Akustische Analyse

In der heutigen Welt, in der der Klang in allen Lebensbereichen – von Musik bis hin zu Kommunikationstechnologien – eine wichtige Rolle spielt, wird die akustische Analyse zu einem äußerst wichtigen Werkzeug. In diesem Artikel werden wir tiefer in die Bedeutung und Anwendungen der akustischen Analyse eintauchen und herausfinden, wie diese Technologie zu einem besseren Verständnis von Klang in verschiedenen Kontexten, von der Medizin bis hin zur Audioingenieurtechnik, beiträgt.

Einführung in die akustische Analyse

Das Konzept der akustischen Analyse hat keine einzige, feste Definition. Einfach ausgedrückt ist die akustische Analyse die Interpretation von Ergebnissen und die Suche nach Zusammenhängen zwischen den Parametern des untersuchten Objekts auf Basis der durchgeführten Messungen.

Typischerweise besteht eine solche akustische Analyse aus mehreren Teilen oder Phasen:

Der erste Teil ist ein Bericht mit den Ergebnissen der am Objekt durchgeführten Tests, bei dem spezifische akustische Parameter vorliegen. Ein Beispiel wäre ein Bericht, der den Lärm an einem Maschinenarbeitsplatz zeigt. In der Regel besteht ein solcher Bericht aus einer Antwort auf die Frage, ob der Lärm die zulässigen Normen überschreitet, die durch Gesetz oder vom Designer festgelegt wurden.

Der eigentliche Teil der akustischen Analyse, also der zweite Teil, beantwortet die Fragen, warum die Norm überschritten wurde und welche Maßnahmen in Betracht gezogen werden sollten, um den Geräuschemissionspegel effektiv zu reduzieren.

In diesem Schritt kann ein akustisches Modell erstellt werden, das eine Art akustische Simulation des untersuchten Raums ist. Zu diesem Zweck wird spezialisierte Software verwendet, die es ermöglicht, alle Lösungen zu analysieren (man kann prüfen, ob das Einfügen oder Verstärken vorhandener Wände oder Abschirmungen den Geräuschemissionspegel beeinflusst usw.).

Der Bau eines akustischen Modells ist ein sehr praktisches und effektives Werkzeug für fortgeschrittene akustische Analysen.

Grundlegende Konzepte im Zusammenhang mit der akustischen Analyse

Klang und seine Eigenschaften: Eine Einführung in die Natur des Klangs, seine Definition und Eigenschaften wie Frequenz, Amplitude und Dauer. Diskussion der verschiedenen Arten von Klang, einschließlich Tönen, Geräuschen und Impulsen, und deren Bedeutung im Kontext der akustischen Analyse.

Schallwandlung: Erklärung des Prozesses der Umwandlung von Schallwellen in elektrische oder digitale Signale, die von Computersystemen analysiert werden können. Diskussion der verschiedenen Arten von Sensoren und Mikrofonen, die in der akustischen Analyse verwendet werden, und deren Anwendungen.

Akustische Eigenschaften: Präsentation verschiedener Parameter und Maße, die zur Beschreibung akustischer Eigenschaften verwendet werden, wie SPL (Schalldruckpegel), Schallfrequenzbereich, Nachhallzeit und die Verteilung des Schalls im Raum.

Schallspektrum: Erklärung des Konzepts des Schallspektrums, das die Verteilung der Schallenergie als Funktion der Frequenz beschreibt. Diskussion der Methoden der Spektralanalyse, wie z. B. der FFT (Fast Fourier Transformation)-Analyse, und deren Bedeutung bei der Charakterisierung von Klang.

Raumakustik: Darstellung grundlegender Konzepte im Zusammenhang mit der Schallausbreitung in Räumen, wie Diffusion, Absorption und Reflexion von Schall. Diskussion von Methoden zur Modellierung und Messung der Raumakustik und deren Anwendungen im akustischen Design.

Digitale Audiosignale: Eine Einführung in grundlegende Konzepte der digitalen Audiobearbeitung wie Abtastung, Quantisierung und Codierung. Diskussion verschiedener Audio-Dateiformate und Audiokompressionsmethoden.

Methoden der akustischen Analyse: Präsentation verschiedener Techniken und Werkzeuge, die zur Schallanalyse verwendet werden, wie Zeit-Frequenz-Analyse, Schallenergiepegelanalyse oder Analyse akustischer Signale mit Methoden der künstlichen Intelligenz.

FEM (Finite-Elemente-Methode): FEM ist eine numerische Technik, die zur Modellierung und Analyse komplexer akustischer Strukturen wie Gebäude, Fahrzeuge oder Geräte verwendet wird. Im Kontext der akustischen Analyse ermöglicht FEM die Simulation der Schallausbreitung durch verschiedene Materialien und Räume, was die Bewertung der Auswirkungen von Strukturen auf die Schall- und Vibrationsemission und -verteilung sowie die Identifizierung von Bereichen ermöglicht, die einer akustischen Optimierung bedürfen.

Akustische Modelle: Akustische Modelle sind mathematische oder computergestützte Darstellungen akustischer Phänomene in einer gegebenen Umgebung. Sie können verwendet werden, um die Schallausbreitung unter verschiedenen Bedingungen zu simulieren, von offenen Räumen bis hin zu geschlossenen Räumen. Diese Modelle ermöglichen die Vorhersage von Geräuschpegeln in verschiedenen Szenarien und die Gestaltung von Gegenmaßnahmen zur Reduzierung der negativen Auswirkungen von Lärm auf Menschen und die Umwelt.

Umgebungslärm: Umgebungslärm umfasst alle unerwünschten Geräusche, die durch menschliche Aktivitäten in natürlichen Umgebungen erzeugt werden, wie Verkehr, Industrie, Flughäfen und kommerzielle Aktivitäten. Die Analyse von Umgebungslärm zielt darauf ab, seine Auswirkungen auf Menschen und die Umwelt zu bewerten und Lärmminderungsstrategien zu entwickeln, um die Lebensqualität zu verbessern.

Lärmbewertung: Lärmbewertung bezieht sich auf die Beurteilung der Geräuschpegel von bestimmten Quellen an einem bestimmten Punkt oder in einem bestimmten Gebiet. Sie kann verwendet werden, um Bereiche als mehr oder weniger laut zu klassifizieren und um Quellen zu identifizieren, die Maßnahmen zur Lärmreduzierung in einer sehr optimierten Weise erfordern.

Lärmminderungsstrategie: Eine Lärmminderungsstrategie umfasst eine Reihe von Maßnahmen, die darauf abzielen, den Geräuschpegel in einer bestimmten Umgebung zu senken. Dies kann den Einsatz von Schalldämmungen, strukturellen Modifikationen, Lärmminderungen durch Schalldämpfer, Gehäuse usw. umfassen. Eine effektive Lärmminderungsstrategie berücksichtigt sowohl technische als auch finanzielle Aspekte, um optimale Ergebnisse zu erzielen.

Schalldruckpegel – Schalldruckpegel (SPL): SPL ist ein Maß für den Schalldruck, der auf einer logarithmischen Skala ausgedrückt wird. Es ist ein häufig verwendetes Maß in der akustischen Analyse, um Geräuschpegel in verschiedenen Umgebungen zu bewerten und Lärm gemäß den Vorschriften und Standards zu normalisieren.

Schallleistungspegel – Schallleistungspegel (Lw): Lw ist ein Maß für die gesamte Schallleistung, die von einer Quelle abgestrahlt wird, unabhängig von ihrer Umgebung. Es wird verwendet, um die akustischen Eigenschaften von Geräten, Maschinen und anderen Objekten zu charakterisieren und ihre Auswirkungen auf die Umwelt zu bewerten. Der SWL ist ein wichtiger Parameter bei der Konstruktion von Geräten mit begrenzten zulässigen Lärmpegeln.

Durch das Verständnis dieser grundlegenden Konzepte ist der Leser bereit, sein Wissen über die akustische Analyse und deren Anwendungen in verschiedenen Bereichen zu vertiefen.

Methoden und Werkzeuge der akustischen Analyse

Eine der grundlegenden Methoden der akustischen Analyse ist die statistische, die viele Messungen des gleichen Typs des getesteten Objekts verwendet, aber für unterschiedliche Größen, Betriebszustände und unterschiedliche Strukturen.

Eine andere Form dieser Methode besteht darin, verschiedene Elemente eines gegebenen Objekts separat zu untersuchen, die besten auszuwählen, um sie zu dem bestmöglichen getesteten Element zusammenzufügen. Ein Beispiel wäre die Auswahl der besten Materialien für die Herstellung von Türblättern und Rahmen, dann die Messung der Dämmung mehrerer Dichtungen und schließlich der Zusammenbau der Tür aus dem besten ausgewählten Rahmen, Türblatt und Dichtung.

Eine sehr effektive Analysemethode ist der Bau eines akustischen Modells. Es handelt sich um eine Art Computersimulation der Geräuschumgebung. Dank dieser Methode können wir zwei Dinge erreichen: Erstens können wir das sogenannte Geräuschranking erstellen, d. h. die Struktur des Geräuschs erkennen und Daten darüber erhalten, welche Quelle am meisten zu dieser Struktur beiträgt. Auf dieser Grundlage kann man eine akustische Lösung entwerfen, die die beste und kostengünstigste Antwort auf das Problem darstellt.

Wir verwenden auch theoretische Analysen. Dies ist nichts anderes als eine Studie der verfügbaren Literatur. Wir suchen Artikel und andere Quellen, um zu sehen, ob es eine Veröffentlichung gibt, die sich mit einem spezifischen Problem befasst.

Anwendungen der akustischen Analyse in verschiedenen Bereichen

Die akustische Analyse ist die Grundlage des Prozesses, auf den wir uns spezialisiert haben, nämlich der akustischen Optimierung von Produkten. Die Optimierung wird in verschiedenen Bereichen eingesetzt. Sie gilt sowohl für strukturelle Elemente (wie Wände und Verglasungen) als auch für komplette Maschinen und Geräte, wie Waschmaschinen und Geschirrspüler.

Während der Analyse müssen wir zunächst wissen, welchen akustischen Parameter wir optimieren möchten. Im Fall von Industrieanlagen haben wir es am häufigsten mit dem Lärm zu tun, den diese in die lokale Umgebung abgeben. Innenräume betreffen hauptsächlich Arbeitsplätze und die Lärmbelastung der Mitarbeiter.

Bei Maschinen und Geräten kann es mehr Parameter geben. Dies sind Parameter wie Geräuschemissionspegel, akustischer Leistungspegel, Gesamtpegel, Geräuschspektrum.

Wir analysieren den Betrieb der Maschine und die akustischen Bedingungen im gesamten Spektrum – im niedrigen oder hohen Frequenzbereich.

Die akustische Kartierung von Städten ist eine weitere Anwendung der akustischen Analyse. Eine ganze Reihe von Aufgaben ist notwendig, um umfassende akustische und nicht-akustische Daten zu erhalten, die dann zur Erstellung einer strategischen Lärmkarte verwendet werden. Dies führt zu einem Berechnungsmodell, das die akustische Landschaft einer ganzen Stadt darstellt. Solche Karten werden von spezialisierten Unternehmen erstellt, die Erfahrung in der Umweltakustik haben. Sie ermöglichen eine fundiertere urbane Raumplanung und die Identifizierung der wichtigsten Lärmquellen in der Umgebung, wodurch Maßnahmen zur Reduzierung der Belästigung für die Bewohner erleichtert werden.

Strategische Lärmkarten dienen als primäre Informationsquelle für:

• Die Information der Öffentlichkeit über lärmbezogene Gefahren in der Umwelt.
• Die Sammlung von Daten für das staatliche Umweltmonitoring.
• Die Erstellung und Aktualisierung von Lärmschutzprogrammen.
• Die Erstellung von Lärmschutzaktionsplänen.
• Die strategische und räumliche Planung.

Es handelt sich um ein mehrschichtiges Dokument, das verschiedene Aspekte im Zusammenhang mit Lärmabstrahlung, -immision und den Auswirkungen jeder Lärmquelle und jedes Indikators enthält. Die strategische Lärmkarte hängt weitgehend von den in das Modell eingehenden Daten und Analysen ab.

Akustische Eigenschaften von Materialien – wie messen wir sie?

Bei Materialien unterscheiden wir drei grundlegende Eigenschaften:

Akustische Dämmung: Sie sagt uns, wie hoch die Undurchlässigkeit des Materials in Bezug auf Schall ist. Die akustische Dämmung kann weiter in die Herkunft der Geräusche unterteilt werden. Das Material hat dämmende Eigenschaften gegen Luftschall (z. B. Musik, die sich im Raum ausbreitet) und Dämmung gegen Trittschall, z. B. Schrittgeräusche.

Schallabsorptionskoeffizient: Am häufigsten analysieren wir den sogenannten Nachhall-Schallabsorptionskoeffizienten an Material in einer großen Probe, etwa 10 bis 12 m2 Material in einem Nachhallraum. Der Koeffizient ist dimensionslos und reicht von 0 bis 1, wobei 0 eine vollständige Abwesenheit von Absorption in einem gegebenen Band und Schallreflexion bedeutet, und 1 eine vollständige Absorption. Zusätzlich untersuchen wir auch den physikalischen Schallabsorptionskoeffizienten. Der Unterschied zwischen ihm und dem Nachhallkoeffizienten besteht darin, dass im Fall des ersteren der Einfallswinkel der Schallwelle 90 Grad beträgt, während der letztere den Durchschnitt für alle Einfallswinkel dieser Welle annimmt.

Schalldiffusion: Wir prüfen, wie Schall von einem gegebenen Material diffundiert wird. Wir senden Schall in einem bestimmten Winkel aus und beobachten dann die Reflexion dieser Welle beim Kontakt mit dem jeweiligen Material.

Überblick über Akustikanalyse-Software

Akustikanalyse-Software ist ein unverzichtbares Arbeitswerkzeug für Akustiker und Ingenieure. Auf dem Markt gibt es viele verschiedene Werkzeuge, jedes mit eigenen Anwendungen, einzigartigen Funktionen und Vorteilen. In unserem Unternehmen verwenden wir die folgende Software:

• Odeon Industrial und Combined – ein Programm, das zur Arbeit an der Akustik aller Arten von Innenräumen verwendet wird, von einer Fabrikhalle bis zu einem Konzertsaal.
• CadnaA und IMMI – für die Ausbreitung von Industrie- und Verkehrslärm nach außen.
• SonArchitect – das zur Analyse der Bauakustik verwendet wird.
• Artemis – eines der wichtigsten Programme, die wir in der Fahrzeug- und Maschinenakustik, Psychoakustik und Vibrationsanalyse verwenden. Das Programm ist auch sehr funktional für ungewöhnliche Laboruntersuchungen.
• Insul – ein Programm zur Simulation und Messung der akustischen Dämmung, meist von Bauelementen. Dank dieses Programms prüfen wir die resultierende Dämmung eines Objekts, das in einer Simulation entworfen und gebaut wurde.

Herausforderungen und die Zukunft der akustischen Analyse

Die Anwendungen der akustischen Analyse werden sich weiterentwickeln. In der Industrieakustik wird die Zukunft der akustischen Analyse sicherlich von der zunehmenden Menge an Daten, die einerseits empfangen werden, und der immer weiterreichenden Automatisierung von Prozessen, einschließlich Messungen, auf der anderen Seite geprägt sein.

In Zukunft wird die Anzahl der Lärmquellen zunehmen (zum Beispiel die Anzahl der Maschinen in einem bestimmten Werk). Daher werden Methoden und Werkzeuge der akustischen Analyse entwickelt, um Daten schneller und genauer zu erhalten und, wann immer möglich, dem Analysten die besten, gebrauchsfertigen Lösungen vorzuschlagen.

Die akustische Produktoptimierung ist ein weiterer Bereich, in dem die akustische Analyse eine Schlüsselrolle spielen wird. Auf ihrer Grundlage werden zunehmend bessere schallabsorbierende Materialien entwickelt. Dies ist zum Beispiel bei Bauelementen notwendig, bei denen die Dicke von Wänden oder Fenstern von großer Bedeutung ist und diese Parameter nicht modifiziert werden können (aufgrund von Projektbeschränkungen), sodass schallabsorbierende Materialien effektiver sein müssen. In diesem Fall könnten Metamaterialien die Antwort sein.

Damit all dies möglich ist, muss sich auch die Analyse selbst ändern. In Zukunft wird sie in erster Linie von Simulationen und dem virtuellen Bau akustischer Prototypen dominiert werden. Dies ist in erster Linie aufgrund der Kosten für die Durchführung von Analysen an physischen Elementen, des Tempos und des Verlaufs des gesamten Analyseprozesses, der idealerweise so weit wie möglich verkürzt werden sollte, und der Anzahl verfügbarer Varianten und Situationen notwendig. Die Verwendung von Simulationen ermöglicht den Bau einer sehr breiten Palette von Szenarien unter Verwendung verschiedener Lösungen. In einer solchen Situation ist die Wahl der besten Lösung einfach.

Warum ist akustische Analyse wichtig?

Die akustische Analyse ist die Grundlage für die Arbeit mit Akustik im Allgemeinen. Sie wird nicht nur verwendet, um Daten zu erhalten, dieser Prozess betrifft Forschung und Messung, es ist eine Form der Beobachtung und des Fragens. Die Analyse liefert uns eine Antwort und dank ihr entwickeln wir eine Lösung. Die Analyse ermöglicht es, die Kosten und die Zeit zu reduzieren, die benötigt werden, um Lärm zu dämpfen, Klang zu gestalten oder Vibrationen loszuwerden, die sich negativ auf das Objekt oder die Umwelt auswirken.

Akustische Analyse – wer führt sie durch?

Im Gegensatz zu einer einfachen Messung sollte die akustische Analyse von einem Akustikspezialisten durchgeführt werden. Dies liegt hauptsächlich daran, dass die akustische Analyse einen Lösungsteil umfassen sollte. KFB Acoustics, mit einem Team von Akustikern und technologischen Ressourcen, ist auf diesen Ansatz spezialisiert.

Akustische Analyse – wo wird sie durchgeführt?

Der Ort, an dem die akustische Analyse durchgeführt wird, hängt vom Zweck dieser Analyse ab. Es hängt davon ab, was das Objekt unserer Analyse ist. Die akustische Dämmung von Wänden, Fenstern und Türen in bestehenden Objekten muss dort gemessen werden, wo sie sich befinden. Aus offensichtlichen Gründen werden Messungen und Analysen in der Umweltakustik, der Erstellung von Lärmkarten und der Erstellung von Lösungen zur Reduzierung des Lärms von Verkehrsinfrastrukturen ebenfalls auf diese Weise durchgeführt. Diese Daten werden dann in der Regel verwendet, um ein akustisches Modell am Arbeitsplatz des Teams zu erstellen.

Bei Autos, mobilen Geräten oder Maschinen verfügt das ARIC (Akustisches Forschungs- und Innovationszentrum), unser Forschungs- und Entwicklungszentrum, über eine spezielle Infrastruktur für die genaue akustische Analyse dieser Ausrüstung. Akustikanalysen und Messungen werden in akustischen Kammern durchgeführt, die sehr genaue Daten ermöglichen. Im Fall von Fahrzeugen verfügt KFB Acoustics über einen akustischen Prüfstand mit einem 3D-Laser-Vibrometer, der eines der modernsten Zentren dieser Art weltweit ist.

Darüber hinaus ist es ratsam, sicherzustellen, dass das Labor, dem die akustische Analyse oder akustische Optimierung von Produkten anvertraut wird, über die entsprechende Zertifizierung verfügt, z. B. Norm 17025, die das grundlegende Kriterium für die Akkreditierung von Prüf- und Kalibrierlaboratorien darstellt, standardisierte Prüfmethoden eingeführt hat. KFB Acoustics bemüht sich ständig, den Umfang der Akkreditierung zu erweitern und die von nationalem und europäischem Recht festgelegten Standards streng anzuwenden.