus und Promotion in München mehrere Jahre verantwortlich in der Industrie tätig. Nach Berufung als ordentlicher Professor für Maschinenelemente an der Technischen Universität Braunschweig wurde er ordentlicher Professor für Maschinenelemente und Maschinenakustik an der Technischen Universität Darmstadt sowie Gastprofessor an der Cornell University, Ithaca, USA. Seit 1991 ist Prof. ProfessorKollmann ordentliches Mitglied der Akademie der Wissenschaften und der Literatur in Mainz. Professor Dr.-Ing. Roland Angert hat Allgemeinen Maschinenbau an der TU Darmstadt studiert und dort promoviert. Nach mehrjähriger Industrietätigkeit ist Dr. Angert Professor im Fachbereich Maschinenbau an der Fachhochschule Darmstadt. Dr.-Ing. Thomas F. Schösser studierte Allgemeinen Maschinenbau an der TU Darmstadt und promovierte dort. Er ist Gründer und Inhaber der Firma TFS Technische Akustik. Seit dem Jahr 2000 ist Dr. Schösser an der Technischen Akademie Esslingen als Referent tätig.

Vorwort 5
Inhaltsverzeichnis 7
1 Grundlegende maschinenakustische Begriffe 11
1.1 Allgemeines 11
1.2 Direkte und indirekte Schallabstrahlung 13
1.3 Pegelrechnung 14
1.5 Admittanz und Impedanz 22
1.6 Berechnungen mit komplexen Zahlen 24
1.7 Effektivwerte 27
2 Frequenzanalyse von Zeitsignalen 31
2.1 Frequenzanalyse harmonischer Zeitsignale 31
2.2 Fourier-Reihen periodischer Zeitsignale 33
2.3 Fourier-Transformation 37
2.4 Diskrete Fourier-Transformation 41
2.5 Eigenschaften der Fourier-Transformation 43
3 Dämpfung von Körperschall 47
3.1 Physikalische Dämpfungsmechanismen 47
3.2 Das Kelvin-Voigt-Modell 50
3.3 Dämpfende Beläge 56
4 Das Körperschallverhalten einfacher Strukturen 65
4.1 Der Einmasseschwinger 66
4.2 Biegeschwingungen von Rechteckplatten 75
4.3 Das Körperschallmaß 89
4.4 Abschätzverfahren für das Körperschallmaß 93
4.5 Auswirkung von Rippen auf das Körperschallmaß 104
5 Abstrahlung von Luftschallwellen 109
5.1 Luftschallwellen 109
5.2 Der Abstrahlgrad 110
5.3 Der Kugelstrahler 112
5.4 Die Kolbenmembran 115
5.5 Die Abstrahlung rechteckiger Platten 117
6 Abkopplung von Körperschall 133
6.1 Maschinendynamisches Modell der Abkopplung 134
6.2 Maschinenakustisches Modell der Abkopplung 135
7 Maschinenakustische Grundgleichung 141
8 Finite Elemente für die Berechnung von Körperschallfeldern 145
8.1 Grundlagen der Finiten Elemente 145
8.2 Das Verfahren der Numerischen Modalanalyse 155
8.3 Ein Beispiel für eine FEM-Berechnung 160
9 Numerische Berechnung abgestrahlter Luftschallfelder 163
9.1 Grundlagen des äußeren Abstrahlproblems 163
9.2 Akustische Finite Elemente Methode für endliche Außengebiete 166
9.3 Infinite ellipsoidale Elemente nach Burnett 169
9.4 Randelemente 178
9.5 Vergleich von Methoden zur Berechnung von Abstrahlproblemen 184
10 Grundlagen der maschinenakustischen Meßtechnik 189
10.1 Zielsetzungen maschinenakustischer Messungen 189
10.2 Maschinenakustisch relevante Meßgrößen 189
10.3 Die allgemeine maschinenakustische Meßkette 192
10.4 Sensoren 193
10.5 Meßdatenerfassung 224
10.6 Fehlerursachen maschinenakustischer Messungen 248
11 Meß- und Auswerteverfahren 251
11.1 Schwingungsanregung technischer Strukturen 253
11.2 Geräte für die Schwingungsanregung 259
11.3 Ordnungsanalyse 268
11.4 Experimentelle Modalanalyse 278
11.5 Betriebsschwingformanalyse 296
11.6 Meßmethoden für die Luftschalleistung 298
12 Methoden für die Entwicklung lärmarmer Maschinen 317
12.1 Einführung 317
12.2 Anforderungen an konstruktive Maßnahmen zur Lärmminderung 318
12.3 Werkzeuge für die Entwicklung lärmarmer Maschinen 319
12.4 Methodisches Vorgehen beim Ableiten und Umsetzen von Maßnahmen zur Lärmminderung 323
12.5 Allgemeine Maßnahmen für die Lärmminderung von Maschinen 327
12.6 Regeln für die Minderung von Schall 329
13 Ableitung von Maßnahmen zur Minderung von Geräuschen 337
13.1 Anforderungen an konstruktive Maßnahmen 338
zur Minderung von Geräuschen 338
13.2 Schallentstehungskette 339
13.3 Reduktion der Schallanregung 340
13.4 Reduktion der Schallübertragung 345
13.5 Reduktion der Schallabstrahlung 348
13.6 Ein einfaches, systematisches Beispiel 348
13.7 Typische Anregungs- und Resonanzfrequenzen 359
Literatur 363
Sachverzeichnis 367

11 Meß- und Auswerteverfahren (S. 241-242)

Zielsetzung und Inhalt dieses Kapitels:

– Systematische Einordnung von Meß- und Auswerteverfahren
– Schwingungsanregung technischer Strukturen (Abschn. 11.1)
– Geräte für die Anregung von Schwingungen (Abschn. 11.2)
– Ordnungsanalyse (Abschn. 11.3) ,
– Experimentelle Modalanalyse (Abschn. 11.4)
– Betriebsschwingformanalyse (Abschn. 11.5)
– Methoden für die Messung der Luftschalleistung (Abschn. 11.6)

In den vergangenen Jahren sind die akustischen und schwingungstechnischen Anforderungen an Maschinen und Fahrzeuge kontinuierlich gestiegen. Dies steht einerseits in Zusammenhang mit gesetzlichen Vorgaben sowie der erhöhten Erwartungshaltung der Kunden. Andererseits werden die meisten Komponenten aktueller Produkte bereits hinsichtlich ihrer akustischen Eigenschaften optimiert. Die Beseitigung einer bisher dominanten Geräuschquelle läßt häufig andere, bisher weniger relevante Geräuschquellen in denVordergrund rücken. Hieraus resultieren neue Aufgabenstellungen mit erhöhten Anforderungen. Diese Anforderungen können nur unter Einsatz aktueller Meß- und Auswertungsverfahren erfüllt werden.

Der Markt bietet eine recht unübersichtliche Vielfalt an experimentellen Werkzeugen (Meßsysteme und Softwarepakete) an. Eine nicht zu unterschätzende Aufgabe des Akustikingenieurs besteht deshalb darin, eine problemangepaßte Meß- und Auswertungsstrategie zu formulieren sowie geeignete experimentelle Werkzeuge auszuwählen, mit denen eine schnelle, zuverlässige und kostengünstige Lösung der Aufgabenstellung erreicht werden kann.

Die Meß- und Auswertungsverfahren lassen sich nach unterschiedlichen Kriterien ordnen:

Anregung / Körperschall / Luftschall

Entsprechend der Maschinenakustischen Grundgleichung besteht die Schallentstehungskette aus den Gliedern Anregung, Körperschallfeld, Luftschallfeld.

– Die im Betriebszustand wirkenden Anregungskräfte lassen sich an einer Maschine kaum messen, weil die Anregung selten an de.nierten, gut zugänglichen Stellen erfolgt, in die Sensoren eingebaut werden könnten. Häu.g erfolgt die Anregung über größere Kontakt.ächen oder mehrere Verbindungselemente, so daß keine de.nierten Kräfte und Momente, sondern meßtechnisch nicht direkt zugängliche Flächenlasten wirksam sind. Auch bei Zugänglichkeit der realen Anregungsstellen verändert der Einbau von Sensoren in der Regel die Struktureigenschaften des Untersuchungsobjekts. Eine Ausnahme bilden die in Abschn. 10.4.3 beschriebenen Dehnungsmeßstreifen (DMS), wobei die Anregungskräfte indirekt durch das Messen von Dehnungen erfaßt werden können. Häufig angewendet wird die Kraftmessung bei Fremderregung von Untersuchungsobjekten. Hierbei werden Anregungskräfte an de.nierten Anregungsorten und Richtungen in die Struktur eingeleitet und meßtechnisch erfaßt.

– Wie in Kap. 13 erläutert, stellt ein Eingriff in das Körperschallverhalten einer Maschine meistens die ef.zienteste Maßnahme zur Lärmminderung dar. Deshalb werden von der Mehrheit der Meß- undAnalyseverfahrenKörperschallmeßgrößen verarbeitet. Vereinfacht ausgedrückt besteht das Ziel dieser Meß- und Auswertungsverfahren darin, dem Anwender aufzuzeigen, in welchen Betriebs- oder Anregungszuständen auf welchen Strukturbereichen hohe Körperschallamplituden auftreten. Diese Ergebnisse erlauben Rückschlüsse auf die Ursache des Problems bzw. eine Beurteilung der maschinenakustischen Qualität / Eigenschaft des Untersuchungsobjekts.

– Die Messung und Auswertung von Luftschallfeldgrößen ist deshalb wichtig, weil sie häu.g das relevante Beurteilungskriterium für die akustische Qualität des Untersuchungsobjekts darstellen. Zu beachten ist, daß die Messung des örtlichen Schalldruckes stark von den Umgebungseigenschaften der untersuchten Struktur abhängt und praktisch nur unter de.nierten Raumeigenschaften sinnvoll ist. Eine objektive, von den Raumeigenschaften weitgehend unabhängige Meßgröße ist die von einer Maschine abgestrahlte, aktive Schalleistung. Sie kann durch Schallintensitätsmessungen ohne besondere Anforderung an den Meßraum erfaßt werden.Auch erlaubt die Schallintensitätsanalyse Rückschlüsse auf die lokaleAbstrahleigenschaft des Untersuchungsobjekts und auf die Körperschallverteilung. Die Schallintensitätsmeßtechnik kann für die Identi.kation dominanter (Teil-) Schallquellen genutzt werden.