Akustik Simulationen. Workshop von Anwendern für Anwender. Prof. Dr. Hanspeter Gysin. Rapperswil, 12. September Workshop: Akustik Simulationen

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1 Workshop von Anwendern für Anwender Akustik Simulationen Prof. Dr. Hanspeter Gysin Rapperswil, 12. September 2013 Quelle: FFT, MSC Software Company Ziele: Stand der Technik in der Akustik Simulation darstellen Welche Methoden für welche Fragestellungen und Probleme? Was muss man beachten? Wie viel muss man von Akustik verstehen? = alle Rechte bei der HSR 12. September 2013 Hp. Gysin HSR / SITEC Seite 1

2 Ablauf des Workshop-Tages: 10:00 10:15 Begrüssung und Einführung / Kaffee Hanspeter Gysin, HSR / SITEC 10:15 11:00 11:00 11:40 Einführung / Begriffe / Einordnung / Lokalisation der Lärm-Quellen Übersicht & Beispiele zur Akustik in ANSYS Akustische Anregungen in einer Mühle 11:40 12:20 Examples of Acoustic Radiation Analysis with ACTRAN Hanspeter Gysin; Professor für Produktentwicklung & FEM; HSR / SITEC Lorenz Seiler, CADFEM (Suisse) AG Beat Eberle, Bühler Group, Uzwil Zhou Ze, Senior Application Engineer; FFT, MSC Software Company, Belgium 12:20 13:15 Mittagessen in der Mensa der HSR (incl.) alle 13:15 13:45 Aktive Rauschreduzierung mittels adaptiver Filter 13:45 14:15 14:15 14:45 Simulation der Entstehung und Ausbreitung akustischer Stosswellen mit expliziter FEM Fluid-Struktur-Akustik als Analyse mit bidirektionaler Kopplung / Schalldurchgang Dr. Roland Michaely, Application Engineer, MathWorks GmbH, Bern Dr. Andreas Franck, Dassault Systemes, Deutschland GmbH, München Dr.-Ing. Reinhard Helfrich, INTES GmbH, D-Stuttgart 14:45 15:10 Kaffeepause alle 15:10 15:50 Akustik-Struktur Interaktion in stehenden und bewegten Fluiden Zoran Vidakovic, COMSOL Multiphysics GmbH, Zürich 15:50 16:30 16:30 17:20 Industrielle Praxis der Vibro-Akustik Simulation mit FEM, BEM und Ray-Tracing Verfahren Diskussion: Fragen & Beispiele der Teilnehmer / zukünftige Entwicklungen ir. Peter Segaert, Senior Technical Expert LMS, A Siemens Business, B-Leuven alle 17:20 18:xx Apéro (incl.) alle nachher Abendessen aller Referenten und interessierter Teilnehmer in Rapperswil alle (freiwillig; nicht inbegriffen) 12. September 2013 Hp. Gysin HSR / SITEC Seite 2

3 Inhalt dieses Input-Vortrages 1. Vorstellung IG VPE Swiss und deren Aktivitäten 2. Ziel des Workshops und des Input-Vortrags / Begriffs-Definitionen 3. Einige Grundbegriffe der Akustik 4. Anforderungen aus der Maschinenrichtlinie 5. Maschinenakustische Grundgleichung 6. Bedeutung der Schall-Quellen Quellenortung zb. mit der akustischen Kamera 7. Strukturübertragungen; Schwingungen 8. Anforderungen an die Simulation (Frequenzbereiche, Randbedingungen, ) 9. erste Einordnung von Methoden 12. September 2013 Hp. Gysin HSR / SITEC Seite 3

4 IG VPE Swiss: In der Schweiz haben sich die Marktteilnehmer, welche im Bereich der virtuellen Produktentwicklung (= Entwicklung am und mit dem Computer) tätig sind, zusammengeschlossen zu einer produkte-neutralen Interessengemeinschaft. In der IG sind viele wichtige Players (Software- Anbieter, Dienstleister und Hochschulen) vertreten: 12. September 2013 Hp. Gysin HSR / SITEC Seite 4

5 Aktivitäten der IG VPE übers Jahr 12. September 2013 Hp. Gysin HSR / SITEC Seite 5

6 Workshop-Reihe: Wir laden Sie herzlich zu den weiteren Workshops ein: Fluid Struktur Interaktion 20. Juni 2013 Akustik Simulation 12. September 2013 Kopplung von Struktur und Steuerung/Regelung 23. Januar 2014 Entwicklung von Sensoren: Modellbildung und Simulation nutzen 19. Juni 2014 Vom virtuellen Modell zum robusten Design 11. September 2014 Elektromagnetische Felder in alltäglicher Produktentwicklung 22. Januar 2015 Die Workshops werden leben von der Teilnehmer-Aktivität! 12. September 2013 Hp. Gysin HSR / SITEC Seite 6

7 Inhalt dieses Input-Vortrages 1. Vorstellung IG VPE Swiss und deren Aktivitäten 2. Ziel des Workshops und des Input-Vortrags / Begriffs-Definitionen 3. Einige Grundbegriffe der Akustik 4. Anforderungen aus der Maschinenrichtlinie 5. Maschinenakustische Grundgleichung 6. Bedeutung der Schall-Quellen Quellenortung zb. mit der akustischen Kamera 7. Strukturübertragungen; Schwingungen 8. Anforderungen an die Simulation (Frequenzbereiche, Randbedingungen, ) 9. erste Einordnung von Methoden 12. September 2013 Hp. Gysin HSR / SITEC Seite 8

8 Um was geht es heute? Inhalt in Kürze: Stand der Technik in der Akustik Simulation darstellen durch Referate der Experten der Anbieter anhand möglichst konkreter Anwendungsbeispiele Breites Themenfeld Lernziele: Welche Methoden für welche Fragestellungen und Probleme? Was muss man beachten? Wie viel muss man von Akustik verstehen? Reflektieren der eigenen Fragestellungen und Abschätzen können, ob die eigenen Fragestellungen schon zielführend simuliert werden können Input Referat: einige Begriffe als Einleitung und 1 Punkt betonen Voraussetzung: Neugierde aufgrund eigener Erfahrungen 12. September 2013 Hp. Gysin HSR / SITEC Seite 9

9 Zitate: eher philosophisch: Früher brachte der Lärm die Menschen aus der Ruhe. Heutzutage ist es die Stille. Ernst Ferstl (1955-), österreichischer Lehrer und Autor näher am heutigen Thema: Das Gute macht wenig Lärm. Der Lärm macht wenig Gutes. Franz von Sales ( ), französischer Theologe, Ordensgründer der Salesianer, Bischof von Genf, Heiliger 12. September 2013 Hp. Gysin HSR / SITEC Seite 10

10 Begriffe: Akustik Duden: Wikipedia: Die Akustik ist die Lehre vom Schall und seiner Ausbreitung. Als Wissenschaftsgebiet umfasst sie sämtliche damit zusammenhängenden Gesichtspunkte, so die Entstehung und Erzeugung, die Ausbreitung, die Beeinflussung und die Analyse von Schall. Weiterhin sind auch die Wechselwirkung von Schall mit Materialien sowie die Wahrnehmung von Schall durch das Gehör und seine Wirkung auf Menschen und Tiere Gegenstand der Akustik 12. September 2013 Hp. Gysin HSR / SITEC Seite 11

11 Schall Geräusch Lärm: Schall bezeichnet allgemein das Geräusch, den Klang, den Ton, den Knall (Schallarten), wie er von Menschen und auch von Tieren auditiv wahrgenommen werden kann. Schall stellt die Ausbreitung von kleinsten Druck- und Dichteschwankungen in einem elastischen Medium (Gase, Flüssigkeiten, Festkörper) dar. (Quelle Wikipedia) Ob ein Geräusch angenehm oder störend ist, hängt von unserer Wahrnehmung ab: angenehm: unangenehm Lärm Quelle: EMPA Quelle: Brüel&Kjaer (2) 12. September 2013 Hp. Gysin HSR / SITEC Seite 12

12 Ton Klang Geräusch: Quelle: Setzer, Uni-Duisburg 12. September 2013 Hp. Gysin HSR / SITEC Seite 13

13 Inhalt dieses Input-Vortrages 1. Vorstellung IG VPE Swiss und deren Aktivitäten 2. Ziel des Workshops und des Input-Vortrags / Begriffs-Definitionen 3. Einige Grundbegriffe der Akustik 4. Anforderungen aus der Maschinenrichtlinie 5. Maschinenakustische Grundgleichung 6. Bedeutung der Schall-Quellen Quellenortung zb. mit der akustischen Kamera 7. Strukturübertragungen; Schwingungen 8. Anforderungen an die Simulation (Frequenzbereiche, Randbedingungen, ) 9. erste Einordnung von Methoden 12. September 2013 Hp. Gysin HSR / SITEC Seite 14

14 Schalldruck: Statischer Luftdruck 10 5 Pa = 1 bar Quelle: Brüel&Kjaer (2) 12. September 2013 Hp. Gysin HSR / SITEC Seite 15

15 Wellenlänge und Frequenz: c = Schallgeschwindigkeit (hier von Luft = 344 m/s) Quelle: Brüel&Kjaer (2) 12. September 2013 Hp. Gysin HSR / SITEC Seite 16

16 Schalldruck und Schalldruckpegel: Als Schalldruck wird der Effektivwert p RMS des dem atmosphärischen Luftdruck überlagerten Wechseldrucks der schwingenden Luftteilchen bezeichnet (T = Periodendauer) p RMS = 1 T T 0 p 2 (t) dt Quelle: Brüel&Kjaer (2) Durch Logarithmierung und in Bezug zu einem Referenzwert p 0 erhält man den Schalldruckpegel L p in Dezibel (db): L p = p 10 lg p RMS 0 2 db = p 20 lg p RMS 0 db Bezugsgrösse p 0 = 20 µpa = 20 * 10-6 N/m 2 1dB = 1 B(el) 10 = 1Dezi Bel Hörschwelle 12. September 2013 Hp. Gysin HSR / SITEC Seite 17

17 Schalldruck Schalldruckpegel: Schmerzgrenze linear logarithmisch Hörschwelle Quelle: Brüel&Kjaer (2) 12. September 2013 Hp. Gysin HSR / SITEC Seite 18

18 Schall-Leistung und Schallleistungs-Pegel Quelle: Brüel&Kjaer (2) Die Schallleistung W in [Watt] und der Schallleistungspegel L W in Dezibel (db) sind ein Mass für die von einer Schallquelle insgesamt nach allen Richtungen in Form von Schwingungen der Luftteilchen abgegebenen Leistung: L W = 10 lg W W 0 db Bezugsgrösse W 0 = 1* W 12. September 2013 Hp. Gysin HSR / SITEC Seite 19

19 Unterschied: Emission und Immission? Grundlage für Arbeitsschutz-Gesetze Einwirkung Abstrahlung Grundlage für Lärmbekämpfung / Deklarationen Quelle: suvapro (1) 12. September 2013 Hp. Gysin HSR / SITEC Seite 20

20 Messung des Schalldrucks: Mikrophon Aufbau mit multifunktionalem Frontend: Alles integriert in einem Gerät: Schallpegelmesser: Quelle: Brüel&Kjaer Mikrophonkapsel Vorverstärker 12. September 2013 Hp. Gysin HSR / SITEC Seite 21

21 Hörfeld = Kurven gleicher Lautstärke: unempfindlich Lautstärke in phon bzw. Lautheit in sone Für uns interessant: - Zum Verständnis und Abbildung des menschlichen Empfindens - Für Frequenzbewertung empfindlich Mensch: 16 Hz - 16 khz Quelle: Maute 12. September 2013 Hp. Gysin HSR / SITEC Seite 22

22 Beispiel: Gesamt-Pegel: Lin Oktavband linear, dh. unbewertet A-bew. Oktavband A-bewertet, dh. eher so, wie wir es hören 12. September 2013 Hp. Gysin HSR / SITEC Seite 23

23 Inhalt dieses Input-Vortrages 1. Vorstellung IG VPE Swiss und deren Aktivitäten 2. Ziel des Workshops und des Input-Vortrags / Begriffs-Definitionen 3. Einige Grundbegriffe der Akustik 4. Anforderungen aus der Maschinenrichtlinie 5. Maschinenakustische Grundgleichung 6. Bedeutung der Schall-Quellen Quellenortung zb. mit der akustischen Kamera 7. Strukturübertragungen; Schwingungen 8. Anforderungen an die Simulation (Frequenzbereiche, Randbedingungen, ) 9. erste Einordnung von Methoden 12. September 2013 Hp. Gysin HSR / SITEC Seite 24

24 MRL: Welcher Schallpegel ist anzugeben? neu: 80 db(a) Mit MRL 2006/42/EG muss schon ab 80 db(a) auch die Schallleistung ermittelt werden! Quelle: Schirmer 12. September 2013 Hp. Gysin HSR / SITEC Seite 25

25 L WA und L pa : Der Schallleistungspegel L WA ist ein umfeldunabhängiges Mass für die Lärmabstrahlung der Maschine. Damit kann man Maschinen miteinander vergleichen! während der arbeitsplatzbezogene Emissions-Schalldruckpegel L pa die Einwirkung auf den Bediener beschreibt und zwar nur aufgrund der Maschine, dh. ohne Lärmeinwirkung von benachbarten Maschinen und ohne Raumeinwirkungen (zb. Reflexionen). Quelle: suvapro (3) 12. September 2013 Hp. Gysin HSR / SITEC Seite 26

26 Inhalt dieses Input-Vortrages 1. Vorstellung IG VPE Swiss und deren Aktivitäten 2. Ziel des Workshops und des Input-Vortrags / Begriffs-Definitionen 3. Einige Grundbegriffe der Akustik 4. Anforderungen aus der Maschinenrichtlinie 5. Maschinenakustische Grundgleichung 6. Bedeutung der Schall-Quellen Quellenortung zb. mit der akustischen Kamera 7. Strukturübertragungen; Schwingungen 8. Anforderungen an die Simulation (Frequenzbereiche, Randbedingungen, ) 9. erste Einordnung von Methoden 12. September 2013 Hp. Gysin HSR / SITEC Seite 27

27 «Herleitung»: Die abgestrahlte Schallleistung P(ω) einer schwingenden Oberfläche S kann man herleiten zu: P( ω) = ρ Luft c Luft σ( ω) S v 2 N ( ω) mit: ρ Luft = Dichte Luft c Luft = Schallgeschwindigkeit der Luft σ = Abstrahlgrad v N = zeitlich und örtlich gemittelte Oberflächenschnelle in Normalen-Richtung Die mittlere quadratische Übertragungsadmittanz h Ü2 (ω) beschreibt das Übertragungsverhalten bei Anregung mit einer Kraft F j im Freiheitsgrad i: 2 vn h ( ) U,i ω = 2 F j 2 ( ω) ( ω) FRF = Antwort( ω) Anregung( ω) 12. September 2013 Hp. Gysin HSR / SITEC Seite 28

28 Maschinenakustische Grundgleichung: eingesetzt und arrangiert: P( ω) = ρ Luft c Luft σ( ω) S h 2 U,i ( ω) F 2 j ( ω) und in Pegelschreibweise: L W ( ω) = L σ ( ω) + L h ( ω) + L F ( ω) mit der Bedeutung: Schallleistung ist Funktion von: = Abstrahlverhalten der Oberfläche + Übertragungsverhalten der Struktur + Quelle / Anregung 12. September 2013 Hp. Gysin HSR / SITEC Seite 29

29 Entstehung von Geräuschen & Lärm: Geräusche = «schwingender Luftschall» Prozesskräfte erzeugen Schwingungen (Vibrationen), welche durch die Maschinenstruktur übertragen (Körperschall) und an der Oberfläche als Luftschall abgestrahlt werden. enger Zusammenhang von Schwingungen (Dynamik) und Akustik Maschinenakustik Quelle: Storm Peitsche enger Zusammenhang Strömung (CFD) und Akustik Aeroakustik (CAA) 12. September 2013 Hp. Gysin HSR / SITEC Seite 30

30 Schallkette und Lärmbekämpfung. Grundsätzlich wirken 3 resp. 4 Mechanismen: - Schallquellen (die eigentlichen Ursachen) - Schallübertragung (durch die Maschinenstruktur) - Schallabstrahlung (zb. durch die schwingenden Oberflächen) - resp. Druckschwankungen in Strömungen Also kann/muss man zur Lärmbekämpfung auch diese vier Mechanismen angehen: Quelle: Dietz [8] 12. September 2013 Hp. Gysin HSR / SITEC Seite 31

31 Inhalt dieses Input-Vortrages 1. Vorstellung IG VPE Swiss und deren Aktivitäten 2. Ziel des Workshops und des Input-Vortrags / Begriffs-Definitionen 3. Einige Grundbegriffe der Akustik 4. Anforderungen aus der Maschinenrichtlinie 5. Maschinenakustische Grundgleichung 6. Bedeutung der Schall-Quellen Quellenortung zb. mit der akustischen Kamera 7. Strukturübertragungen; Schwingungen 8. Anforderungen an die Simulation (Frequenzbereiche, Randbedingungen, ) 9. erste Einordnung von Methoden 12. September 2013 Hp. Gysin HSR / SITEC Seite 32

32 Massnahmen und Bedeutung der Quellen: Alle wichtig? Quelle: Dietz [8] Ein Pumpenaggregat besteht aus 3 Zahnradpumpen verschiedener Förderleistung. Die einzelnen Pumpen weisen folgende Schallleistungspegel auf: L W1 = 75 db L W2 = 78 db L W3 = 80 db Wie gross ist der Gesamtschallleistungpegel L W des Pumpenaggregats? 12. September 2013 Hp. Gysin HSR / SITEC Seite 33

33 Messtechnische Lokalisierung der Lärm-Quelle(n): Es gibt verschiedene Methoden der Ortung von Schallquellen: über Schall- Intensitätsmessungen, akustische Kamera, PU-Probe, Sound-Brush, Nahfeld-Holographie, Array Messaufbau der Schallintensitäts-Messung 36 Mikrophone Kamera 12. September 2013 Hp. Gysin HSR / SITEC Seite 34

34 Akustische Kamera: Aus den gemessenen Schalldrücken an den Mikrophonen und der Festlegung der Messpukte auf dem Objekt wird die Schalldruckverteilung berechnet und als Contour-Plot ( = «Höhenlinien» gleichen Schalldrucks) dargestellt Weil man den Schall damit «sehen» kann, spricht man von akustischer Kamera 12. September 2013 Hp. Gysin HSR / SITEC Seite 35

35 Messung mit der akustischen Kamera (AK): Lärmendes Objekt Schalldruckpegel in db Höhenlinien gleichen Schalldruckpegels Bild mit der Kamera des Arrays Messfeld Oktav-Band für einen bestimmten Punkt im Messfeld Frequenzbereich, für welchen die Höhenlinien angezeigt werden 12. September 2013 Hp. Gysin HSR / SITEC Seite 36

36 Resultat-Beispiele: In diesem Beispiel konnte gezeigt werden, dass eine Riemenscheibe in einem spezifischen Frequenzbereich eine Lärmquelle ist 12. September 2013 Hp. Gysin HSR / SITEC Seite 37

37 akustische Kamera an Verpackungsmaschine: Mit der akustischen Kamera können die Hauptlärmquellen lokalisiert werden: M 1 Quellen für diesen Frequenzbereich: 12. September 2013 Hp. Gysin HSR / SITEC Seite 38

38 Inhalt dieses Input-Vortrages 1. Vorstellung IG VPE Swiss und deren Aktivitäten 2. Ziel des Workshops und des Input-Vortrags / Begriffs-Definitionen 3. Einige Grundbegriffe der Akustik 4. Anforderungen aus der Maschinenrichtlinie 5. Maschinenakustische Grundgleichung 6. Bedeutung der Schall-Quellen Quellenortung zb. mit der akustischen Kamera 7. Strukturübertragungen; Schwingungen 8. Anforderungen an die Simulation (Frequenzbereiche, Randbedingungen, ) 9. erste Einordnung von Methoden 12. September 2013 Hp. Gysin HSR / SITEC Seite 39

39 Strukturverhalten zb. durch Modalanalyse: Sowohl in der FEM wie auch der Messtechnik kann man das schwingende Strukturverhalten heute gut beschreiben: FEM: Hz EMA: 185 Hz In diesem Beispiel passen auch die 5.ten Moden noch gut zusammen: FEM: 434 Hz EMA: 436 Hz 12. September 2013 Hp. Gysin HSR / SITEC Seite 40

40 Inhalt dieses Input-Vortrages 1. Vorstellung IG VPE Swiss und deren Aktivitäten 2. Ziel des Workshops und des Input-Vortrags / Begriffs-Definitionen 3. Einige Grundbegriffe der Akustik 4. Anforderungen aus der Maschinenrichtlinie 5. Maschinenakustische Grundgleichung 6. Bedeutung der Schall-Quellen Quellenortung zb. mit der akustischen Kamera 7. Strukturübertragungen; Schwingungen 8. Anforderungen an die Simulation (Frequenzbereiche, Randbedingungen, ) 9. erste Einordnung von Methoden 12. September 2013 Hp. Gysin HSR / SITEC Seite 41

41 Simulation der Abstrahlung: Wie & mit welchen Methoden soll die Abstrahlung einer schwingenden Struktur in die umgebende Luft simuliert werden? Wie fein soll das Netz sein? Quelle: FFT, MSC Software Company NAFEMS How to get started in Acoustic Analysis 5 Knoten pro Wellenlänge bei Freifeld-Bedingungen 9 Knoten im inneren von zb. Räumen? Bei transienten Schwingungen Knoten pro Wellenlänge 12. September 2013 Hp. Gysin HSR / SITEC Seite 42

42 Bedeutung der Frequenz-Bereiche: Wie wichtig ist es also den ganzen Frequenzbereich des menschlichen Hörens abzudecken? Beispiel eines Industriestaubsauger: Autospectrum(Schall) Autospectrum(Schall) - Input - Input (Real) (Real) \ CPB \ CPB Analyzer Analyzer [db(a)/20u [db/20u Pa] Pa] Cursor Cursor values values X: X: 2.000k 2.000k Hz Hz Y: Y: db(a)/20u db/20u P 63.8 db 61.6 db(a) k 1k 2k 2k 4k 4k 8k 8k 16k 16kA AL L [Hz] [Hz] 12. September 2013 Hp. Gysin HSR / SITEC Seite 44

43 Randbedingungen: Am Interface Struktur Fluid (Luft): Druck = gemittelter Druck Geschwindigkeit = gemittelte Oberflächengeschwindigkeiten Am Rand zum Unendlichen: Sommerfeld sche Abstrahlbedingung einhalten: dh. keine Rück-Reflektion der Wellen auf die Struktur / Schalldruck und Intensität sollten im gegen Null gehen Im Raum-Innern: richtige Berücksichtigung der Schall-Reflektionen L w, ERP FEM, I-FEM, BEM 12. September 2013 Hp. Gysin HSR / SITEC Seite 45

44 Inhalt dieses Input-Vortrages 1. Vorstellung IG VPE Swiss und deren Aktivitäten 2. Ziel des Workshops und des Input-Vortrags / Begriffs-Definitionen 3. Einige Grundbegriffe der Akustik 4. Anforderungen aus der Maschinenrichtlinie 5. Maschinenakustische Grundgleichung 6. Bedeutung der Schall-Quellen Quellenortung zb. mit der akustischen Kamera 7. Strukturübertragungen; Schwingungen 8. Anforderungen an die Simulation (Frequenzbereiche, Randbedingungen, ) 9. erste Einordnung von Methoden 12. September 2013 Hp. Gysin HSR / SITEC Seite 46

45 Methoden & Frequenzbereiche Mid-Frequency Gap?? Quelle: Zeller: Fahrzeug-Akustik 12. September 2013 Hp. Gysin HSR / SITEC Seite 47

46 Einordnung der Referate: 16 khz Quelle: IET, HSR Quelle: Otto v. Estdorff 16 Hz Dämmung Dämpfung Q Interaktion? 12. September 2013 Hp. Gysin HSR / SITEC Seite 48

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48 Weitere Diskussionpunkte: 1. Beispiele / schriftliche Fragen der Teilnehmer 2. Gibt es auch Akustik-Simulations-Beispiele ausserhalb der Automobil-Industrie und deren Zulieferern? (und der Raumakustik) 3. Für die FEA sind Materialdaten oft Mangelware aber wichtig. Wie steht es in der Akustik? 4. Viele Firmen stehen vor der Frage: Lohnt es sich eine Verschalung um meine Maschine zu machen? Wie viel bringt das? hilft da die akustische Simulation? Wie? Kombination von Maschine Verschalung Raum? 12. September 2013 Hp. Gysin HSR / SITEC Seite 55

49 Bis bald wieder an der HSR. Lernkultur und Lebensqualität am See.