Taschenbuch der Technischen Akustik

693 Pages·1994·16.64 MB·German

by  M. Heckl (auth.), Prof. Dr. rer. nat. Manfred Heckl, Dipl.-Phys. Helmut A. Müller (eds.)

Taschenbuch
der
Technischen
Akustik
Zweite Auflage
mit 495 Abbildungen
Herausgegeben von
M. Heck! . H. A. Muller
Springer-Verlag
Berlin Heidelberg New York
London Paris Tokyo
Hong Kong Barcelona Budapest
Prof. Dr. rer. nat. Manfred Heckl
Institut flir Technische Akustik, Technische Universitat Berlin
Einsteinufer 27
10587 Berlin
Dipl.-Phys. Helmut A. Muller
BBM-Schalltechnisches Beratungsbiiro Robert-Koch-Stral3e 11
82152 Planegg
Korrigierter Nachdruck 1995
ISBN-13: 978-3-642-97357-4 e-ISBN-13: 978-3-642-97356-7
001: 10.1007/978-3-642-97356-7
CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek:
Taschenbuch der technischen Akustik / hrsg. von M. Heckl ; H.A. Miiller - 2. Aufi. - Berlin; Heidelberg;
New York; London; Paris; Tokyo; Hong Kong; Barcelona; Budapest; Springer, 1994
ISBN-13: 978-3-642-97357-4
NE: Heckl, Manfred [Hrsg.]
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© Springer-Verlag Berlin, Heidelberg 1975, 1994
Softcover reprint of the hardcover 2nd edition 1994
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Vorwort zur zweiten Auflage
Das Taschenbuch der Technischen Akustik soli einen breiten Interessentenkreis in schalltechnischen
Fragen rasch und zuverlassig informieren. Es wendet sich nicht nur an Spezialisten und Studenten der
Technischen Akustik, sondern auch an Ingenieure aller Fachrichtungen, die z.B. im Maschinen- und
Anlagenbau, Verkehrs-und Bauwesen, mit Fragen der Larmminderung befaBt sind.
We.~en der wachsenden Bedeutung des Umweltschutzes behandeln zahlreiche Beitrage die Entste
hung, Ubertragung, Dammung, Messung und Bewertung von Luft-und Kiirperschall; zugleich werden
die elektroakustischen, raumakustischen und hiirphysiologischen Fragen ausfiihrlich dargestellt.
Ebenso wie bei der ersten Auflage wurde Wert darauf gelegt, neben den Grundlagen der Technischen
Akustik und ihrer Teilgebiete eine miiglichst groBe Anzahl von Materialdaten, Erfahrungswerten,
wichtigen MeBergebnissen, erprobten Naherungsformeln, gebriiuchlichen Richtwerten usw. aufzunehm\!n.
Auf diese Weise soli erreicht werden, daB der Leser dem Buch die allgemeinen Zusammenhange
entnehmen kann und zugleich - ohne zeitraubendes Literaturstudium - diejenigen Daten findet, die er
zur Liisung praktischer Probleme braucht. Es wurde eine miiglichst einheitliche Terminologie sowie die
durchgehende Anwendung der genormten Formelzeichen und der internationalen Einheiten angestrebt.
Die Einteilung des Stoffes ist ahnlich wie in der ersten Auflage. Es wurden jedoch aile Beitrage auf den
neuesten Stand gebracht. Kapitel iiber Numerische Methoden in der Akustik, iiber die Geriiusche von
Metall-und Holzbearbeitungsmaschinen sowie iiber Aktive Liirmminderung (Antischall) wurden neu
aufgenommen.
Der Dank der Herausgeber gilt vor allem den Autoren, die sich neben ihrer beruflichen Arbeit der
miihsamen Aufgabe unterzogen haben, ihre Spezialgebiete in miiglichst umfassender, doch gedriingter
Form darzustellen.
Die Herausgeber hoffe n, daB sich das Taschenbuch der Technischen Akustik bei der taglichen Arbeit
als eine niitzliche Hilfe erweist. Berlin und Miinchen, im Januar 1994.
M. Heckl H.A. Miiller
Inhaltsverzeichnis
1. Physikalische Grundlagen von M. Heck)
1.1 Einleitung
1.2 MeBgriiJ3en
1.2.1 Schall in Gasen und Fliissigkeiten (s. Tabelle 1.3) 1
1.2.1.1 Zeit-und Frequenzverlauf des Schalldrucks 1
l.2.1.2 Zeit-und Frequenzverlauf der Schallschnelle 3
l.2.1.3 Intensitiit, Leistung, Impedanz . . . . . 3
1.2.1.4 Schallausbreitungsgeschwindigkeit, Wellenliinge 5
1.2.2 Schall in Festkiirpern (Kiirperschall) 8
1.2.2.1 Die verschiedenen Wellentypen 8
l.2.2.2 Schallermiidung 10
1.3 Grundgleichungen 11
l.3.1 Luftschall und Fliissigkeitsschall 11
l.3.2 Kiirperschall 13
1.4 Abstrahlung 14
1.4.1 Luftschall und Fliissigkeitsschall 14
1.4.2 Kiirperschall 17
1.5 Schallausbreitung 18
1.5.1 Brechung 18
1.5.2 Streuung 18
1.6 Reflexion von Schall wellen (Spiegelung) 20
1.7 Diimpfung 21
1.8 Schall in begrenzten Rliumen (stehende Wellen) 21
1.9 Literatur 24
2. Akustische Me8technik von M. Moser 26
2.1 Einleitung 26
2.2 MeBgriiJ3en 26
2.3 MeBgeriite 27
2.3.1 Allgemeine Anforderungen 27
2.3.2 Mikrophone 27
2.3.3 Kiirperschallaufnehmer 31
2.4 Zeitverlauf und Spektrum . . 33
2.4.1 Charakterisierung von Zeitverliiufen 33
2.4.2 Spektralanalyse 34
2.4.3 Schmal band-(FFT-) Analyse 36
2.5 Spezielle Luftschallmessungen 39
2.5.1 Messung von Schalldruckpegeln 39
2.5.2 Schalleistungsmessung 39
2.5.3 Messung der Schalldiimmung 40
2.5.4 Messung der Absorptionsfliiche im Hallraum 41
2.5.5 Messungen im Kundtschen Rohr 41
2.6 Spezielle Kiirperschallmessungen 42
2.6.1 Messung von Kiirperschallpegeln 42
2.6.2 Messung von Materialdaten 42
2.6.3 Modalanalyse 44
2.7 Literatur 46
VIII Inhaltsverzeichnis
3. Numerische Methoden in der Technischen Akustik
von M. Ochmann und M. Heckl 48
3.1 Einleitung 48
3.2 Fourierreihen 48
3.2.1 Fourierreihen im Zeitbereich 48
3.2.2 Fourierreihen im Ortsbereich (akustische Holographie) 49
3.3 Methode der finiten Elemente (FEM) 51
3.3.1 Resonanzfrequenzen und Schwingungsformen 51
3.3.2 Erzwungene Bewegungen 55
3.4 Randelementmethode (BEM) 55
3.4.1 Berechnung der Schallabstrahlung 55
3.4.1.1 Auswahl der Elemente 59
3.4.1.2 Behandlung von Singularitaten 59
3.4.2 Berechnung der Streuung 59
3.5 Residualmethoden zur Berechnung der Schallabstrahlung 60
3.5.1 Multipolstrahlersynthese 60
3.5.1.1 Multipole mit gleichem Ursprung 61
3.5.1.2 Multipole mit verschiedenem Ursprung 61
3.5.1.3 Wahl der Gewichtsfunktion 61
3.5.2 Verwandte Methoden 63
3.5.3 Vergleich der verschiedenen Methoden zur Behandlung von akustischen
Abstrahl-und Streuproblemen 63
3.6 Schallfelder in inhomogenen Medien 63
3.6.1 Geometrische Akustik, Schallstrahlenberechnung 64
3.6.2 Weitere Methoden 65
3.6.2.1 WKB-Methode 65
3.6.2.2 Parabolische Gieichung 65
3.6.2.3 Gaussian Beam Method 66
3.7 Prognoseverfahren fiir Spezialfa]le 66
3.8 Literatur 66
4. Schallwirkungen beim Menschen und Fragen des GehOrschutzes
von B. Griefahn und G. Jansen 69
4.1 Einleitung 69
4.2 Anatomie des Ohres 69
4.3 Funktion des Gehiirorgans 71
4.3.1 Luftleitung 71
4.3.2 Knochenleitung 72
4.4 Leistungsbereich des Ohres 72
4.4.1 Leistungsgrenzen 72
4.4.2 Bewertung von Unterschieden 73
4.4.3 Richtungshoren 73
4.5 Scha11traumatische Horschiiden 73
4.5.1 Akute Horverluste 73
4.5.2 Die Liirmschwerhorigkeit 74
4.5.3 Das Horen des Liirmschwerhorigen 75
4.5.4 Beurteilung der Liirmschwerhorigkeit 75
4.5.5 Hiiufigkeit und Risiko 76
4.6 Technischer und personlicher Schallschutz 77
4.6.1 Wirkung von Gehorschutzmitteln 77
4.6.2 Kriterien fiir die Auswahl von Gehorschiitzern 78
4.6.3 Die einzelnen Gehorschutzmittel 79
4.7 Extraaurale Schallwirkungen 80
4.7.1 Vegetative Schallwirkungen 81
4.7.2 Psychosoziale Wirkungen 82
4.7.3 Schlafstorungen 83
4.8 Literatur 84
Inhaltsverzeichnis IX
5. Beurteilung von Geriiuschimmissionen (Vorschriften - Normen
Richtlinien) von D. Gottlob und R. Kurer 86
5.1 Einleitung 86
5.2 Beurteilungsgrundlagen 86
5.2.1 Momentane Geriiuschstiirke 86
5.2.2 Mittelwerte 88
5.2.3 Perzentilpegel 89
5.2.4 Mittlerer Maximalpcgel 89
5.2.5 Beurteilungspegel 89
5.2.6 Immissionswerte 90
5.2.7 Ermittlung der Geriiuschbclastung 91
5.3 Spezielle Beurteilungsverfahren 91
5.3.1 Lautheitspegel, Lautheit 91
5.3.2 Berechnete Lautheit nach Zwicker 92
5.3.3 Perceived Noise Level nach Kryter 93
5.3.4 Noise-rating Kurven 94
5.3.5 Frequenzbewertungskurven 95
5.3.6 Sprachverstiindlichkeit 97
5.3.7 Bewertung tieffrequenter Geriiuschc im Immissionsschutz 102
5.4 Quellenbezogene Beurteilungsverfahren 103
5.4.1 Stra13enverkehr 103
5.4.1.1 Beurteilungsgro13en 103
5.4.1.2 Rechnerische Ermittlung der Belastung 104
5.4.1.3 Messung von Stra13enverkehrsgeriiuschen 104
5.4.1.4 Stadtebauliche Planung an Stra13en 104
5.4.1.5 Liirmschutz an Stra13en 105
5.4.1.6 Baulicher Schallschutz 106
5.4.2 Schienenverkehr 109
5.4.2.1 Beurteilungsgro13en 109
5.4.2.2 Rechnerische Ermittlung der Belastung 109
5.4.2.3 Stiidtebauliche Planung an Schienenwegen 110
5.4.2.4 Liirmschutz an Schienenwegen 110
5.4.2.5 Baulicher Schall schutz 110
5.4.3 Luftverkehr 110
5.4.3.1 Beurteilungsgro13en 110
5.4.3.2 Rechnerische Ermittlung der Flugliirmbelastung nach dem
Flugliirmgesetz 111
5.4.3.3 Me13technische Ermittlung der Flugliirmbelastung nach DIN 45643 111
5.4.3.4 Stiidtebauliche Planung und baulicher Schallschutz 112
5.4.4 Industrie-, Gewerbe-und Freizeitanlagen 112
5.4.4.1 Beurteilungsgro13en 112
5.4.4.2 Me13technische Ermittlung der Be1astung 113
5.4.4.3 Stiidtebauliche Planung 116
5.4.4.4 Errichtung und Betrieb von Anlagen 116
5.4.4.5 Baulicher Schallschutz 117
5.4.5 Arbeitsplatz 117
5.4.5.1 Beurteilungsgrof3en 117
5.4.5.2 Messung der Gerauschimmissionen 118
5.4.5.3 Beurteilung der Gerauschimmissionen 118
5.4.6 Haustechnische Anlagen 119
5.4.6.1 Beurteilungsgro13en 119
5.4.6.2 Anfordcrungen an haustechnische Anlagen 119
5.4.6.3 Anforderungen an raumliiftungstechnische Anlagen 120
5.5 Literatur 122
6. Messung und Beurteilung der Geriiuschemission (Normen - Richtlinien-
Gesetze) von G. Hubner 126
6.1 Einleitung 126
6.2 Kennzeichnende physikalische Grof3en 126
X InhaItsverzeichnis
6.2.1 Einleitung 126
6.2.2 Schalleistung, Schalleistungspegel, A-Sehalleistungspegel,
Band-Sehalleistungspegel 127
6.2.2.1 Da:rstellung der Sehalleistung einer Gerauschquelle unter
Freifeldbedingungen 127
6.2.2.2 Darstellung der Sehalleistung einer Gerauschquelle unter
angenaherten Freifeldbedingungen und bei Anwesenheit
von Fremdgerausehen 129
6.2.2.3 Darstellung der Sehalleistung einer Gerauschquelle unter
Hallraumbedingungen 130
6.2.2.4 Darstellung der Schalleistung einer Gerauschquelle durch
KorperschallgroBen 130
6.2.3 MeBftaehen-Sehalldruekpegel, MeBftaehenmaB 13l
6.2.4 Erganzende Kennzeiehnung stark zeitlieh oder stark ortlieh schwankender
Gerauschemission 131
6.2.5 Weitere KenngroBen 133
6.3 Die Messung der KenngroBen 134
6.3.1 Einleitung 134
6.3.2 Ra:hmenmeBvorsehriften 135
6.3.2.1 Allgemeines 135
6.3.2.2 Die Hiillftaehen-Schall&uek-Messung unter angenaherten
Freifeldbedingungen 137
6.3.2.3 Die Messung unter Hallfeldbedingungen (Hallraumverfahren) 141
6.3.2.4 Die Messung mit Hilfe einer Vergleichssehallquelle 144
6.3.2.5 Die Sehallintensitatsmessung 144
6.3.2.6 Die Messung in iibliehen Masehinenaufstellungsraumen oder im
Freien ("in situ") 147
6.3.2.7 Vergleichbare Gerausehemissionswerte 148
6.3.3 MeBvorschriften fiir spezielle Masehinenarten und Fahrzeuge - erganzende
Festlegungen iiber Betriebs-und Aufstellungsbedingungen 149
6.4 Gerausch-Emissions-Angaben und -Klassifizierung 149
6.5 Literatur 151
7. Geriusche elektrischer Maschioeo von G. Hubner 160
7.1 Schallentstehung bei rotierenden elektrischen Maschinen 160
7.1.1 Magnetisehe Gerausehe 160
7.1.1.1 Das Luftspaltfeld und die hiervon ausgehenden Wechselkrafte 161
7.1.1.2 Das mechanische Sehwingungsverhalten der rotierenden
elektrischen Maschine und die Berechnung ihrer erzwungenen
Schwingungen 165
7.1.1.3 Die Sehallabstrahlung 168
7.1.2 Aerodynamische Gerausche 169
7.1.3 Lager-und Biirstengerausehe 171
7.1.4 Sekundare MaBnahmen zur Gerausehminderung 173
7.1.5 GerauschmeBvorsehrift und Gerausehgrenzwerte 174
7.2 Sehallentstehung bei Transformatoren 176
7.2.1 Magnetisehe Gerausche 176
7.2.2 GerausehminderungsmaBnahmen 178
7.3 Literatur 179
8. Schalleotstehuog uod Schallmioderuog bei Diesel-uod Ottomotoreo
von M. Heck} 182
8.1 Einleitung 182
8.2 Auspuffgerausch 182
8.2.1 Entstehungsmeehanismen 182
8.2.2 Miindungsgerausch und seine Minderung durch Schalldiimpfer 184
8.2.3 Abstrahlung yom Auspuffstrang 186
8.3 Ansauggerausch 186
8.4 Kiihlliifter 187
Inhaltsverzeichnis XI
8.5 Schallabstrahlung yom Motorblock 187
8.5.1 Verbrennung . 187
8.5.2 Kolbenkippen 189
8.5.3 Unwuchtkriifte 190
8.5.4 Sonstige Schallquellen 190
8.5.5 Erfahrungsformeln flir Motorgeriiusche 190
8.6 SchallschutzmaBnahmen 192
8.6.1 Primiirer Schallschutz 192
8.6.2 Sekundiirer Schallschutz 192
8.7 Literatur 193
9. Stromungsgerausche von B. Stiiber, Ch. Miihle und K.R. Fritz 195
9.1 Einleitung . . . . . . . . . 195
9.2 Schallentstehung durch Stromungen 195
9.2.1 Quellterme .... . 195
9.2.2 Kavitation .... . 195
9.2.2.1 Kavitationseinsatz 196
9.2.2.2 Kavitationsformen 198
9.2.2.3 Theoretische Behandlung 198
9.2.2.4 Kavitierende Diisen 199
9.2.2.5 Geriiuschminderung 200
9.2.3 Angestromte Kreiszylinder 201
9.2.3.1 Beschreibung des Stromungsfeldes 202
9.2.3.2 Schallentstehung (Hiebtonbildung) 203
9.2.3.3 Berechnung der Schallabstrahlung 204
9.2.3.4 Geriiuschminderung 205
9.2.4 Turbulenter Freistrahl 206
9.2.5 Turbulente Grenzschicht 207
9.3 Rohrleitungen . . . . . . 208
9.3.1 Schallabstrahlung in die Rohrleitung . 208
9.3.2 Schalleistung der Rohrleitung 209
9.3.3 Innerer Schalleistungspegel und Schalldruckpegel 210
9.3.4 Schallpegelabnahme in Rohrleitungen 210
9.3.4.1 Anregung durch Luftschall . . . . . 210
9.3.4.2 Anregung durch Fliissigkeitsschall 211
9.3.5 Schallpegelabnahme auf Rohrleitungen bei Korperschallanregung 211
9.3.6 Schalldiimmung . . . . 212
9.3.6.1 KreisfOrmige Rohre 212
9.3.6.2 Rechteckkaniile 213
9.3.7 AbstrahlmaBe 213
9.3.7.1 Kreisformige Rohre 213
9.3.7.2 Rechteckkaniile 214
9.3.8 Schalldiimmende Ummantelung von kreisformigen Rohren 214
9.4 Ventilatoren 215
9.4.1 Kennzeichnung . . . . . . . . . . . . 215
9.4.2 Schallentstehung .......... . 217
9.4.3 Niiherungsweise Berechnung der Schallabstrahlung 219
9.4.4 Geriiuschminderung ....... . 221
9.5 Pumpen .............. . 223
9.5.1 Beschreibung der wichtigsten Pumpenarten. 223
9.5.2 Schallentstehung ........ . 225
9.5.2.1 Hydrostatische Pumpen 225
9.5.2.2 Hydrodynamische Pumpen (Kreiselpumpen) 227
9.5.3 Niiherungsweise Berechnung der Schallabstrahlung 227
9.5.3.1 Hydrostatische Pumpen 227
9.5.3.2 Hydrodynamische Pumpen 229
9.5.4 Geriiuschminderung ..... 230
9.5.4.1 Hydrostatische Pumpen 230
9.5.4.2 Hydrodynamische Pumpen (Kreiselpumpen) 231
9.5.4.3 MaBnahmen am Leitungssystem 231
XII Inhaltsverzeichnis
9.6 Verwirbelte Ausstromung und Umstromung 232
9.6.1 Schallentstehung ...... . 232
9.6.2 Niiherungsweise Berechnung der Schallabstrahlung 232
9.6.3 Geriiuschminderung 233
9.7 Armaturen . . . . . . . . . . . . . . . . 234
9.7.1 Schallentstehung .......... . 234
9.7.2 Niiherungsweise Berechnung der Schallabstrahlung 236
9.7.3 Geriiuschminderung 238
9.8 Wassergeriiusche an Kiihltiirmen 238
9.9 Industrielle Brenner . . . . . 239
9.9.1 Schallentstehung 239
9.9.2 Niiherungsweise Berechnung der Schallabstrahlung 241
9.9.3 Geriiuschminderung 242
9.10 Literatur .............. . 242
10. Geriiuscbe von Zabnradgetrieben von M. Heckl 248
10.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . 248
10.2 Geriiuschentstehungsmechanismen . . . . . . 248
10.2.1 Entstehung von Wechselbewegungen beim Rollen und Wiilzen 248
10.2.2 Geriiuschentstehung bei Zahnriidern . . . . . . . . . 250
10.2.2.1 Zahnfehler ............. . 250
10.2.2.2 Parameteranregung durch wechselnde Zahnfedersteife 251
10.2.2.3 Verformung von Wellen, Lagern und Gehiiusen 254
10.2.2.4 EintrittsstoB . . . . 254
10.2.2.5 Getrieberasseln . . . . . . . . 254
10.2.2.6 Sonstige Mechanismen .. . . . 254
10.3 Ubertragung und Abstrahlung von Getriebegeriiuschen 254
10.4 VerbesserungsmaBnahmen 255
10.4.1 Getriebeauslegung 255
10.4.2 Zahnllankenkorrekturen 256
10.4.3 SekundiirmaBnahmen 257
10.5 Erfahrungswerte 257
10.5.1 Schalleistung 257
10.6 Literatur 259
11. Geriiuscbe von Metallbearbeitungsmascbinen von M. Heckl 261
11.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . 261
11.2 Spanende Werkzeugmaschinen 261
11.2.1 Drehmaschinen und Friismaschinen 261
11.2.1.1 Entstehungsmechanismen 261
11.2.1.2 Erfahrungswerte 262
11.2.2 Maschinen zum Siigen, Schleifen, Bohren 263
11.2.2.1 Entstehungsmechanismen 263
11.2.2.2 Erfahrungswerte 264
11.3 Schneidpressen (Stanzen) 264
11.3.1 Entstehungsmechanismen 264
11.3.2 Erfahrungswerte . . . 265
11.3.3 VerbesserungsmaBnahmen 268
11.4 Schmiedepressen und Schmiedehiimmer 268
11.4.1 Entstehungsmechanismen 268
11.4.2 Erfahrungswerte . . . . . 270
11.5 Sonstige Geriiuschursachen bei der Metallbearbeitung 271
11.6 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . 271
12. Geriiuscbe bei der Holzverarbeitung von H.-G. Wiechert und H. Kraus 273
12.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . 273
12.2 Allgemeine Schallentstehungsmechanismen 273
12.2.1 Leerlaufgeriiusch ...... 273