Strömungsakustik in Theorie und Praxis

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1 Strömungsakustik in Theorie und Praxis Anleitung zur lärmarmen Projektierung von Maschinen und Anlagen Dipl.-Ing. FH Walter Lips Mit 311 Bildern und 68 Tabellen 4., überarbeitete Auflage Kontakt & Studium Band 474 Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. Dr.h.c. Wilfried J. Bartz Dipl.-Ing. Hans-Joachim Mesenholl Dipl.-Ing. Elmar Wippler

2 Inhalt 1 Akustische Grundlagen Einleitung Physikalische Grundlagen Schallentstehung Schalldruck und Schallschwingungen Schallwellen und Schallausbreitung Eigenschaften der Wellenausbreitung Reflexion und Absorption Beugung Interferenz Schallintensität Schallleistung und Schallenergie Schalldruckpegel Schallleistungspegel Veränderung, Mittelung und Addition von Schallpegeln Geltungsbereich Veränderung von SchalIpegeln Mittelung von Schallpegeln Addition von Schal Ipegeln Frequenzanalysen Schallsignale Ton Klang Geräusch Ausbreitungsgesetze Schallfeldtypen Schallausbreitung im Freien Schallausbreitung in Räumen Schallabsorption und Nachhallzeit Absorptionsgrad a s Nachhallzeit T Äquivalente Schallabsorptionsfläche A Richtwerte für Nachhallzeiten Industrielle Räume Schallmesstechnik Allgemeines 27

3 Zeitbewertung Integrator Messgeräte Messprotokoll Schallempfindung Bewertete Schallpegel Geräuschbeurteilungszahlen und Grenzwertkurven Beurteilung von Schallpegeländerungen Lästigkeit von Geräuschen 33 2 Strömungsakustische Grundlagen Einleitung Allgemeines Gegenüberstellung: Luftschall - Flüssigkeitsschall Schallentstehung durch Strömungen Quelltypen Monopolquelle (Volumenquelle) Dipolquelle (Impuls-oder Wechselkraftquelle) Quadrupolquelle (Freie Wirbelquelle) Umwandlung der Quelltypen Spezialfall Überschallgeschwindigkeit Kavitation Allgemeines Einsatz der Kavitation Kavitationsformen Geräuschminderung Strömungsgeräusch Ungleichmässige Ausströmung Umströmung von Hindernissen Turbulente Strömung Akustische Beeinflussung Allgemeine Lärmminderungsmassnahmen Anströmvorgänge Turbulenter Freistrahl Blaspistolen Bypass bei Triebwerken Sicherheitsventile Grundregeln 55

4 3 Ultraschall in Flüssigkeiten Einleitung Erzeugung von Ultraschall Die Ultraschallreinigung Prinzip Messtechnik Luftschall Flüssigkeitsschall Lärmbekämpfungsmassnahmen Unterwassertechnik Geschichte Schallausbreitung in Wasser Schallabsorption in Meerwasser Schallreflexionen im Meer SONAR-Ortung Zusammenfassung 68 4 Praktische Strömungsakustik Überblick Pneumatische Anlagen Blaspistolen Allgemeines Bauart einer modernen Blaspistole Beispiel Druckluft-Werkzeuge Geräuschursachen Schleifer Schrauber Bohrmaschinen Bohrhämmer und Hammerbohrmaschinen Pneumatische Steuerungen Kompressoren Bauarten Emissionskennwerte von Kompressoren Turbokompressoren Hubkolbenkompressoren Roots-und Drehschieber-Rotationskompressoren Schraubenkompressoren Bemerkungen 80

5 4.3.3 Lärmminderungsmassnahmen Verbrennungsmotoren Geräuschursachen Abschätzung der Emissionspegel Schwerpunkte bei den Lärmminderungsmassnahmen Fackeln Fackel-Bauarten Funktionsprinzip Geräuschentstehung Emissionskennwerte Windkraftanlagen Entwicklung Bauformen und Betrieb Schallentstehung und Schallabstrahlung Lärmminderungsmassnahmen Lärmprobleme Aktive Schallunterdrückung Prinzip Anwendungen in Leitungen und Kanälen Anwendung im Fahrzeugbau Fahrzeugkabinen Auspuffanlagen Anwendung in Flugzeugkabinen Flugzeuge Flugzeugtriebwerke Fluglärm Zukünftige Entwicklungen Bolzensetzwerkzeuge Der Knall als Energie-und Geräuschquelle Geräuschursachen Geräuschcharakteristik Lärmminderungsmassnahmen Beispiel Ventilation eines Generators Ventilatoren Einleitung Bauarten von Ventilatoren Geräuschursachen 108

6 5.3.1 Allgemeines Drehklang Turbulenzgeräusch Wirbelgeräusch Gesamtgeräusch Bestimmung des Schallleistungspegels nach VDI 2081 Blatt 1 (2001) Genauigkeit der Methode Abschätzung des Schallleistungspegels Abschätzung des Oktav-Schallleistungspegels Geräuschverhalten bei vom Bestpunkt abweichender Ventilatordimensionierung Baufo.rmen und Einsatz von Ventilatoren Ventilator-Kenndaten nach VDI 3731, Blatt 2 (1990) Zweck und Geltungsbereich der Richtlinie Emissionskennwerte der Ventilatoren: Ausblas-Schallleistung Datensammlung Radialventilatoren mit rückwärts gekrümmten Schaufeln Trommelläufer Axialventilatoren mit Nachleitrad Axialventilatoren ohne Nachleitrad Herstellerunterlagen Messverfahren zur Bestimmung der Schallleistung von Ventilatoren Übersicht Internationale Normung Kanalschallleistungspegel Allgemeine Konstruktionshinweise für lärmarme Ventilatoren Zielsetzung Radialventilator Axialventilator Optimaler Einbau und Betrieb des Ventilators Einleitung Abstimmung von Ventilator und Anlage Zuströmbedingungen Einbau und Anschlüsse Pumpen Einleitung 133

7 6.2 Bauarten Übersicht Kreiselpumpen Oszillierende Verdrängerpumpen Rotierende Verdrängerpumpen Geräuschursachen Emissionskennwerte Grundlagen Kreiselpumpen Spiral-oder Ringgehäusepumpen Leitschaufelpumpen mit Rückführung Rohrgehäusepumpen mit Axialrad Oszillierende Verdrängerpumpen Reihenkolbenpumpen Membranpumpen Rotierende Verdrängerpumpen Schraubenspindelpumpen Zahnradpumpen Kreiskolbenpumpen Zusammenfassung Lärmminderungsmassnahmen Konzept der Lärmminderung Primäre Massnahmen Sekundäre Massnahmen Rohrleitungen und Ventile Einleitung Rohrleitungen: Grundlagen Übersicht Kennzeichnende Grössen Begriffe Strömungsgeräusch Kavitation Feststoffe im Fluid Rohrleitungen: Schallübertragung Allgemeines Schall im Fluid Schallfeld Dämpfung 156

8 Eigenschwingungen von Fluidsäulen Einfluss der Strömung Einfluss der Rohrleitungsgeometrie Schall in der Rohrleitungswand Körperschall Eigenfrequenzen von Rohren Rohrleitungen: Schallabstrahlung Einleitung Luftschallabstrahlung infolge Körperschallanregung Luftschallabstrahlung infolge Fluidschallanregung Schalldämmung Schallpegelabnahme innerhalb der Rohrleitung Luftschallausbreitung ausserhalb der Rohrleitung Luftschallabstrahlung von offenen Rohrleitungen: Schornsteine Rohrleitungen: Lärmminderungsmassnahmen Allgemeines Minderung der Schallentstehung Reduktion der Schallausbreitung im Fluid Reduktion der Körperschallübertragung Reduktion der Luftschallabstrahlung Armaturen Einleitung Bauarten und Lärmprobleme von Industriearmaturen Vergleichsverfahren Kritisches Druckverhältnis Normiertes akustisches Umwandlungsmass Spektrale Verteilung der inneren Schallleistung Geräuschemissionen Vergleich der Geräuschemissionen unterschiedlicher Armaturen Berechnung des inneren Schallleistungspegels Geräuschemissionsangaben Näherungsweise Berechnung der Schallabstrahlung Einleitung Armaturen für flüssige Medien Armaturen für Gase Zusammenfassung Stellventile Grundlage Einführung 193

9 7.7.3 Anwendungsbereich und Gültigkeitsgrenzen Begriffe und Definitionen Oel-hydraulische Anlagen Einleitung Geräuschentstehungsmechanismen Die einzelnen Bauelemente: Probleme und Lösungen Übersicht Hydropumpen Bauarten Geräuschursachen Lärmbekämpfungsmassnahmen Beispiele Hydromotoren Bauarten Geräuschursachen Beispiel Hydroventile Bauarten Geräuschursachen Lärmbekämpfungsmassnahmen Beispiele Hydraulikleitungen Geräuschursachen Lärmbekämpfungsmassnahmen Schalldämpfer Bauarten Beispiel Sekundärmassnahmen Allgemeines Platzierung eines Hydraulikaggregates Kapselung Zusammenfassung Kanalsysteme für Lüftungs-und Klimaanlagen Einleitung Berechnungsablauf Begriffe 218

10 Lüftungstechnische Grundbegriffe Dämmung und Dämpfung Schallmessungen Berechnungsmodell Geräuschentstehung Ventilatoren Strömungsgeräusche in geraden Kanälen Strömungsgeräusche in Abzweigungen und Umlenkungen Strömungsgeräusche beim Aussenlufteintritt und Fortluftaustritt Strömungsrauschen Abstrahlung nach aussen Beispiele aus der Praxis Strömungsgeräusche von Drosselklappen Zuluftauslässe und Ablufteinlässe Übersicht Strömungsgeräusche Beispiele von akustisch günstigen und ungünstigen Kanalkonstruktionen Kompensatoren für Kanäle Wirkungsweise Anordnung Ausführungsvarianten Kanalbefestigungen Einfluss der Kanalbefestigung Bauarten Wand-und Deckendurchbrüche Planung des Standortes einer Luftaufbereitungsanlage innerhalb eines Gebäudes Einleitung Mögliche Konflikte innerhalb des Gebäudes Mögliche Konflikte ausserhalb des Gebäudes Bauakustische Konsequenzen Grenzen der Bautechnik Schallpegelreduktion im Kanalsystem Pegelsenkung bei geraden Kanalstrecken Einleitung Berechnung der Pegelsenkung Rechenwerte für die Pegelsenkung Pegelsenkung durch Querschnittssprünge 247

11 Allgemeines Pegelreduktion durch einen einfachen Querschnittssprung Pegelreduktion durch einen doppelten Querschnittssprung Pegelsenkung durch Umlenkungen Allgemeines Runde Umlenkungen (Bögen, Rohrkrümmer) Rechteckige Umlenkungen (Kniestücke) Pegelsenkung durch Kanalverzweigungen Allgemeines Berechnung der Pegelsenkung Beispiele von Verzweigungen Pegelsenkung durch Diffusoren Allgemeines Berechnung der Pegelsenkung Pegelsenkung durch Bauteile der Luftaufbereitung Allgemeines Pegelsenkung Pegelsenkung durch Luftauslässe Allgemeines Mündungsreflexion Schallpegelverteilung im Raum Schallübertragung durch Kanalwandungen Allgemeines Schalldämmung von Wickelfalzrohren Schalldämmung von Kanälen mit Rechteckquerschnitt Schallabstrahlung und Schalleinstrahlung über Kanalwände Schallabstrahlung eines Kanals Schalleinstrahlung in einen Kanal Schallübertragung über einen geschlossenen Kanal Schallübertragung über Kanäle Richtlinien für den Bau des Kanalsystems Allgemeine Richtlinien Luftgeschwindigkeit Dimensionierung von raumlufttechnischen Anlagen Einleitung Ermittlung der erforderlichen Schallschutzmassnahmen Näherungsverfahren Gültigkeitsbereich Vorgehen Beispiel 271

12 9.6.4 Prinzip der Berechnung Beispiele Einfaches System mit Ventilator und geradem Rohrstück Kanalsystem mit Krümmer, Schalldämpfern und Diffusor Komplexe raumlufttechnische Anlagen Berechnungshilfen Schalldämpfer Einleitung Allgemeines Einsatzbereiche von Schalldämpfern Schalldämpferbauarten Begriffe Messungen an Schalldämpfern Ziel Grundlagen und Begriffe Normen Absorptionsschalldämpfer Allgemeines Berechnung der Dämpfung Einfluss der Luftströmung auf die Dämpfung Strömungsgeräusche im Schalldämpfer Beispiele aus der Praxis Neue Entwicklungen Faserfreie Absorber Mikroperforierte Absorber Relaxationsschalldämpfer Wirkungsweise Berechnung der Dämpfung Beispiele Reflexionsschalldämpfer Allgemeines Berechnung der Dämpfung Einfluss der Temperatur Hoch- und Tiefpassfilter Beispiele Resonanzschalldämpfer Allgemeines Viertelwellenlängen-Resonatoren 308

13 Helmholtz-Resonatoren Platten-und Folien-Resonatoren Interferenzschalldämpfer Allgemeines Berechnung der Dämpfung Beispiel Aktive Schallunterdrückung Prinzip Anwendungen in Leitungen und Kanälen Spezielle Schalldämpfer: Beispiele Schalldämpfer für einen Hybrid-Kühlturm eines Grosskraftwerkes Schalldämpfer für das Abblasen von Dampf Abluft-Schalldämpfer für eine Nassentstaubungsanlage Abgas-Spiral-Schalldämpfer Schalldämpfer für einen Seitenbrenner an einem Tunnelofen Heizungsanlagen Einleitung Wärmeerzeugung Schallemissionen: Übersicht Geräuschentstehung Verbrennungsgeräusche Motorische Geräusche Wärmepumpengeräusche Anfahrgeräusche Ventilatorgeräusche Heizölpumpengeräusche Geräusche von Brenngut-Förder-Einrichtungen Umwälzpumpengeräusche Armaturengeräusche Knackgeräusche von Heizleitungen und Heizkörpern Plätschergeräusche Schaltgeräusche Netzkommandogeräusche Ausbreitung bzw. Fortpflanzung von Geräuschen Luftschall Körperschall Flüssigkeitsschall 324

14 Richtwerte für die Schallemissionen von Heizungsanlagen Emissionen von Wärmepumpen Geräuscharme Heizungs-Bauarten Wahl des Standortes und bauliche Massnahmen Lage der Heizungsanlage innerhalb des Gebäudes Bauliche Massnahmen Schornsteine Bauarten Lage des Schornsteins Schornstein-Bestandteile Blockheizkraftwerke Lärmemissionen Zukünftige Entwicklungen Lagerung Randbedingungen Ausführungsdetails Wärmeverteilung Schallemissionen Übersicht Schalltechnische Bedeutung der Verteilelemente im Gesamtsystem Hinweise für die Planung Umwälzpumpen Bauarten der Umwälzpumpen Entstehung und Ausbreitung von Pumpengeräuschen Lagerung von Pumpen Abschätzung der Schallemissionen Armaturen Geräuschentstehung Bauarten Verteiler / Sammler Rohrleitungen Geräuschentwicklung Strömungsgeschwindigkeit Optimale Leitungsführung Rohrleitungsbefestigungen Kompensatoren Wärmeabgabe Schallemissionen Heizkörper 343

15 Fussbodenheizungen Regelorgane Stellhahnen und Stellventile Heizkörperventile Thermostatische Heizkörperventile Strömungsgeräusche Schallschutzmassnahmen: Zusammenfassung Prozessöfen Grundlagen Maschineneinteilung Emissionskennwerte Einfluss der Betriebsbedingungen auf die Geräuschemission Arbeitsplatzbezogene Emissionskennwerte Kälteanlagen Einleitung Maschinen und Aggregate Der mechanische Kälteprozess Verdichter (Kompressor) Offener Kolbenverdichter Halbhermetischer Kolbenverdichter Hermetischer Kolbenverdichter Turboverdichter Schraubenverdichter Verflüssiger (Kondensator) Luftgekühlter Verflüssiger Wassergekühlter Verflüssiger Verdunstungsverflüssiger Regelgerät Verdampfer Kühltürme Akustische Gewichtung der einzelnen Systeme Richtwerte für die Schallemissionen Genauigkeit der Richtwerte Kolbenverdichter Turboverdichter Schraubenverdichter Luftgekühlte Verflüssiger Kühltürme 366

16 12.5 Geräuschminderungsmassnahmen Verdichter Luftgekühlte Verflüssiger (Luftkühler) Kühltürme Massnahmen am Ventilator Massnahmen zur Reduktion des Wassergeräusches Standorte Bedeutung derstandorte Hinweise für die Planung Standort Verdichter Luftgekühlte Verflüssiger und Kühltürme im Freien Luftgekühlte Verflüssiger in Gebäuden Rohrleitungen Planungsgrundsätze Ausführungshinweise Zusammenfassung Literatur Bücher Richtlinien und Normen Zusammenstellung Normen und Richtlinien nach Fachgebieten Formelzeichen Sachregister 397