Franz Gustav Kollmann Thomas Franz Schösser Roland Angert. Praktische Maschinenakustik

Transkript

1 Franz Gustav Kollmann Thomas Franz Schösser Roland Angert Praktische Maschinenakustik

2 Franz Gustav Kollmann Thomas Franz Schösser Roland Angert Praktische Maschinenakustik Mit 166 Abbildungen

3 Prof. em. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Franz Gustav Kollmann Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Mechantronik und Maschinenakustik Magdalenenstr Darmstadt Dr.-Ing. Thomas Franz Schösser TFS Technische Akustik Friedrichstr Darmstadt Prof. Dr.-Ing. Roland Angert Fachhochschule Darmstadt Fachbereich Maschinenbau Schöfferstr Darmstadt Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet unter < abrufbar. ISBN Springer Berlin Heidelberg New York ISBN Springer Berlin Heidelberg New York Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Springer ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media springer.de Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2006 Printed in Germany Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Buch berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürfen. Sollte in diesem Werk direkt oder indirekt auf Gesetze, Vorschriften oder Richtlinien (z.b. DIN, VDI, VDE) Bezug genommen oder aus ihnen zitiert worden sein, so kann der Verlag keine Gewähr für die Richtigkeit, Vollständigkeit oder Aktualität übernehmen. Es empfiehlt sich, gegebenenfalls für die eigenen Arbeiten die vollständigen Vorschriften oder Richtlinien in der jeweils gültigen Fassung hinzuzuziehen. Satz: PTP-Berlin Protago-TEX-Production GmbH Einbandgestaltung: Struve & Partner, Heidelberg Herstellung: PTP-Berlin Protago-TEX-Production GmbH Gedruckt auf säurefreiem Papier 68/3020/Yu

4 Vorwort Grundlage des vorliegenden Buches ist eine rund zwanzig Jahre dauernde Forschung auf dem Gebiet der Maschinenakustik im Fachgebiet Maschinenelemente und Maschinenakustik des Fachbereiches Maschinenbau der Technischen Universität Darmstadt. Dieses Fachgebiet wurde von 1982 bis 2000 von dem Erstautor Franz Gustav Kollmann (FGK) geleitet. Die beiden Koautoren Thomas F. Schösser (TFS) und Roland Angert (RA) waren wissenschaftliche Mitarbeiter für Maschinenakustik am Fachgebiet. Beide Koautoren haben umfangreiche Erfahrungen in der eigenen Praxis gesammelt - TFS als Inhaber eines Ingenieurbüros für Technische Akustik und RA in veschiedenen Industriepositionen vor dem im März 2005 erfolgten Wechsel als Professor an die Fachhochschule Darmstadt. Der Seniorautor FGK hat 1993 (1. Auflage) und 2000 (2. Auflage) ein wissenschaftlich orientiertes Buch Maschinenakustik verfaßt. Dieses Buch wendet sich vorwiegend an Wissenschaftler in Forschung und Industrie sowie an Studierende an Universitäten. Das vorliegende Buch weist schon in seinem Titel Praktische Maschinenakustik darauf hin, daß es eine andere Zielgruppe als das Buch Maschinenakustik von FGK ansprechen will. Aufgabe dieses Buches ist es, die auf praktische Probleme anwendbaren Ergebnisse der Maschinenakustik so darzustellen, daß der in der industriellen Praxis tätige Ingenieur sie rasch finden und umsetzen kann. Kern des Buches sind Unterlagen für ein zweitägiges Seminar, das FGK und TFS vom Jahr 2000 bis zum Jahr 2003 an der Technischen Akademie Esslingen abgehalten haben. Gegenüber dem Buch Maschinenakustik von FGK weist dieses Buch die folgenden wesentlichen Unterschiede auf: Es werden die wichtigen Formeln der Maschinenakustik unter bewußtem Verzicht auf mit mathematischen Aufwand verbundene Herleitungen angegeben. Die Kapitel 10 und 11 zur akustischen Meßtechnik sind infolge ihrer großen praktischen Bedeutung wesentlich umfangreicher gehalten als die entsprechenden Kapitel im Buch Maschinenakustik. Am Ende wichtiger Abschnitte werden die wesentlichen Ergebnisse in Zusammenfassungen angegeben. Diese Zusammenfassungen sind mit einem Grauton hinterlegt, damit sie der Leser rasch auffinden kann. Die Autoren hoffen, daß dadurch die an den anwendungsorientierten Ergebnissen interessierten Leser sich rasch einen ersten Überblick verschaffen können. Das Lesen der Zusamenfassungen ersetzt selbstverständlich nicht das Studium der zugehörigen Abschnitte des Buches. Das vorliegende Buch beschränkt sich auf die sog. indirekte Schallabstrahlung. Daher werden Probleme der Strömungsakustik nicht behandelt. Hierfür gibt es zwei Gründe. Zum einen verfügen die Autoren auf dem Gebiet der Strömungsakustik nicht über eigene Expertise. Zum anderen würde durch eine Berücksichtigung der Strömungsakustik der Umfang des Buches unangemessen groß werden.

5 VI Vorwort Der Leser des Buches muß sich deutlich machen, daß die Maschinenakustik ein komplexes Gebiet darstellt, dessen Beherrschung nicht ohne eigene Anstrengungen möglich ist. Dies liegt daran, daß Schwingungs- bzw. Wellenausbreitungsvorgänge in zwei verschiedenen Aggregatszuständen miteinander bei der Abstrahlung von Schall durch Maschinen gekoppelt sind. In der Maschine liegt primär Körperschall vor, der die Abstrahlung von Luftschall verursacht. Demgemäß sind die Anforderungen an die Mitarbeit der Leser in den verschiedenen Kapiteln unterschiedlich. Die höchsten Anforderungen werden in den Kapiteln 8 und 9 gestellt, die eine knappe Darstellung der modernen numerischen Verfahren für die Berechnung von Körperschall- und Luftschallfeldern enthalten. Leser, die an einer vertieften Darstellung interessiert sind, werden auf die zweite Auflage des Buches Maschinenakustik von FGK und die dort angegebene Spezialliteratur verwiesen. Auch der Abschnitt 11.5, in dem das Verfahren der Experimentellen Modalanalyse behandelt wird, erfordert intensive Mitarbeit des Lesers. Schließlich haben die Autoren einigen Personen und Institutionen zu danken, die zu diesem Buch beigetragen haben. An erster Stelle ist hier der Springer-Verlag zu nennen, der mit großem Verständnis auf erhebliche Terminverzögerungen reagiert hat. Unseren ganz besonderen Dank sagen wir Herrn Thomas Lehnert, der im Springer-Verlag unser Buch betreut hat. Er war ein immer verständnisvoller und uns konstruktiv unterstützender Partner. Herr Professor Dr.-Ing. habil. Gunther Knoll, Universität Gh Kassel hat uns die Vorlagen zu den Abbildungen 8.6 mit 8.8 zur Verfügung gestellt. Der Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen e.v. danken wir für die freundliche Genehmigung zum Abdruck einiger Abbildungen aus dem Bericht [35]. Das Manuskript des Buches wurde mit dem Textverarbeitungssystem L A TEX erstellt. Auf Veranlassung des Springer-Verlags wurde dieses Manukript hinsichtlich des Layouts von der Firma PTP-Berlin Protago-TEX-Production GmbH überarbeitet. Für die dadurch erzielte Verbesserung des Layouts danken wir dem Springer-Verlag und der Firma PTP-Berlin Protago-TEX-Production GmbH verbindlich. Herr Luzius Schneider, Siglisdorf ( hat freundlicher Weise das Programm TxtEdit als Freeware zur Verfügung gestellt, in welches das für LaTeX einsetzbare Rechtschreibprüfprogramm Ispell integriert ist. Im Juni 2005 München Darmstadt Pfungstadt Franz Gustav Kollmann Thomas F. Schösser Roland Angert

6 Inhaltsverzeichnis 1 Grundlegende maschinenakustische Begriffe Allgemeines Direkte und indirekte Schallabstrahlung Pegelrechnung Grundzüge der physiologischen Akustik Admittanz und Impedanz Berechnungen mit komplexen Zahlen Effektivwerte Frequenzanalyse von Zeitsignalen Frequenzanalyse harmonischer Zeitsignale Fourier-Reihen periodischer Zeitsignale Fourier-Transformation Diskrete Fourier-Transformation Eigenschaften der Fourier-Transformation Dämpfung von Körperschall Physikalische Dämpfungsmechanismen Das Kelvin-Voigt-Modell Einfaches, eindimensionales Kelvin-Voigt-Modell Verallgemeinerung für kontinuierliche Körper Dämpfende Beläge Platte mit dämpfendem Belag Eingezwängte Beläge Das Körperschallverhalten einfacher Strukturen Der Einmasseschwinger Freie Schwingungen des Einmasseschwingers Erzwungene Schwingungen des Einmasseschwingers Biegeschwingungen von Rechteckplatten Freie Schwingungen der gedämpften Platte Erzwungene Schwingungen der gedämpften Platte Das Körperschallmaß Das Körperschallmaß einer Rechteckplatte Abschätzverfahren für das Körperschallmaß Glatte Rechteckplatte Ähnlichkeitsgesetze für das Körperschallmaß Platte mit vorgeschalteter Punktmasse Auswirkung von Rippen auf das Körperschallmaß... 94

7 VIII Inhaltsverzeichnis 5 Abstrahlung von Luftschallwellen Luftschallwellen Der Abstrahlgrad Der Kugelstrahler Die Kolbenmembran Die Abstrahlung rechteckiger Platten Physikalische Betrachtungen zur Abstrahlung von Platten Berechnung des Abstrahlgrads rechteckiger Platten Ähnlichkeitsgesetze für die Abstrahlung von Platten Abkopplung von Körperschall Maschinendynamisches Modell der Abkopplung Maschinenakustisches Modell der Abkopplung Maschinenakustische Grundgleichung Finite Elemente für die Berechnung von Körperschallfeldern Grundlagen der Finiten Elemente Das Verfahren der Numerischen Modalanalyse Ein Beispiel für eine FEM-Berechnung Numerische Berechnung abgestrahlter Luftschallfelder Grundlagen des äußeren Abstrahlproblems Akustische Finite Elemente Methode für endliche Außengebiete Infinite ellipsoidale Elemente nach Burnett Randelemente Vergleich von Methoden zur Berechnung von Abstrahlproblemen Grundlagen der maschinenakustischen Meßtechnik Zielsetzungen maschinenakustischer Messungen Maschinenakustisch relevante Meßgrößen Die allgemeine maschinenakustische Meßkette Sensoren Luftschallsensoren Körperschallsensoren Kraftsensoren Drucksensoren Drehwinkelsensoren für Drehzahlen und Drehschwingungen Schnittstellenstandards für Sensoren Meßdatenerfassung Grundlagen der Filtertechnik

8 Inhaltsverzeichnis IX Funktionsweise von Frequenzanalysatoren Praktische Aspekte der Diskreten Fourier-Transformation (DFT) Meßfunktionen der Fourier-Transformation Fehlerursachen maschinenakustischer Messungen Meß- und Auswerteverfahren Schwingungsanregung technischer Strukturen Anregungssignale Geräte für die Schwingungsanregung Impulsanregungsgeräte Elektromagnetische Schwingerreger Elektrohydraulische Schwingerreger Ordnungsanalyse Zeitbasierte Frequenzanalyse Drehwinkelbasierte Frequenzanalyse mit variabler Abtastfrequenz Drehwinkelbasierte Frequenzanalyse mit konstanter Abtastfrequenz Weitere Analyseverfahren Experimentelle Modalanalyse Auswahl des Meßobjekts Festlegung der Randbedingungen für die Lagerung Diskretisierung des Meßobjektes Wahl der Anregungspunkte und Ausführung der Messungen Modellbildung Parameterschätzung Darstellung der Ergebnisse Vergleich der Experimentellen und der Numerischen Modalanalyse Betriebsschwingformanalyse Betriebsschwingformanalyse im Zeitbereich Betriebsschwingformanalyse im Frequenzbzw. Ordnungsbereich Meßmethoden für die Luftschalleistung Grundlagen der Messung von Luftschall Schalldruckverfahren Schallintensitätsverfahren Methoden für die Entwicklung lärmarmer Maschinen Einführung Anforderungen an konstruktive Maßnahmen zur Lärmminderung

9 X Inhaltsverzeichnis 12.3 Werkzeuge für die Entwicklung lärmarmer Maschinen Methodisches Vorgehen beim Ableiten und Umsetzen von Maßnahmen zur Lärmminderung Allgemeine Maßnahmen für die Lärmminderung von Maschinen Regeln für die Minderung von Schall Beeinflussung der Erregerkräfte Beeinflussung des Körperschallmaßes Beeinflussung des Abstrahlgrades Ableitung von Maßnahmen zur Minderung von Geräuschen Anforderungen an konstruktive Maßnahmen zur Minderung von Geräuschen Schallentstehungskette Reduktion der Schallanregung Körperschallquellen Flüssigkeitschallquellen Luftschallquellen Reduktion der Schallübertragung Schalldämmung und Schalldämpfung Eigenschwingungsverhalten der Übertragungselemente Reduktion der Schallabstrahlung Ein einfaches, systematisches Beispiel Untersuchte Varianten Ergebnisse der durchgeführten Schalleistungsberechnungen Typische Anregungs- und Resonanzfrequenzen Literatur 353 Sachverzeichnis 357