Technische Akustik - Ausgewählte Kapitel Grundlagen, aktuelle Probleme und Meßtechnik Dipl.-Ing. B. C. Günther Dipl.-Ing. Dr.-Ing. 5., aktualisierte Auflage Mit 268 Bildern ^ Kontakt & Studium Band 18 Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. Wilfried J. Bartz Technische Akademie Esslingen Weiterbildungszentrum DI Elmar Wippler expert verlag expertlqyl vertag
Inhaltsverzeichnis Herausgeber-Vorwort 1 Schall, Schallfeld, Schallfeldgrößen 15 1.1 Schall 15 1.2 Ton, Klang und Geräusch 17 1.3 Schallfeld, Schallfeldgrößen 18 1.4 Die Wellengleichung 22 1.5 Reflexion und Beugung 23 1.6 Stehende Wellen 25 1.7 Reflexionsfreier Raum 25 1.8 Hallraum 27 2 Messung der Schallfeldgrößen 29 2.1 Rayleigh-Scheibe 29 2.2 Schnellemikrofon und Druckmikrofon 31 2.3 Druckmikrofon mit endlichen Abmessungen 33 2.4 Kalibrieren der Mikrofone 40 2.4.1 Kalibrieren mit dem akustischen Kalibrator 41 2.4.2 Kalibrieren mit dem Pistonphon 42 2.4.3 Kalibrieren mit elektrostatischem Eichgitter 43 2.4.4 Reziprozitätskalibrierung 45 2.4.5 Kalibrieren mit besonders hohem Schalldruck 46 2.5 Gerichteter Schall, freies Schallfeld 47 2.6 Kundt'sches Rohr 51 2.7 Diffuser Schall 52 Aufbau, Funktion, Eigenschaften und audiometrische Prüfung unseres Gehörs 53 3.1 3.2 Definition Aufbau und Funktion des Ohres 53 53
3.3 Hörschwelle und Schmerzempfindungsschwelle 56 3.4 Lautstärke und Lautheit 58 3.5 Gerade noch wahrnehmbare Frequenzänderungen von Tönen durch unser Gehör 61 3.6 Tonhöhenempfindung und Tonheit 63 3.7 Audiometrische Prüfung des Gehörs 65 3.7.1 Tonaudiometrie 65 3.7.2 Überschwellige Audiometrie 67 3.7.3 Sprachaudiometrie 68 3.7.4 Objektive Audiometrie 70 4 Objektive Lautstärkemessung 73 4.1 Bewertete Schallpegel 73 4.2 Lautstärkebeurteilungsmethoden 77 4.2.1 Lautstärkeberechnung nach Zwicker 77 4.2.2 Lautheitsberechnung nach Stevens 80 4.2.3 Lärmbeurteilung von Flugzeuggeräuschen nach Kryter 83 4.2.4 Bewertung der Gefahr von Gehörschäden mit Geräuschbeurteilungszahlen 85 4.2.5 Bewertung der Gefahr von Gehörschäden aus A-Schallpegeln 86 4.3 Lautstärke von Schallimpulsen 88 4.4 Energieäquivalenter Dauerschallpegel, Lärmdosis 91 4.5 Statistische Pegelmessung, Überschreitungspegel 94 5 Subminiatur-Mikrofone 103 5.1 Akustisch-elektrische Energieumwandlung 103 5.2 Das elektromagnetische Mikrofon 104 5.3 Das Keramik-Mikrofon 106 5.4 Das Elektret-Kondensatormikrofon 109 5.5 Praktische Ausführung von Subminiatur-Mikrofonen 111 Körperschall-Auslenkung, Schnelle, Beschleunigung 114 B. C. Günther 6.1 6.2 Definition Messung des Körperschalls 114 114
6.3 Wandlertypen 115 6.3.1 Piezoelektrische Beschleunigungsaufnehmer 120 6.4 Kenngrößen der Beschleunigungsaufnehmer 125 6.4.1 Übertragungsfaktor 125 6.4.2 Frequenzgang 127 6.4.3 Dynamikbereich 130 6.4.4 Richtungsfaktor 130 6.4.5 Umwelteinflüsse 132 6.4.5.1 Temperatur 133 6.4.5.2 Verformung der Montagefläche 133 6.4.5.3 Luftschall 134 6.4.5.4 Feuchtigkeit 134 6.4.5.5 Magnetfelder 134 6.4.5.6 Radioaktive Strahlung 134 6.5 Ankopplung am Meßobjekt 136 6.5.1 Konstruktive Faktoren 136 6.5.2 Ankopplungsarten 138 6.5.3 Kabelbewegungen 138 6.5.4 Erdschleifen 141 6.6 Vorverstärker 143 6.7 Kalibrierung 145 6.8 Anhang 146 7 Frequenzanalyse 148 7.1 Einleitung 148 7.2 Beschreibungsmethoden für den Verlauf von Zeitfunktionen 149 7.3 Anwendungsprinzip der Frequenzdarstellung 151 7.4 Frequenzanalysatoren 153 7.4.1 Ein mechanischer Analysator 154 7.4.2 Eigenschaften von Frequenzfiltern 154 7.4.3 Wirkung der Filterbandbreite bei Analysen 155 7.4.4 Analysatoren mit Abstimm-oder Schrittfiltern 157 7.4.5 Überlagerungs-Analysatoren 158 4.7.6 Echtzeit-Analysatoren 159 7.4.7 FFT-Analysatoren 161 7.4.8 Synthetische Bandbreiten 170 7.4.9 Zwei-und Mehrkanalanalyse mit FFT 171 7.4.10 Cepstrumanalyse 172
7.5 Ausführung von Frequenzanalysen 172 7.5.1 Auswahl der Methode 172 7.5.2 Wahl der unveränderlichen Einstellung am Analysator 175 7.5.3 Deutung der Spektren 177 8 Korrelationsmeßtechnik in der Akustik 178 8.1 Einleitung 178 8.2 Korrelationsfunktion 178 8.3 Korrelationsspektrum 181 8.4 Cepstrum 183 8.5 Beispiele aus der Praxis für die Anwendung der Korrelationsmeßtechnik in der Akustik 185 8.5.1 Die Korrelationsmeßtechnik in der Raumakustik 186 8.5.2 Die Korrelationsmeßtechnik in der Schallortung 187 9 Lärm-Meßtechnik 191 B. C. Günther 9.1 Definition des Begriffes Lärm" 191 9.2 Lärmmessungen warum? 191 9.3 Lärmvorschriften 192 9.4 Meßgeräte-Normen 193 9.5 Technik der Lärmmessungen 194 9.5.1 Möglichkeiten zur Messung einer Lärmquelle 194 9.5.2 Ortung von Lärmquellen 201 9.5.3 Erfahrungen aus der Praxis 203 9.6 Grundsätzliches zu Schallschutzmaßnahmen 211 10 Schallabstrahlung von Maschinen und Apparaten 213 10.1 Einleitung 213 10.2 Typische Schallquellen an Maschinen 213 10.3 Übertragungswege für Schwingungen 214 10.4 Spektrumerzeugung durch Maschinen 216 10.4.1 Periodische Vorgänge 216 10.4.2 Stochastische Vorgänge 217 10.4.3 Impulsvorgänge 218
10.5 10.5.1 10.5.2 10.5.3 10.6 10.6.1 10.6.2 10.6.3 10.6.4 10.6.5 Mechanismen der Schallabstrahlung Schallentwicklung von Kugelstrahlern Schallstrahlung einer eben schwingenden Wand Schallabstrahlung durch Biegewellen Beschreibung der Schallabstrahlung durch die Schalleistung Berechnung der Schalleistung aus Schalldruckmessungen im freien Halbraum Berechnung der Schalleistung aus Schalldruckmessungen im Hallraum Berechnung der Schalleistung aus Messungen in beliebigen Räumen Ermittlung der Hallraumkorrekturen mit Hilfe einer Normalschallquelle Ermittlung der Schalleistung mit einer regelbaren Zusatzquelle 219 219 221 222 224 225 227 228 230 231 11 Schallvorgänge in flüssigkeitsgefüllten Rohren 233 11.1 11.2 11.2.1 11.2.2 11.3 11.4 11.4.1 11.4.2 11.4.3 Die Wellengleichung und ihre Lösungen Grenzfälle: Schallhart und schallweich berandete Flüssigkeitssäule Schallhart berandete Flüssigkeitssäule mit Kreisquerschnitt Schallweich berandete Flüssigkeitssäule mit Kreisquerschnitt Schallausbreitung in einer federnd berandeten Flüssigkeitssäule mit Kreisquerschnitt Erzeugung ebener Schallwellen in flüssigkeitsgefüllten Rohren Schalldruck und Schallschnelle Strahlungsimpedanz und Schalleistung Aufbau von Schallsendern zur Erzeugung ebener Rohrschallwellen 233 236 236 239 242 245 245 246 246 12 Verzerrungsmessungen an Schallübertragungssystemen 248 B. C. Günther 12.1 12.2 Definition 248 Der elektro-akustische Übertragungsfaktor, das elektro-akustische Übertragungs-Maß 250
12.3 Messungen von Frequenzgängen 251 12.3.1 Der Amplitudenfrequenzgang 251 12.3.1.1 Im freien Schallfeld / reflexionsfreien Raum 251 12.3.1.2 Im Anwenderraum 255 12.3.1.3 Amplitudenfrequenzgang von Mikrofonen 262 12.3.2 Der Phasenfrequenzgang 263 12.4 Messungen von Verzerrungen 268 12.4.1 Die harmonische Verzerrung (Klirrfaktor) 268 12.4.2 Die Intermodulationsverzerrung 270 12.4.3 Die Differenzfrequenzverzerrung 273 12.4.4 Die Transiente Intermodulationsverzerrung (TIM) 275 13 Flüssigkeitsschall 277 War Veit 13.1 Gegenüberstellung: Luft-, Flüssigkeits- und Körperschall 277 13.2 Quellen für Flüssigkeitsschall 278 13.3 Kaviation und Kavitationsgeräusche 279 13.4 Akustische Eigenschaften des Meeres 281 13.5 Wasserschallwandler 288 13.5.1 Wasserschallsender 288 13.5.2 Magnetostriktive Wasserschallsender 290 13.5.3 Piezoelektrische Wasserschallsender 290 13.5.4 Wasserschallempfänger (Hydrofone) 292 13.5.5 Magnetostriktive Hydrofone 293 13.5.6 Piezoelektrische Hydrofone 293 13.6 Kalibrierung 295 13.7 Hydroakustische Meßtechnik 297 14 Wissenswertes aus der Raum- und Bauakustik 298 14.1 Allgemeines 298 14.2 Schalldämmung 299 14.3 Trittschall, Trittschalldämmung und Trittschallschutzmaß 303 14.4 Schallschutz in der Raum- und Bauakustik 306 14.4.1 Schallschutz bei Wänden 306 14.4.2 Schallschutz bei Decken 308 14.4.3 Schallschutz bei Fenstern 309
14.4.4 Schallschutz bei Türen 310 14.5 Schallschutz mittels Schallschlucker 311 14.5.1 Poröse Schallschlucker 311 14.5.2 Resonanz-Schallschlucker 312 15 Schalleistungsmessung 314 15.1 Einleitung 314 15.2 Grundlagen der Messung 314 15.3 Praktische Messung 317 15.3.1 Messung im freien Schallfeld 317 15.3.2 Wichtige Bedingungen der Freifeidmessung 318 15.3.3 Messung im Hallraum 319 15.3.4 Nachhallzeit 319 15.3.5 Wichtige Bedingungen der Hallraummessung 321 15.3.6 Sonderhallraum-Verfahren 321 15.3.7 Messungen am Aufstellungsort 322 15.3.8 Hilfsschallquellen zur Korrekturermittlung 322 15.4 Raumunempfindliches Meßverfahren 324 15.5 Abwägung der Vor- und Nachteile verschiedener Verfahren der Schalleistungsmessung 325 16 Mikrofone für Luft- und Wasserschall 326 16.1 Allgemeines 326 16.2 Luftschallmikrofone 327 16.2.1 Elektrodynamische Mikrofone 330 16.2.2 Elektrostatische Mikrofone 335 16.2.3 Praktische Ausführungsarten von Mikrofonen 344 16.2.4 Interessante Varianten piezoelektrischer Mikrofone 351 16.2.5 Der Helmholtz-Resonator ein nützliches Hilfsmittel zur Veränderung von Mikrofon-Frequenzgängen 353 16.3 Wasserschallmikrofone (Hydrofone) 354 Literaturverzeichnis 355 Sachregister 363 Autorenverzeichnis 370