EU erzwingt leisere Werkzeugmaschinen

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Institut für Werkzeugmaschinen Universität Stuttgart

Für die Schallquellenlokalisation ausgedehnter Objekte eignet sich besonders die Methode des Beamforming oder akustische Kamera. Die auf einer modellhaften Beschreibung beruhende Farbskalierung des Schallfeldes, überlagert mit dem Abbild der Werkzeugmaschine, ermöglicht letztlich das Bestimmen der detaillierten örtlichen Schallquellenpositionen. Bild 2 zeigt die Messanordnung zur akustischen Lokalisation im Fernfeld.

Interferenzsignale ermöglichen Ortung der Schallquelle

Die algorithmische Idee ist es, ein pseudoinverses Wellenfeld zu konstruieren, dessen Interferenzintegrale die Quellenkartierung bestmöglich annähern. Durch die entsprechenden Signallaufzeiten und Phasendifferenzen der einzelnen Mikrofonsignale erhält man somit eine Richtungsabhängigkeit der Mikrofonanordnung.

Mit den erfassten Zeitdatenblöcken lassen sich frequenzabhängig örtliche Schallfeldcharakteristiken instationärer Schallereignisse ermitteln, auf deren Basis transiente und zum Teil nicht genau reproduzierbare Vorgänge wie Spindelhochläufe analysiert werden können [6]. Dies ermöglicht zudem die Quellenortung bewegter Objekte, zum Beispiel bei großen Verfahrwegen der Achsen eines Bearbeitungszentrums. Die akustischen Schwachstellen einer Aufteilanlage für plattenförmige Werkstücke zeigt Bild 3.

Das Geräuschverhalten von Maschinen mit ihren verschiedenen Geräuschquellen und Ausbreitungswegen kann nach einer Modellvorstellung hinsichtlich der Schallentstehungs- und Weiterleitungskette untersucht werden. Mit der Kenntnis schallemittierender Maschinenbaugruppen lassen sich diese in aktive und passive Geräuschkomponenten unterteilen. Während die passiven Geräuschkomponenten lediglich an der Weiterleitung und Abstrahlung des Geräusches beteiligt sind, stellen die aktiven Geräuschkomponenten potenzielle Geräuschquellen dar, die sich wiederum in mechanische Körperschallquellen und strömungsmechanische Luftschallquellen unterscheiden lassen.

Akustische Energiebilanz ermittel Teilschallleistungen

Mit einer akustischen Energiebilanz kann weiterhin bestimmt werden, welche akustischen Teilschallleistungen der Einzelschallquellen auf die Gesamtschallleistung des untersuchten Objektes entfallen. Auf diesen Erkenntnissen basiert schließlich die systematische Optimierung mit dem generellen Hauptanliegen, konstruktive Maßnahmen mit dem größten Schallminderungspotenzial bevorzugt abzuarbeiten. Daraus lassen sich entsprechende primäre und sekundäre Minderungsmaßnahmen ableiten (Bild 4).

Maschinenakustische Aspekte blieben bisher meist unbeachtet, weil der Konstrukteur keinen einfachen Zugriff auf das relativ komplexe maschinenakustische Wissen hatte. Dies hatte zur Folge, dass die Schallthematik erst in späten Phasen des Konstruktionsprozesses oder sogar erst bei Einführung des Produkts zum Problem wurde und im Nachhinein zeit- und kostenintensive Nachbesserungen forderte. Bei der Entwicklung von Maschinenbaugruppen ist der Konstrukteur zukünftig gezwungen, bereits in einer sehr frühen Konstruktionsphase Entscheidungen zu treffen, um den Produkt- und Kundenanforderungen Rechnung zu tragen. Bei der Entwicklung geräuscharmer Maschinenbaugruppen sind nicht selten Kompromisse zwischen oft auch gegensätzlichen Anforderungen zu schließen.

Literatur:

[1] EG-Richtlinie 2003/10.

[2] EG-Richtlinie 2006/43.

[3] Bundes-Immissionsschutzgesetz vom 26. September 2002.

[4] TA Lärm vom 26. August 1998.

[5] Hels System User‘s Guide. Detroit/USA: Sen Sound LLC 2007.

[6] Technical Review Beamforming 1/2004.

Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. mult. Uwe Heisel ist Direktor des Institutes für Werkzeugmaschinen der Universität Stuttgart; M. Sc. Markus Rambacher ist akademischer Mitarbeiter des Institutes für Werkzeugmaschinen der Universität Stuttgart.

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