FORLärm – Lärmminderung von technischen Anlagen

Mitarbeiter

Inhalt

 

„Die Ruhe zu lieben, gehört zur bayerischen Natur und Kultur, zur bayerischen Lebensart.“

Dr. Otmar Bernhard, früherer Staatsminister

 

Vorwort

In der modernen Industriegesellschaft entwickelt sich der Lärm von Straßenverkehr,Industrieanlagen und Haushaltsgeräten zunehmend zu einer ernstzunehmenden Belastung für den Menschen. Die Folgen reichen von Konzentrations- und Schlafstörungen bis hin zu Schwerhörigkeit, Tinnitus und vielen anderen Erkrankungen. Der Bayerische Forschungsverbund FORLärm („Forschungsverbund zur Lärmminderung von technischen Anlagen“) sucht daher nach effi zienten Wegen, den Lärm schon an der Quelle zu bekämpfen. Ziel dieses Forschungsverbunds ist es, die analytischen, numerischen und experimentellen Grundlagen für eine Lärmreduktion in technischen Prozessen weiterzuentwickeln und anzuwenden. Es gilt, Werkzeuge und Methoden bereitzustellen, mit denen sich die Lärmentstehung so beeinfl ussen lässt, dass für das menschliche Gehör eine deutlich spürbare Lärmminderung erreicht wird. Neben der messtechnischen Erfassung von Lärm wird dabei auch das subjektive Geräuschempfi nden des Menschen berücksichtigt, um besonders störende Geräuschkomponenten gezielt zu reduzieren. Eine der Kernaufgaben von FORLärm ist es, die für die Schallentstehung verantwortlichen physikalischen Effekte detailliert zu untersuchen, um sie anschließend in einem Computermodell abbilden zu können. Damit lassen sich vorhandene Anlagen effektiv weiterentwickeln und eine geräuscharme Auslegung besser in die Entwicklung neuer Produkte integrieren. Die somit möglichen Simulationen am Computer machen bisherige Versuche an aufwendig gebauten Prototypen überfl üssig und sind zudem zeit- und kostensparend.

 

TEILPROJEKT A1 – GERÄUSCHREDUZIERUNG DER LÜFTUNGSANLAGEN VON NIEDRIGENERGIE- UND PASSIVHÄUSERN

Die Akustik von Haus-Lüftungsanlagen ist sowohl im Bereich moderner Niedrigenergiehäuser als auch in Großraumbüros von zentraler Bedeutung. Dazu wird ein Modell-Lüftungssystem, bestehend aus Ventilator, Rohrsystem und Auslassgitter, definiert und aufgebaut. Das Hauptaugenmerk der Arbeiten ist auf die verschiedenen Mechanismen der Schallentstehung und deren Interaktionen im Gesamtsystem gerichtet. Der Strömungsschall wird hierbei vom turbulenten Strömungsfeld bestimmt, während der Körperschall durch die von der Ventilatorrotation hervorgerufenen Strukturbewegungen geprägt ist. Im Gesamtsystem ergibt dies ein komplexes Zusammenspiel verschiedenster akustischer Phänomene, da an jedem Bauteil Körperschall und Luftschall unterschiedlich miteinander interagieren. Das globale Ziel der Untersuchungen besteht in der Definition von Maßnahmen zur Schallreduktion in Lüfter-Kanalleitungssystemen. Diese Maßnahmen werden in Form allgemeiner Regeln und Richtlinien auf die Auslegung von effizienten und gleichzeitig leisen Haus-Lüftungsanlagen übertragen.

Ziele:

  • Klärung der physikalischen Mechanismender Schallausbreitungin Lüftungskanälen
  • Richtlinien und Regeln zur Schallreduktion in Haus-Lüftungsanlagen

Forschungsschwerpunkte:

  • Wechselwirkung zwischen Körperschall,Luftschall und Strömung
  • Modellbildung
  • Transferpfadanalyse

Projektpartner:

Ansprechpartner:

Dipl.-Ing. Peter Horn

 

TEILPROJEKT A2 – GERÄUSCHREDUKTION DER KÜHLUNGSEINRICHTUNGEN VON TECHNISCHEN ANLAGEN UND GERÄTEN

In der Realisierung einer effi zienten und gleichzeitig geräuscharmen Kühlung liegt eine der großen Herausforderungen bei der Entwicklung elektrischer Geräte. Hohe Steigerungen bezüglich Leistung und Packungsdichte der Bauelemente führen zu einer stark gestiegenen Wärmeentwicklung, die wiederum direkt mit erhöhten Anforderungen an das Kühlsystem verbunden ist. Beim Einsatz von Luft als Kühlmedium bedingt dies einen deutlich größeren Volumenstrom, der sehr oft mit höheren Schallemissionen des Gerätes einhergeht. Neben der aeroakustischen Schallproduktion wird zudem Schall durch Gehäuseschwingungen erzeugt. Aufgrund des Einfl usses von Temperatur- bzw. Dichtegradienten auf die Schallausbreitung ergibt sich ein gekoppelter Prozess von verschiedenen physikalischen Effekten. Inhalt des Projektes sind Untersuchungen der Schallentstehung speziell im Hinblick auf Lärmminderung. Die Arbeiten erfolgen hierfür sowohl experimentell als auch mit Hilfe von Computersimulationen. Aus dem Verständnis der involvierten physikalischen Prozesse werden Richtlinien für geräuscharme Kühlsysteme erarbeitet.

Ziele:

  • Geräuscharme Kühlung
  • Effiziente Wärmeabführung
  • Vermeidung von Strukturschwingungen

Forschungsschwerpunkte:

  • Schallausbreitung unter Wärmeeinfluss
  • Systemintegration von Lüftungsanlagen
  • Akustische Quellanalyse

Projektpartner:

Ansprechpartner:

PD Dr.-Ing. Stefan Becker

 

TEILPROJEKT A3 – AEROAKUSTISCHE SCHALLENTSTEHUNG IN VENTILATOREN UND DEREN SCHALLABSTRAHLUNG

Der Einsatz von rotierenden Maschinen zur Luftförderung (Ventilatoren und Gebläse) umfasst ein sehr großes Einsatzspektrum. Derartige Geräte sind in ihrer verschiedenartigen Anwendung ein fester Bestandteil des Alltags. Immer wieder kommt es dabei zu Geräuschbelästigungen, die Stress verursachen und damit teilweise auch schädigenden Einfluss auf die Gesundheit der Menschen haben. Das Projekt ist auf Radialgebläse fokussiert. Es erfolgen Untersuchungen zur Schallgenerierung im Rotor selbst, in der Interaktion von Rotor- und Diffusorströmung sowie durch die Wechselwirkung der Strömung mit dem Gehäuse. Oft bilden strömungsmechanische Optimierung und Lärmreduktion keinen direkten Zusammenhang. Durch den komplementären Einsatz experimenteller und numerischer Verfahren gilt es, Schallentstehungsmechanismen und deren Abstrahlungsverhalten zu klären, um daraus Maßnahmen zur Reduktion des abgestrahlten Geräuschs abzuleiten. Für die Bewertung des abgestrahlten Schalls werden zusätzlich psychoakustische Kriterien hinzugezogen, um gezielt besonders störende Komponenten der Lärmemission zu verringern.

Ziele:

  • Schallreduktion bei hohem strömungsmechanischen Wirkungsgrad
  • Charakterisierung von Schallquellen
  • Schallreduktion unter Beachtung psychoakustischer Bewertung

Forschungsschwerpunkte:

  • Schallreduktion bei hohem strömungsmechanischen Wirkungsgrad
  • Charakterisierung von Schallquellen
  • Schallreduktion unter Beachtung psychoakustischer Bewertung

Projektpartner:

  • Ansprechpartner:

PD Dr.-Ing. Stefan Becker

 

TEILPROJEKT A4 – BERECHNUNG AERODYNAMISCHER SCHALLQUELLEN GEKAPSELTER HECKROTOREN

Gekapselte Heckrotoren stellen im Hinblick auf Betriebssicherheit und gute Leistungscharakteristik eine effiziente Lösung im Vergleich zu ungekapselten Rotoren bei kleinen bis mittelgroßen Hubschraubern dar. Die wesentliche Voraussetzung für deren Berechnung ist die genaue Bestimmung des instationären und über einen weiten räumlichen Skalenbereich variierenden Strömungsfeldes. Insbesondere muss hierbei die Wechselwirkung zwischen Heckrotorstrahl und der Heckumströmung berücksichtigt werden, was gerade für die Schallabstrahlung von großer Bedeutung ist. Inhalt dieses Projektes ist daher die Analyse verschiedener Modellierungsansätze zur Berechnung derartiger hochkomplexer Strömungsfelder. Den industriell eingesetzten Berechnungsverfahren werden Methoden mit hohem Modellierungsgrad gegenübergestellt. Die Bewertung erfolgt hinsichtlich der Vorhersagegenauigkeit und Recheneffizienz unter dem Aspekt der industriellen Anwendung. Die Quellterme aus den Strömungssimulationen bilden die Basis für die Berechnung der Schallabstrahlung in das Fernfeld.

Ziele:

  • Effiziente numerische Algorithmen für den industriellen Einsatz
  • Analyse der Schallquellen am Heckrotor

Forschungsschwerpunkte:

  • Turbulenzmodellierung
  • Strömung im gekapselten Heckrotor
  • Bestimmung der relevanten akustischen Quellterme

Projektpartner:

Ansprechpartner:

PD Dr.-Ing. Christian Breitsamter

 

TEILPROJEKT B1 – KLANGQUALITÄTSBEZOGENE ÜBERTRAGUNGSPFADANALYSE UND -SYNTHESE

Die Transferpfadanalyse stellt ein bewährtes Verfahren dar, mit dem die Beiträge verschiedener Quellen sowie die Anteile der dazugehörigen Übertragungswege zu einem Geräusch an einem vorgegebenen Punkt auf der Basis defi nierter Messungen zuverlässig angegeben werden können. Sie kommt derzeit vor allem in der Automobilindustrie zur Identifi zierung relevanter Geräuschquellen zum Einsatz, ist aber grundsätzlich auf alle technischen Anlagen anwendbar. Die Anwendung des Verfahrens besteht darin, neben den Quellen die akustischen Übertragungseigenschaften eines Systems zu erfassen und Prognosen hinsichtlich der zu erwartenden Geräuschqualität am PKW zu erstellen. Während die experimentellen Verfahren sowie die Algorithmen bereits einen hohen Standard erreicht haben, ist der Übergang zur Beurteilung durch das menschliche Gehör nicht ausgereift. Ziel des Projekts ist es daher, anhand psychoakustischer Methoden Modelle für die Beurteilung der Geräuschqualität zu entwickeln. Die Transferpfadanalyse wird somit um ein Modul erweitert, welches nicht nur die physikalischen Parameter beschreibt, sondern auch die Beurteilung durch die Nutzer zuverlässig prognostiziert.

Ziele:

 

  • Modul zur Beschreibung der Psychoakustik in der Transferpfadanalyse
  • Sicherstellung der industriellen Anwendbarkeit

Forschungsschwerpunkte:

  • Transferpfadanalyse
  • Psychoakustische Methoden
  • Modellentwicklungen

Projektpartner:

Ansprechpartner:

Prof. Dr.-Ing. Hugo Fastl

 

TEILPROJEKT B2 – FAHRGASTZELLENAKUSTIK – SOUND DESIGN FÜR PKW-INNENRAUM

Gegenstand dieses Projekts ist die Entwicklung eines Verfahrens zur Bewertung und Gestaltung der Akustik im Innenraum eines Automobils. Es soll den Entwicklungsingenieuren bereits in einem frühen Stadium der Produktentwicklung, zu dem Designänderungen noch relativ kostengünstig möglich sind, erlauben, Maßnahmen zur Verbesserung der Innenraumakustik zu ergreifen. Um dieses Ziel zu erreichen, werden sowohl numerische als auch messtechnische Ansätze verfolgt. Im Bereich der Simulation wird ein hybrides Verfahren aus statistischer Energie-Analyse und Finite-Elemente-Methode entwickelt, das die Vorteile der jeweiligen Ansätze hinsichtlich geringen Berechnungsaufwands bei der Modellierung von Strukturschwingungen der Karosserie und Aufl ösung des Schallfeldes in der Fahrgastzelle verbindet. Durch die Kombination der beiden Verfahren wird ein schnelles Werkzeug zur Bewertung des Schallpegels direkt am Ohr des Fahrgastes zur Verfügung gestellt. Zudem wird die Innenraumakustik nicht nur rein rechnerisch analysiert, sondern auch auf Basis von psychoakustischen Kriterien bewertet.

Ziele:

  • Hybrides Simulationsverfahren zur Bestimmung der Fahrzeuginnenraumakustik
  • Validierung des Verfahrens anhand von Experimenten

Forschungsschwerpunkte:

  • Statistische Energieanalyse
  • Finite-Elemente-Methode
  • Experimentelle Modelluntersuchungen
  • Anwendung psychoakustischer Methoden

Projektpartner:

Ansprechpartner:

Dipl.-Ing. Christoph Gabriel

 

TEILPROJEKT B3 – LÄRMREDUKTION BEI ELEKTRISCHEN LEISTUNGSTRANSFORMATOREN

Der von elektrischen Leistungstransformatoren hervorgerufene Lärmpegel spielt beim Entwurf von modernen Anlagen eine immer wichtigere Rolle. Aufgrund des hohen Stromverbrauchs in Großstädten, finden sich solche elektrischen Leistungstransformatoren immer häufiger auch in der Nähe von Wohngebieten. Dort belasten sie die Anwohner durch ihren Brummton, weshalb die einzuhaltenden Lärmpegelvorschriften immer strikter werden. Darum ist eine gezielte Reduktion des Lärmpegels erforderlich, wobei in den letzten Jahren vor allem das Lastgeräusch – verursacht durch die auf die Spulen wirkenden Lorentzkräfte – verringert werden konnte. Nun gilt es, das durch die Magnetostriktion hervorgerufene Leerlaufgeräusch näher zu untersuchen, den Mechanismus der Interaktion zwischen dem magnetischen und dem mechanischen Feld zu verstehen und gezielte Maßnahmen für dessen Reduktion zu erarbeiten. Ziel des Projektes ist es daher, eine computerunterstützte Entwurfsumgebung zu entwickeln, welche die präzise Berechnung des durch die Magnetostriktion verursachten Schalls ermöglicht. Diese wird, aufbauend auf einem Finite-Elemente- Verfahren, um ein erweitertes Materialmodell ergänzt, welches auf Hystereseoperatoren basiert. Mit Hilfe eines Materialprüfstandes werden die für die Identifikation der Operatoren benötigten Materialparameter bestimmt. Die Einsetzbarkeit des Simulationsverfahrens erfolgt schließlich an realen Transformatoren.

Ziele:

  • Berechnung der Magnetostriktion an Transformatoren
  • Maßnahmenkatalog zur Schallreduktion
  • Umsetzbarkeit an realen Transformatoren

Forschungsschwerpunkte:

  • Finite-Elemente-Methode
  • Magnetostriktion
  • Magnetische und mechanische Feldinteraktion
  • Materialmodell
  • Materialprüfstand

Projektpartner:

Ansprechpartner:

M.Sc. Adrian Volk