Ingenieurakustik: Grundlagen Anwendungen Verfahren

398 Pages·2001·10.84 MB·German

by  Dr.-Ing. Hermann Henn

Rermann Renn
Gholam Reza Sinambari
Manfred Fallen
Ingenieurakustik
Aus dem Programm _____________ __..
Naturwissenschaftliche Grundlagen
Das Vieweg Einheiten-Lexikon
von P. Kurzweil
Einführung in die Strömungsmechanik
von K. Gersten
Die Erforschung des Chaos
von J. Argyris, G. Faust und M. Haase
Ingenieurakustik
von R. Renn, G. R. Sinambari und M. Fallen
Grundzüge der Physik
von R. Strehlow
Das Techniker Handbuch
von A. Böge (Hrsg.)
Vieweg Lexikon Technik
von A. Böge (Hrsg.)
Vieweg Handbuch Elektrotechnik
von W. Böge (Hrsg.)
Handbuch Vakuumtechnik
von M. Wutz, H. Adam, W. Waleher und K. Jousten
vievveg ________________________________ _
Rermann Renn
Gholam Reza Sinambari
Manfred Fallen
Ingenieurakustik
Grundlagen
Anwendungen
Verfahren
3., durchgesehene Auflage
Mit 249 Abbildungen und 36 Tabellen
aI
vleweg
Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme
Ein Titeldatensatz für diese Publikation ist bei
Der Deutschen Bibliothek erhältlich.
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.-lng. 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.
Dr.-lng. 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
3., durchgesehene Auflage April 2001
Alle Rechte vorbehalten
© Springer Fachmedien Wiesbaden 2001
Ursprünglich erschienen bei Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH,Braunschweig/Wiesbaden,2001
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die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen.
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Technische Redaktion und Layout: Hartmut Kühn von Burgsdorff
Konzeption und Layout des Umschlags: U1rike Weigel, www.CorporateDesignGroup.de
Gedruckt auf säurefreiem Papier
ISBN 978-3-528-28570-8 ISBN 978-3-322-96952-1 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-322-96952-1
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Vorwort
Die 2. Auflage erschien 1999 als aktualisierte Ausgabe des 1984 veröffentlichten Buches
INGENIEURAKUSTIK. Diese ist bei den Lesern so gut aufgenommen worden, daß wir
heute die durchgesehene dritte Auflage vorstellen können. Dafür wurde der Neusatz der
zweiten Auflage sorgfältig durchgesehen und korrigiert. Der Schwerpunkt liegt nach wie
vor 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 Lärmrninderung 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 Lärrnredu
zierung notwendig, da einerseits stets höhere akustische und schwingungs technische
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. 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. (FH) Udo Thorn maßgeblich mit
gewirkt, wofür die Autoren sich herzlich bedanken.
Bingen, Frankenthai und Kaiserslautern, im Mai 200 I 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 (Körperschall) .................................. . 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 Schallintensitäts-bzw.
Schalldruckänderung und einer Pegeländerung ................................ . 74
1.7.2 Pegeladdition, Summenpegel ............................................................ . 77
1.7.3 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 Schall...................................... 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 Körperschall, 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 Fluidschall ..................................................................................................... 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 Schallausbreitung im Freien ................................................................ 187
6.1 Punktschallquelle .. ........... ....... .................... ....... ........ ........... ... ... ..... ........ ...... 187
6.2 Linien-und Flächenschallquellen .................................................................. 192
6.3 Reflexionen bei der Schallausbreitung .......................................................... 202
6.4 Zusätzliche Pegel minderungen ......................... .................. ............. .............. 203
6.4.1 Pegelminderung durch Dämpfungseffekte ........................ ......... ........ 204
6.4.2 Pegelminderung durch Abschirmung im Freien ................................. 209
6.5 Zusammenfassung und Beispiele................................................................... 220
6.6 Literatur. ....................................................................................... ................. 226
7 Schallausbreitung 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 Resonanzabsorbem .... 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 (Aufteilung) 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