Band 2 - Vliesstoff-Technologie: Vliesstoffakustik, Thermo-Fügetechnik, Absaug-Filtersysteme, Automobil-Vliesstoffe

Inhaltsverzeichnis:

Vorwort

Inhaltsverzeichnis:

1. Vliesstoffe kontra Strömungslärm
Einführung: Vliesstoffe zur Lärmminderung
Definition: Strömungsakustik, Strömungsschall und Lärmproblematik
Modellprojekt: Vliesstoffschalldämpfer an Ventilatoren
Systemanalyse: Akustikdesign mit Vlieskonstruktionen
Themenreflektion: Mehr Lärm, mehr Vliesstoff?
Literaturnachweis:

2. Thermofügetechniken für Vliesstoffe
Vliesstoffkonfektion und Thermofügetechniken
Systematik der Thermofügetechniken
Wärmeleitung
Wärmemitführung (Konvektion)
Wärmestrahlung
Dipolerwärmung durch Mikrowellen
Indirekte Schweißtechniken für Vliesstoffe
Heißluftschweißen (Warmgasüberlappschweißen)
Heizkeilwärmekontaktschweißen
Heizelementwärmekontaktschweißen
Heizelementwärmeimpulsschweißen
Strahlungsschweißverfahren
Heizelementstrahlungsschweißen
Laserstrahlschweißverfahren
Direkte Schweißtechniken: Ultraschall und Hochfrequenz
Das taktweise Schweißen
Das kontinuierliche Schweißen - Bahnschweißen
Das Hochfrequenzschweißverfahren und seine Anwendung
Werkstoffeignung
Thermokleben und Schweißhilfsmittel – Zusammenfassung
Literaturnachweis:

3. Filternde Absaugsysteme bei thermischer Bearbeitung
Thermische Bearbeitung nichtmetallischer Werkstoffe
Thermische Werkstoffveränderung und -zersetzung
Absaugsysteme – Prinzipien und Technologie
Durchschnittliche Prozesstemperaturen bei thermischen Trenn- und Fügeverfahren
Praxisbeispiele – Folgerungen für die Filterentwicklung
Prüfschema zum Einsatz von Absaugfiltern bei thermischer Verarbeitung
Literaturnachweis:

4. Vliesstoffe im Automobil
Globale Automobilität – Planet der Autos?
Vliesstoff im Fahrzeugbau – eine Entwicklungsgeschichte
Akustik – Schwingungen – Wärme – Sicherheit – Komfort
Werkstoff hinter den Kulissen im Automobil
Im Spannungsfeld neuer Fahrzeugkonzeptionen
Literatur:

1. Vliesstoffe kontra Strömungslärm

Systemanalyse von Vliesstoffkonstruktionen zur integralen und spektralen Schallbeeinflussung für die Lärmminderung

Nonwovens versus flow noise

System analysis of nonwoven constructions for integral and spectral Noise control for noise reduction

(Vortrag zur 26. Hofer Vliesstofftage 9/10. November 2011)

Themen:

- Einführung: Vliesstoffe zur Lärmminderung
- Definition: Strömungsakustik, Strömungsschall und Lärmproblematik
- Modellprojekt: Vliesstoffschalldämpfer an Ventilatoren
- Systemanalyse: Akustikdesign mit Vliesstoffkonstruktionen
- Themenreflektion: Mehr Lärm, mehr Vliesstoff?

Einführung: Vliesstoffe zur Lärmminderung

Warum empfinden wir im Urlaub die Meeresbrandung als beruhigend, aber das Geräusch des Düsenjets über unseren Häusern als Lärm? Wo ist der akustische Unterschied einer Pressluftsirene und dem Saxophon einer Jazzband? Oder ist das bekannte Geräusch eines Bierzapfhahns nicht identisch mit dem einer Duschwasserleitung im Wohnblock am frühen Morgen?

Alle diese aufgeführten akustischen Effekte sind physikalisch betrachtet doch NUR Schall, mehr oder weniger angenehm oder lästig. Im speziellen Fall ist dies Schall durch Strömungsakustik, also der Geräuschbildung durch Strömung aller Art.

Hinsichtlich der wachsenden Sensitivität gegenüber Lärm ist Strömungslärm ein besonderes Problem, da die Lärmminderung mit einfachen Mitteln zumeist schwierig zu realisieren ist – es gibt keine Universallösung. Zweckmäßig ist es, zuerst einmal darzustellen, wo Vliesstoffe generell zur Lärmminderung geeignet sind und wo und wie sie eingesetzt werden können.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(Bild: IUBäckmann)

Schon zu Beginn der Vliesstoffentwicklung wurden diese zur Körperschalldämmung als Akustikvliese und Schallabsorber und auch allgemein zur Lärmminderung eingesetzt. Dies dokumentieren die Literatur und Patentdatenbanken sehr deutlich. So wurde schon bald (Buresh 1962 / Tichmirov 1966) die Eignung verschiedener Fasertypen für die so bezeichnete „Schallisolation“ angegeben, bei denen subjektive Hörbewertungen aber nicht so gute Werte ergaben. Dies muss natürlich im Kontext der damals noch niedrigen Vliesstoffproduktion von nur 4,4 Mio. EUR gesehen werden (Pesch 1972), bei der der größte Teil noch in die Schuhindustrie ging. Schon wenige Jahre später wurde berichtet, dass die Automobilindustrie in verstärktem Maße eine Nachfrage nach „Dämpfungspaketen“ generierte. Diese sollten im Fahrzeugbau den Luft- und Körperschall dämpfen und den Komfort erhöhen (Bäckmann 1977).

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(Bild: IUBäckmann)

Aber auch Lösungen, den Körperschall durch Strömungsanregung in Rohrleitungen zu verringern, waren schon am Markt (Brandt 1971). Grundzüge der systematischen Lärmminderung an Ventilator- und Absauganlagen wurden in einer Untersuchung vorgestellt, bei der durch Schallpegelmessungen im Vorher-Nachher-Design die Wirksamkeit nachgewiesen wurde (Bäckmann 1974). Zum Einsatz kam dabei ein durch Kombinationsversuche entwickeltes mehrlagiges Akustikvlies mit unterschiedlichen Frequenzeigenschaften, um gezielt ein breitbandiges Akustikdesign zu erreichen. Auf dieser Grundlage wurde eine differenzierte Palette an Geräten mit Schalldämpfern im Baukastensystem in größeren Stückzahlen einige Jahrzehnte gebaut.

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(Bild: IUBäckmann)

Eine Folgestudie kam zum Ergebnis (Bäckmann 1975):

Vliesstoffe eignen sich besonders gut zur Geräuschbekämpfung in Ventilatoranlagen, Einsatzmäßig steckt diese Anwendung noch in den Anfängen, obwohl sich Vliesstoffe durch ihre verschieden einstellbaren Schallabsorptionsgrade ideal zur Unterdrückung bestimmter Frequenzbereiche eignen. Zur Körperschalldämmung sind sie wegen ihrer geringen schwingenden Masse nicht geeignet, sie kommen demnach nur im Wohnbau und Fahrzeugbau vermehrt zum Einsatz, da hier Gebäudeteile bzw. Fahrzeugteile die Schwingmasse ersetzen.

Vliesstoffe haben gute Chancen, wenn folgende Aufgaben zu lösen sind:

- Lärmminderung bei gleichzeitiger Luftfilterung in Lüftungsanlagen
- Luftschalldämmung bei gleichzeitiger Kälte- und Wärmeisolierung
- Luftschalldämmung und Körperschalldämmung bei Beschichtung mit Schwerspat
- Schalldämpfung bei gleichzeitiger Elektroisolierung
- Schwingungsdämpfung in Verbindung mit E-Isolation oder Lärmbekämpfung.

Hierzu sind jedoch umfangreiche Entwicklungsarbeiten notwendig, so dass Prognosen vorläufig nicht möglich sind.

Die Entwicklungsrichtungen der Vliesstoffe sind in der Folgezeit insbesondere durch

- Raumakustik, Bauakustik und Fahrzeugakustik geprägt (Albrecht, Fuchs, Kittelmann 2001).

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Das Akustik-Vlies aus 100 % Polyesterfaser wird zur Reduktion von Außengeräuschen auf die Rückseite von Metalldachelementen kaschiert, um den Körperschall zu entkoppeln und die Absorption zu verbessern.

(Bild: Arcelor Mittal)

Die Begründung ist darin zu finden, dass primäre Schallschutzmaßnahmen an der Schallquelle in diesen Bereichen nicht ausreichend das frequenzabhängige Lärmproblem lösen können. Erforderlich ist deswegen oft eine sekundäre Maßnahme, bei der Schall entweder gedämpft oder gedämmt wird – und zwar integral und / oder spektral betrachtet. Hier können neben anderen Werkstoffen die Vliesstoffe eingesetzt werden, da sie als poröse offene Absorber bzw. Dämmstoffe besonders gut geeignet sind. Die Energieumwandlung bei den Absorbern von Schall in Wärme erfolgt im Wesentlichen durch Reibungsvorgänge im Vliesstoffinnern. Schalldämmung dagegen erfolgt durch Schallreflexion und Verminderung der Ausbreitung zwischen Quelle und Senke, d. h. Schallempfänger. Ein Merkmal der Raumakustik ist z. B. die Schalldämpfung oder der Absorptionsgrad.

Für die akustische Entkoppelung der Abwasserleitungen vom Baukörper gibt es sog. Schallschutz-Dämmmanschetten Bild: Missel)

Grundlage der Bauakustik ist die Schalldämmung, gekennzeichnet durch das Schalldämmungsmaß. Sekundärer Schallschutz im Raumbereich ist wichtig bei Schallschutzkabinenwänden und –schirmen, bei abgehängten Deckenkonstruktionen, sogenannte Akustikdecken, oder frei hängenden Raumelementen zur Geräuschdämmung und –dämpfung. Der Geräuschkomfort in Fahrzeugen, sowohl Pkw als auch Lkw, kann durch Einsatz von Vliesstoffen in der Fahrzeugakustik von der Motorhauben- und Motorstirnwandabsorption über die Stirnwanddämmung und Bodenbeläge bis hin zur Seitenauskleidung und Dachhimmel reichen (Enz; Desmero 1981).

Feinste Faserstrukturen in Vliesstoffen ermöglichen eine hohe Luftschallabsorption bei geringer Masse und damit hocheffiziente Absorbersysteme, die als Matten oder Formteile eingesetzt werden können. Durch die Kombination mit Schwerschichten ist es möglich, leistungsfähige Feder-Masse-Systeme herzustellen, die im Vergleich mit herkömmlichen Materialien wesentlich leichter sind. Spezielle Vliesstoffe sind z. B. im Querschnitt mit unterschiedlichen Dichten (Gradientenvlies) statt mehrlagig aufgebaut (Riedinger; Sinambari; Thorn 1998). Ein solcher Vliesstoff hat im Frequenzbereich von vielen technischen und natürlichen Geräuschen bei entsprechender Anordnung günstige selektive Schallabsorption und ist durch geringes Gewicht besonders für den Leichtbau geeignet. Die auf Absorption basierenden Dämpfungseigenschaften im hochfrequenten Bereich werden mit denen von Resonatoren im niederfrequenten Bereich in einem einzigen Vliesstoff vereint. Dadurch konnten breitbandige Dämpfungseigenschaften realisiert werden, die ansonsten nur mit voluminösen Absorbern erreicht werden.

Neben den Vliesstoffen mit einem Gradienten im Schallabsorptionsgrad werden auch Mikrofaservliesstoffe zur effizienten Schallabsorption entwickelt, mit geringer Dicke und niedrigem Flächengewicht, bei der Schall an der bestehenden inneren Struktur der Faser absorbiert wird, z.B. für Hochbau und Fahrzeugbau (Jestel 2010). Mit heute speziell entwickelten Vliesstoffen können also mehrere akustische Funktionen übernommen werden zum multivariaten Akustikdesign.

Definition: Strömungsakustik, Strömungsschall und Lärmproblematik

Exemplarisch wurden schon einige Beispiele von mehr oder weniger lästigen Strömungsgeräuschen und ihren Quellen aufgeführt. Es muss aber noch geklärt werden, was man unter Strömungsakustik und Strömungslärm verstehen kann und verstehen muss.

Strömungsakustik ist das Fachgebiet, das sich mit der Entstehung und Ausbreitung aero- und hydrodynamisch erzeugtem Schall und dessen Minderung und Beeinflussung befasst.

Strömungsschall ist dann der Primärschall, der durch Strömungen in Gasen und Flüssigkeiten hervorgerufen wird und auch als Sekundärschall in Festkörpern als Körperschall weitergeleitet wird. Strömungsschall hat technische und natürliche Ursachen, wobei entweder das Fluid bewegt wird oder das Fluid ruht und darin ein Körper durch Bewegung mit höheren Geschwindigkeiten Wirbel verursacht als primäre Schallquelle (n).

Die Theorie dazu unterscheidet (Lips 2008)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(Quelle: Wikipedia 2011)

Aus Strömungsschall wird durch Übertragung der Schallwellen durch die Luft auf das Gehör und physiologisch-psychologische Prozesse Lärm – oder auch nicht, je nach psycho-akustischer Empfindlichkeit des Betroffenen oder medizinischer oder gesetzlicher Sicht.

Zu beachten ist grundsätzlich, dass Lärm durch die subjektive Bewertung negativ empfundener Schall ist. Aber auch positiv empfundener Schall (z. B. Musik) kann beeinträchtigend oder gesundheitsschädigend wirken.

Damit gilt folgende Definition:

Lärm ist Schall, der durch Störwirkung, Belästigung, Beeinträchtigung von Leistungsfähigkeit zu Unfallgefährdung oder Gesundheitsschäden führen kann (Maue 2009).

Strömungslärm ist nun eine spezielle Klasse von Lärm, die fast überall auftritt, entweder univariat oder multivariat durch Mischung (Überlagerung) der unterschiedlichsten Schall-/Lärmarten, z. B.

- Fluglärm
- Straßenlärm
- Menschen- / Tierlärm
- Eisenbahnen
- Musikinstrumente
- Ventilatorenlärm
- Turbinenlärm
- Gebäudeumströmung
- Flattergeräusche
- Luftkanäle
- Sirenen
- Rohrleitungen
- Lüftungskanäle
- Klimaanlagen
- Windkraftwerke.

Anzumerken ist, dass es bei Strömungslärm nicht um

- speziellen Maschinen-, Kfz-, Flugzeuglärm etc. geht,
- sondern um Lärmerzeugung durch Strömung, wie Strömungsmaschinen oder Wind / Wellen,
- Lärmausbreitung in relativ strömenden Fluiden
- und um den induzierten Körperschall durch Strömungslärm.

Strömungslärm berührt demnach systematisch die Gebiete

- der Raumakustik
- Fahrzeugakustik
- Bauakustik
- Gebäudetechnik
- Maschinenakustik
- Umweltakustik
- Psychoakustik.

Insbesondere sind mit zunehmender Mobilität und weltweiter Automobilisierung, steigendem Komfort durch Lüftungs- und Klimaanlagen, Umwelt-, Energie- und Kraftwerkstechnik, Computerisierung mit Ventilatorkühlung auch Ursachen neuerer Strömungslärmprobleme zu finden (Schirmer 2006).

Bei den vorgenannten Anwendungsfeldern und Techniken haben strömungsindizierte Geräusche einen dominanten Einfluss auf die Lärmhaltigkeit des Schalls. Deswegen steht nicht mehr ein einzelnes Konstruktionsobjekt oder Detail im Vordergrund, sondern es muss - zur Lösung von Strömungslärmproblemen die gesamte Hydro- und Aerodynamik des Strömungssystems einschließlich des Umweltsystems und der Psychoakustik einbezogen werden.

Ziel ist demnach eine akustische Optimierung von Strömungssystemen im Sinne eines Akustikdesigns mit primären und sekundären, passiven und aktiven Mitteln und Vliesmaterialien, um Lärm zu vermeiden bzw. zu minimieren und um Grenzwerte einzuhalten.

Grundsätzlich entstehen Strömungsgeräusche durch Bewegung in oder durch Fluide. Es muss also zuerst eine Strömung erzeugt werden. Dazu gibt es mehrere Möglichkeiten in mehreren Freiheitsgraden.

- Translation: z. B. ein Pkw fährt oder stillstehender Pkw wird umströmt.
- Rotation: eine Strömungsmaschine, z. B. Ventilator oder Turbine / Rotor mit oder ohne Gehäuse erzeugt einen Massenstrom
- Oszillation:eine Hubkolben(Verdrängungs-)anlage; Kompressor / Kolbenmotor erzeugt eine pulsierende Strömung
- Schwingungen: chaotische Bewegungen oder Impulsstöße bzw. Fluidexpansionen sind weitere Fälle, bei denen Strömungsgeräusche entstehen können.

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Ansauggeräusch eines Sechs-Zylinder-Dieselmotors.

(Bild: Mann + Hummel)

Von praktischer Bedeutung sind vor allem Fahrzeugumströmungen, Strömungen in Leitungen, Ansaug- und Ausströmgeräusche von Oszillations- und Rotationsmaschinen wie Ventilatoren und die damit verbundenen Lärmminderungsfragen durch Vliesstoffkonstruktionen (Gahlau 1998). An einem realisierten Modellprojekt – Lärmminderung in Ventilatoranlagen – sollen nun grundsätzliche Prinzipien der Beeinflussung von Strömungslärm aufgezeigt werden.

Modellprojekt: Vliesstoffschalldämpfer an Ventilatoren

Ventilatoren werden in sehr hohen Stückzahlen eingesetzt, bei Absaugungen, Computern bis zu Klimaanlagen und im Fahrzeugbau.

Ventilatoren und Gebläse können schon im Normalbetrieb Geräusche entwickeln, die bis zur Schmerzgrenze reichen. Das hängt mit der Kombination von ungleichmäßiger, verzögerter Luftströmung und hohen Luftgeschwindigkeiten zusammen (Dipol- und Quadrupolquellen). Schaltet man nun durch tief abgestimmte, elastische Lagerung einer Ventilatorenbaugruppe die rein mechanischen Schwingungsgeräusche aus, so bleibt ein breitbandiger Geräuschpegel erhalten, bei fast unverminderter Intensität in allen Frequenzbereichen (Schmidt 1974). Diese unangenehme Eigenschaft haben sowohl Axial- als auch Radialventilatoren. Geräuscharmut und auch kleinste Abmessungen sind jedoch vielfach Forderungen bei der Anwendung von Ventilatoren, insbesondere in der Nähe des arbeitenden Menschen, wie das bei Klima- und Absauganlagen der Fall ist. Diese Aufgabe kann durch Trommelläufer weitgehend gelöst werden, wenn die Geräuscharmut wichtiger ist als ein hoher Wirkungsgrad. Doch auch der Trommelläufer kann bei einem bestimmten geforderten Differenzdruck und gewünschter Luftmenge einen Grenzgeräuschpegel nicht unterschreiten. Neuere wissenschaftliche Untersuchungen bestätigten dies weitgehend, denn der von einem beliebigen Ventilator abgestrahlte Gesamtschall-Leistungspegel ist in Drehzahlbereichen bis etwa 3000 U/min in der Nähe des optimalen Betriebspunktes vom spezifischen Schalleistungspegel Lws = 60 ± 4 dB dem durchsetzten Luftstrom und der Gesamtdruckdifferenz abhängig, was in der VDI Richtlinie 2081 Bl. 1 (2001) in der Gleichung LW = LWS + 10 IgV + 20 IgΔPt zum Ausdruck gebracht wird. Die geförderte Luftmenge sowie der erreichbare statische Gegendruck sind durch die Ventilatorradgeometrie miteinander verknüpft, wobei der Anwender von Ventilatorrädern von den Maßlisten der Hersteller abhängig ist und Sonderbauformen nur bei Abnahme von größeren Stückzahlen diskutabel werden. In einem praktischen Fall wurde z. B. eine Luftmenge von 1200 m3/h bei einer Druckdifferenz von 25 dN/m2 gefordert. Damit ist die Lärmpegelentwicklung rechnerisch festgelegt mit Lw = 92,5 ± 4 dB als Summenwert.

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Radialventilatoren mit und ohne Gehäuse

(Bild: ebmPapst)

Werden jetzt noch zusätzliche Druck-und Volumensteigerungen verlangt, um etwa eine stärkere Saugwirkung zu erzielen, dann sind Geräusche auf Grund physikalisch-akustischer Gesetze zu erwarten, die auch bei Einbau dieses Absaugaggregates in ein Lärmschutzgehäuse nicht mehr zulässig sind, bzw. stark störend wirken. So werden heute vom Gesetzgeber ganz klar lärmarme Maschinen gefordert und auch der von der EG Lärm vorgegebene Schallpegelrichtwert von 80 - 85 dB(A) ist nur ein Kompromiss. Angestrebt wird, den Richtwert noch um 5 dB(A) herabzusetzen.

Es müssen also in vorerwähntem Fall zusätzliche Überlegungen angestellt wer­den, wie trotz problematischer Situationen der Geräuschpegel gesenkt werden kann. Dazu muss man jedoch in etwa wissen, welche Faktoren für den Ventilatorlärm maßgebend sind. Unbedingt erforderlich sind Schallpegelmessungen, um die vorhandenen Schalleistungen in den Frequenzbändern zu erhalten. Denn nur durch die Auswertung des Schallspektrums vor und nach jeder Konstruktionsänderung lassen sich sowohl nach Kosten als auch Geräuschminderung optimale Lösungen finden. Vor allem können sich durch Rundummessungen oder akustische Fotografie die Hauptlärmquellen, z. B. Strömung auf der Ansaugseite, die Ventilatorumdrehung oder auf der Ausblasseite die turbulente Strahlmischung mit der umgebenden Luft einwandfrei lokalisieren lassen. Das Geräusch setzt sich nun aus mehreren Komponenten zusammen, wenn wie schon früher angedeutet, die mechanischen Schwingungen durch elastische Lagerung aufgehoben wurden (Bäckmann 1974).

Das Gebläsegeräusch besteht aus dem Drehklang und aus dem stochastischen Rauschen.

Die Frequenz f des Drehklanges hängt mit der Schaufelzahl z und der Drehzahl n zusammen Der Faktor i = 1,2 bis 3 usw. steht für die höheren harmonischen Wellen. Den Drehklang kann man erklären, mit dem Vorbeistreichen von z Laufschaufeln an der Gehäusespitze, Sprialzunge, Leitschaufeln oder ähnlichen Hindernissen im Nahbereich des Diffusors. In dem schon erwähnten Fall mit einem direkt treibenden Motor mit 2800 U/min sind die zu erwartenden Frequenzen fi = 2040 Hz; 4080 Hz; 6120 Hz und 12240 Hz. Diese höherfrequenten Geräusche wirken bei gleicher Lautstärke in dB unangenehmer als niederfrequente. Das Rauschen überlagert sich dem Drehklang und ist auch in seiner Frequenzbandbreite nicht so scharf abgegrenzt. Dazu kommen noch Druckschwankungen und Luftschwingungen, deren Herkunft nicht immer eindeutig ist (Parameterstreuungen). Jedoch sind die Grundfrequenz und die Obertöne des Drehklangs meist herausragend. Von großem Einfluss auf die Lautstärke des Geräusches ist noch der Zungenabstand des Ventilatorspiralgehäuses, gemessen vom äußersten Luftraddurchmesser. Eine Verkleinerung des Abstandes auf 1 mm kann einen Pegelanstieg um 20 dB(A) bewirken. Die untersuchten Ventilatoren (Trommelläufer) zeigten sich allerdings hinsichtlich Änderung des Zungenabstandes nicht sehr empfindlich. Ein anderer Effekt (Sirenengeräusch), der ge­nau mit der errechneten Frequenz des Drehklanges zusammenfiel, konnte durch Änderung des Spiralgehäuses fast beseitigt werden.

Messungen an Ventilatoren und Akustikvliesstoffen zur Geräuschminderung (Bild: IUBäckmann)

Der Schall entsteht im Innenraum des Gebläses. Um nach außen zu gelangen, muss er durch die Wände und durch ein eventuell vorhandenes Gehäuse. Hier wirkt schon eine erhebliche Dämpfung, die sich jedoch als noch nicht ausreichend erwies. Vollkommene Abkapselung erlaubte die skizzierte Aufgabenstellung nicht, da eine Saug- und Blasöffnung erhalten bleiben musste. Weitere Messungen sowohl auf der Saug- und Blasseite zeigten, dass die Schallabstrahlung auf der Blasseite erheblich größer war (ca. 10 dB (A)). Damit stellte sich die Frage nach einem geeigneten Schalldämpfer, Zuvor wurden jedoch Versuche angestellt, wobei die austretende Luft im Gehäuse umgeleitet wurde. Dazu wurde das Gehäuse mit verschiedenen schallschluckenden Materialien ausgekleidet, unter anderem auch mit Vliesstoffen. Die Ergebnisse waren weder wirtschaftlich noch technisch befriedigend, da größere, nicht zu verkraftende Druckverluste auftraten. Bei den Versuchen mit bestimmten Akustikvliesen und Schalldämmfilzen fiel eine bemerkenswerte Geräuschpegelminderung auf, die dann auch zu deren Einsatz führte.

Schalldämpfer für lufttechnische Anlagen werden von einer ganzen Reihe von Firmen angeboten. Anfragen verliefen jedoch immer negativ, obwohl die Stückzahl interessant war; jedoch die vorhandene Einbaumöglichkeit ließ nur Maße von maximal 500 x 500 x 200 mm zu, eine Schallpegeldämpfung von mindestens 10 dB(A) war erforderlich und der Druckverlust sollte 1 bis 2 dN/m2 nicht überschreiten. Daraus resultierte die Eigenkonstruktion eines Schalldämpfers, der vorgegebene Bedingungen erfüllen sollte.

Nach ihrer physikalischen Wirkungsweise werden Schalldämpfer in Reflexions- und Absorptionsschalldämpfer unterteilt (Fuchs 2010). Bei Reflexionsschalldämpfern wird der Schall zur Lärmquelle hin reflektiert, bei Absorptionsdämpfern durch Reibungsverluste im porösen Absorber, hier die Akustikvliese, in Wärme umgewandelt. Die Dämpfung der Schalldämpfer ist frequenzabhängig, die von Akustikvliesen ebenfalls. Somit liegt die Überlegung nahe, diese Frequenzabhängigkeit festzustellen. Das haben einige Vlieshersteller schon durch umfangreiche physikalische Gutachten getan. Vergleicht man die Kurven des Schallabsorbtionsgrades verschiedener Vliese mit den Geräuschspektren der Trommelläufer, kann man sofort feststellen, dass sich Absorptions- und Schallpegelmaximas bei fast derselben Frequenz befinden: damit bieten Akustikvliese und Schalldämmvliesstoffe eine Möglichkeit, auf die Ventilatorfrequenzen abgestimmte selektiv wirkende Schalldämpfer zu konstruieren.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Schallspektrum eines Absaugtisches mit um 16dB(A) vermindertem Schallleistungpegel (Bild: IUBäckmann)

Im hier besprochenen Fall wurde eine Kombination aus Absorptions- und Reflexionsschalldämpfer entwickelt und mit Akustikvliesen ausgekleidet. Zusätzlich ergaben sich noch wirtschaftliche Vorteile durch den günstigen Preis und die gut 300% kleineren Abmessungen gegenüber den mit Mineralwolle ausgekleideten Dämpfern. Um jedoch Akustikvliese in größerem Maßstab zur Lärmbekämpfung in Lüftungs- und Ventilatoranlagen einsetzen zu können, kommen zweckmäßig Gradientenvliesstoffe mit selektiven, also auf die Frequenz abgestimmten Eigenschaften zur Verwendung. Zur rationellen Montage sollte eine Selbstklebeseite aufgebracht sein.

Prinzipkonstruktionen der Vliesstoffschalldämpfer an Absaugtischen (Bild: IUBäckmann)

In der Literatur und in Patentschriften sind weitere Projekte beschrieben, wie das Lärmproblem an Ventilatoren gelöst werden kann. Wichtig sind natürlich individuelle konstruktive Maßnahmen und optimale Montage, bevor zur Schallschluckkapselung und / oder Schalldämpfern gegriffen wird. Da die Spitzenschallpegel in vielen Fällen jedoch deutlich über 80 – 85 dB(A) liegen mit einer oft markanten Frequenz im Hörbereich, ist selektive Schalldämpfung / Lärmminderung eine notwendige Regel der Technik, die einzuhalten ist.

Systemanalyse: Akustikdesign mit Vlieskonstruktionen

Eine Klimaanlage, Lüftungs- oder Absauganlage hat neben ihrem lufttechnischen System – dem Funktionssystem - noch ein weiteres, das man als - akustisches System (Störsystem) bezeichnen kann.

Dieses ist gekennzeichnet durch

- Signaleingang (Schalleingang / Input)
- Signalveränderung (Systemverhalten)
- Signalausgang (Schallausgang / Output)

Schall ist informationshaltig, so dass sich alle Methoden der Signal und Systemanalyse anwenden lassen, was wesentliche Vorteile bringt bei der Bewertung von Akustikvliesen oder –Akustikvlieskonstruktionen (Bäckmann 2009).

Am Beispiel des Modellprojektes = Ventilator mit Schalldämpfer kann man aufzeigen, wie der Schallinput in einen Schalloutput transformiert wird mit veränderter Charakteristik. Der Eingang besteht aus dem Geräuschspektrum, das über lineare Übertragung oder nichtlineare Übertragung unverändert, verstärkt oder gedämpft weitergegeben wird, entweder integral oder spektral betrachtet (Hornfeck 2003), (Shoshani; Yakubov 1999).

Das System Schalldämpfer ist für die Transformation verantwortlich durch seine - Kennlinie oder Übertragungsfunktion oder Parametergleichung.

Damit wird die Qualität des Schalls im Nutzraum eindeutig bestimmt durch das Dämpferverhalten und das seiner Elemente und Absorberwerkstoffe. Drei Fragestellungen sind hierbei zu diskutieren:

- Wie wird eine unbekannte Systemkennlinie ermittelt, um vom Inputschall auf den Outputschall zu schließen?
- Kann man bei bekannter Kennlinie – Gesamtschalldämpfmaß oder Absorbtionsgrad der Einzelelemente, z. B. des Vliesstoffs – Soll-Eigenschaften konstruieren?
- Lässt sich bei vorhandenem Lärmspektrum der Quelle und eines definierten SOLL-Pegels oder Wunschpegel des Nutzraums die Transformationskennlinie ermitteln und die der evtl. Vliesstoffbauteile?

Da Schallpegelmessungen in aller Regel nicht im Zeitbereich, sondern im Frequenzbereich durchgeführt werden und die Ergebnisse auch schon logarithmisch vorliegen, kann bei Kenntnis des Eingangs- und Ausgangsschallpegels sofort der Differenzschallpegel ermittelt werden zu L(f) = LWin (f) – LWout(f)in Abhängigkeit von der Schallfrequenz.

Dies gibt die Gesamtwirksamkeit der Schalldämpfung in dB (Dezibel) an, also die Höhe des „geschluckten“ Schallpegels.

Die Gesamtübertragungsfunktion selbst ergibt sich zu entweder in % oder dimensionslos dargestellt.

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(Bild: IUBäckmann)

Unter der Voraussetzung der Zeitinvarianz (z. B. keine Phasenverschiebung durch Nachhall) und der Parameterkonstanz des Systems (z. B. vernachlässigbarer Temperatur- und Feuchteeinfluss) kann für einen beliebigen Eingangsschall- der Ausgangsschallpegel angegeben werden.

Zu beachten ist, dass evtl. für eine Lärmschutzmaßnahme geforderte Schallpegelgrenzwerte oder –verläufe vielleicht nicht mehr erreicht werden, da die Frequenzverteilung nun gänzlich anders geartet sein kann.

Schalldämpfer müssen bei einer Emissionsbetrachtung demnach immer an den Eingangspegel und den geforderten Sollpegel angepasst werden bzw. auf eine Bandbreite als Hochpass oder Tiefpass, was zu beachten ist. Dies kann durch Variation des Vliesabsorbers erreicht oder eingestellt werden.

Ist nun die Materialeigenschaft des Vliesstoffs in der Spezifikation als gemessener Schallabsorptionsgrad + Reflexionsgrad + Transmissionsgrad + Dissipation bekannt, kann durch Berechnung einzeln oder in Kombinationen eine neue Kennlinie ermittelt werden. Durch Rückwärtsrechnung von einem geforderten Sollschallpegel auf den der Schallquelle lässt sich wiederum integral oder spektral eine Sollkennlinie des Schalldämpfers definieren, und daraus die Vliesstoffparameter ableiten – dies ist eine Immissionsperspektive.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(Bild: Bäckmann)

Gibt es genügend akustische Vliesstoffdaten in einer Datenbank, sind durch vollständige Enumeration oder lineare Optimierung sehr gute Optimierungsergebnisse zu erreichen. In der Praxis wird jedoch noch häufig empirisch und heuristisch auf Basis nur weniger Materialvarianten das Schalldämpfersystem konstruiert, wobei dann nicht in jedem Fall Vliesstoffe zum Einsatz kommen, da die Daten nicht vorhanden sind (IRB Datenbank 2011).

Zulassungen und Prüfbescheide (38): Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Recherchieren Sie in BZP – der Datenbank für bautechnische Zulassungen. Hier können Sie differenziert recherchieren, hier finden Sie detaillierte Fachgruppen-Übersichten, hier finden Sie auch abgelaufene Zulassungen zur Datenbank BZP®

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Lärmminderungsmaßnahmen sollten zweckmäßig messtechnisch, integral und spektral überprüft werden, da Materialdaten mit Streuungen behaftet sind und bei Schall grundsätzlich und Strömungsschall besonders die Welleneigenschaften beachtet werden müssen, wobei Absorption / Reflexion / Beugung, Interferenz und Schalllaufzeiten zu unerwünschten Effekten führen können.

Die häufig verbreitete geometrische Akustik genügt daher nicht, und besonders bei Texturen, Porositäten und Hohlstrukturen, Gradienten und 3-D-Schichten sind Methoden der physikalischen Akustik unverzichtbar.

Neben den Messungen sind seit vielen Jahren Akustiksimulationen bekannt und vorhanden, die auch bei Mikrostrukturen, wie Textil und Vliesstoff, neue Möglichkeiten der Materialoptimierung eröffnen. Dabei können Parameter wie Faserfeinheit, Vlieskonstruktion, Flächen- und Raumgewicht, Verdichtung und Geometrie auf akustische Eigenschaften und Wirkung studiert werden (Div. Forschungsinstitute bieten sich an).

Das klassische Vorgehen beim Einsatz von Vliesstoffen in der Strömungsakustik orientiert sich regelmäßig an den auralen Lärmwirkungen, den Beurteilungspegeln und der gesetzlichen und medizinischen Bewertung von Lärm.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Schallspektrum und Isogrenzkurve– Absauggerät Unterseite (Bild: IUBäckmann)

In jüngerer Zeit werden aber Begriffe wie - Soundscape und Akustikdesign populär. Hierbei geht es darum, nicht nur Pegel zu senken und Lärm zu eliminieren, sondern angenehme und Wunschgeräusche zu designen mit dem Prinzip der Komfortorientierung. Haushaltsgerätehersteller und Autohersteller unterhalten schon Abteilungen für Geräuschdesign. Dabei stellen sich Fragen, wie ein Staubsauger klingen soll oder ein Cabriodach oder Pkw-Dachhimmelbei höheren Geschwindigkeiten. So wurde eine Himmelverkleidung auf Basis PES-Vlies entwickelt, die subjektiv bessere Eigenschaften besitzt als bisherige (Bäckmann 2009)

Im Ergebnis zielt diese psychoakustische Methode auf die extraauralen Schallwirkungen nach dem Motto: „ Geräusch wird durch Wohlklang erst schön“.

Insbesondere Vliesstoffe können hier durch ihre Variabilität und akustische Machbarkeit ein breites und interessantes Einsatzgebiet finden. Die akustische Systemtheorie zeigt demnach Wege und Lösungen auf – Schlagwort ist jetzt: adaptive Textilakustik – mit Spielraum für Zukunftsvisionen.

Themenreflektion: Mehr Lärm, mehr Vliesstoff?

Die Weltgesundheitsorganisation WHO ermittelte in einer im Frühjahr 2011 veröffentlichten Studie Lärm als zweitgrößtes Gesundheitsrisiko. Nach vielen weiteren Umfragen hat die Lärmbelastung über die Jahrzehnte hin zugenommen. Bei Wikipedia stehen ca. 10 Millionen Einträge zu Lärm, Fachliteratur über Lärm gibt es in hunderten von Büchern und zehntausenden Fachartikeln. Gibt es aber auch Informationen über Vliesstoffe zur Lärmminderung? Die wichtigsten Fachbücher über Lärmschutz, Strömungsakustik verzeichnen Vliesstoffe nur am Rande, wenn überhaupt, dann bezeichnet als poröse Werkstoffe. In der Literaturdatenbank fiz TEMA wird das Thema mit wenigen Einträgen dokumentiert. Sogar neuere Textilfachbücher kommen zum Thema „Vliesstoff und Lärm“ im Jahre 2011 kaum über das hinaus, was Jörder schon 1976 und auch Albrecht, Fuchs und Kittelmann 2001 auf einigen Seiten geschrieben haben. Einen Lichtblick bieten inzwischen einige Dissertationen und Diplomarbeiten an nichttextilen Instituten.

In unserer Informationsgesellschaft, im Zeitalter des Wissensmanagements gibt es scheinbar ein Informationsdefizit über Akustikvliesstoffe und Vliesstoffe in der Lärmminderung.

So ist die Lage wirklich! Die einfache Rechnung:

- mehr Lärm, mehr Vliesstoff, geht so nicht auf, wenn die Akteure am Markt nicht umfassend Informationen, die dem Problem angemessen sind, den Entwicklern und Konstrukteuren zur Verfügung stellen mit dem Ziel, mehr und bessere Vliesstoffe abzusetzen.

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