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Akustik für Ingenieure

Zweistündige Wahlvorlesung

Motivation | Inhalte | Ziele | Aspekte | Unterlagen | Konzept

Praxis

 

Motivation

Fragt man heute Menschen nach der ihrer Meinung nach stärksten und lästigsten Umweltbelastung, so erhält man meistens zur Antwort

Lärm

Das sollte auch für den Maschinenbauer Anlass sein, sich zumindest mit den Grundlagen der Akustik vertraut zu machen - nur allzu oft ist die Quelle störenden Lärms eine sonst doch recht nutzbringende Maschine.

Lärm ist im Grunde ein Schwingungsproblem, doch jetzt steht, als Erweiterung zur klassischen Schwingungslehre, nicht nur die Physik im Hintergrund -  Messtechnik und Beurteilung sind auch von physiologischen Gesichtspunkten geprägt.

Für den Maschinenbauer werden Kenntnisse akustischer Grundlagen schon im Vorfeld, im Hinblick auf lärmarmes Konstruieren von Interesse sein.

Lärmarm konstruieren heißt, 

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Lärm an der Quelle zu minimieren

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Lärm schon frühzeitig zu bekämpfen

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Lärm auf kostengünstige Weise zu vermeiden

Inhalt

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Gesichtspunkte, Stellenwert und Ziele der Akustik

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Schwingungslehre aus messtechnischer Sicht

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Frequenzanalyse und mechanische Impedanz

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Physikalische Grundlagen der Akustik

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Luftschall

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Körperschall

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Schallquellen in Maschinen

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Lärmarm konstruieren

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Sekundäre Lärmbekämpfung

Ziele

Was versteht man eigentlich alles unter dem Begriff Akustik?

Akustik scheint, vom Standpunkt des Ingenieurs gesehen,  im Prinzip zunächst lediglich eine spezielle Variante der Schwingungslehre. So wird man in einschlägigen Themenstellungen vieles finden, was man anderswo scheinbar schon zur Genüge gehört hat. Was bietet dagegen eine Akustikvorlesung an Neuem?

Neu ist der starke Aspekt der Messtechnik. Akustik hat immer mit der Einwirkung auf den Menschen zu tun. Akustik ist daher nicht denkbar ohne eine ausgefeilte Messtechnik. So wird man sich den Grundlagen der Schwingungslehre einmal in messtechnischer Sichtweise nähern.

Neu ist die tragende Rolle der Frequenzanalyse - ist doch das menschliche Ohr der leistungsfähigste aller Frequenzanalysatoren. Was hat uns Fourier zu sagen? Sind seine Ansätze nur abstrakt und kompliziert? - Sie sind es nicht - man wird es hören!

Neu ist es, Schwingungen in einem jetzt höheren Frequenzbereich zu betrachten. So manche klassische Methode, bewährte Rechenmodelle, sind hier bald überfordert. Das (schwingungstechnische) Weltbild ist erweiterungsbedürftig!

Bei hinreichendem Interesse ist daran gedacht, in Zusammenarbeit mit einem führenden Hersteller von Messgeräten eine einmalige Messübung (Schallleistung, Schallintensität) durchzuführen. 

Aspekte

Akustik ist in der maschinenbaulichen Praxis gleichermaßen wichtig wie unbeliebt. Wichtig wegen der hohen, gesundheitsschädlichen Lärmbelastung. Unbeliebt wegen der Kosten, die mit Lärmbekämpfung verbunden sind, oft als unproduktiv eingestuft (bei kurzsichtiger Betrachtung), der eigentlichen Aufgabe nicht nützlich, vielleicht sogar hinderlich. Es kann durchaus interessant und auch profitabel für den Ingenieur sein, sich auf akustische Fragestellungen zu spezialisieren. Das für dermaßen kontroverse Fragestellungen notwendige Feingefühl soll hier ergänzend zum Technischen vermittelt werden.

Unterlagen

Es steht ein sorgfältig ausgearbeitetes Vollskriptum zur Verfügung (ca. 140 Seiten). Ergänzend zur Vorlesung erhalten die Hörer einen (eher umfangreichen) Katalog von Fragen, die im Verlauf der Vorlesung schriftlich beantwortet werden sollten. Dadurch wird erfahrungsgemäß eine starke Vertiefung des Stoffes erzielt, vor allem, wenn die Fragen bereits mit einer Reihe von (ausschließlich der praktischen Erfahrung entnommenen) Fallen gespickt sind.

Die ausgearbeiteten Fragen sind Teil der Bewertungsgrundlage für die Prüfung am Ende der Lehrveranstaltung. Treue Hörer erhalten zum Abschluss ein Skript mit den sorgfältig ausgearbeiteten Antworten zur Ergänzung ihrer Unterlagen als Belohnung.

Das Konzept

... da hat man den Raum einer zweistündigen Vorlesung zur Verfügung, um etwas zu vermitteln, was anderswo vielleicht einen ganzen Studienzweig füllt. Was lässt sich daraus überhaupt machen?

Man könnte mit schulmeisterlicher Gründlichkeit in Grundlagen wühlen, bis das Semester zu Ende ist. Was hat man am Ende profitiert? Wahrscheinlich nicht sehr viel, weil man über Grundlagen kaum hinaus kommt. Wenig praktisch Anwendbares, bald vergessen.

Man könnte eine Folge von interessanten Stories aus der Praxis erzählen. Vielleicht interessant - aber hintergründig eher höchstens amüsant (wenn der Erzähler gut ist), wenig wirklich interessant. Nur bedingt in die Praxis umsetzbar, weil dort immer wieder neue Fragestellungen, neue Probleme auftauchen.

VERSUCHEN WIR ES EINMAL ANDERS!

Zunächst eine klare Zielsetzung: Lärmarm konstruieren, also den Schall schon an der Entstehung hindern oder zumindest behindern.

Die mathematisch/physikalischen Grundlagen können und wollen wir nicht weglassen. Beginnt es also wieder mit: "... was ist eine Schwingung?"

Es beginnt in der Tat so. Aber - betrachten wir jetzt die Grundlagen aus einer anderen Sichtweise:

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Aus der Sichtweise der Messtechnik (Messtechnik steht in der Akustik immer an oberster Stelle)

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Beurteilung von Schwingungen nicht nur vom Standpunkt der Mechanik, nicht nur aus rein physikalischer sondern auch aus physiologischer Sicht (im Hintergrund steht immer die Einwirkung auf den Menschen)

Wenn wir uns nicht an Banalitäten festbeißen, kommen wir gut vorwärts. Wir begegnen wieder einmal Namen wie Fourier, D´Alembert ...

Nein - nicht schon wieder Fourierintegrale ableiten, Konvergenz beweisen, Koeffizienten berechnen. Viel interessanter ist es, die Ansätze zu betrachten, zu überlegen: Was will Fourier uns eigentlich sagen (Fourier war Vollbut-Naturwissenschafter und keineswegs abstrakter Theoretiker). Eigentlich recht einsichtig und damit verblüffend einfach was dabei herauskommt. Nimmt den ganzen Schrecken auf einmal weg. Und das ist wichtig - ist doch der Fourier-(FFT)-Analysator heute eines unserer wichtigsten Messgeräte!

Numerische Verfahren in der Akustik - das würde den Rahmen einer solchen Vorlesung sprengen. Aber - wo setzen sie an, auf welchen Grundlagen bauen sie auf? Man wird zumindest lernen, sie im Vorfeld zu beurteilen.

Und dann ein weiter Bogen, der die wichtigsten Maschinen und Maschinenelemente umspannt, Schallentstehungsmechanismen, konstruktive Gegenmaßnahmen.

Wie ist diese Fülle in der knappen Zeit zu bewältigen? Ein sorgfältig ausgearbeitetes Manuskript entlastet vom Zwang zum Mitschreiben, Basis für wirklich konzentrierte Mitarbeit. Eine Reihe von Fragen (nicht allzu wenige), in der Vorlesung verteilt, geben Gelegenheit zur Wiederholung, zum Üben des Gelernten. Einige Kopfnüsse sind wohl dabei, auch harte. Gemeine Fangfragen, die jedoch nicht dem Sadismus des Vortragenden entspringen, sondern in der Tücke des Objekts begründet sind (ausnahmslos aus der realen Praxis). Stolpern ist jetzt preiswert - später nicht mehr.

Ein etwas anderes didaktisches Konzept - gereift an Beurteilungen, Kritiken und Hinweisen früherer Studenten.

Zweifellos eine gewisse Herausforderung. Zweifellos mit einer gewissen Anstrengung verbunden.

Zweifellos ein Aufwand, der sich am Ende aber gelohnt haben sollte.