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Gesundheitsschutz: Den Lärm mit den eigenen Waffen schlagen

Lärm lässt sich mit Mehrfachverglasung aussperren, durch Lärmschutzwände abschirmen - oder offensiv per "aktiver Lärmbekämpfung" neutralisieren. Dabei werden Schallwellen Schallwellen entgegen geworfen, was im Prinzip schon heute funktioniert. Marktreif sind erste Prototypen aber noch nicht.
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Es könnte eine Traumsequenz eines Lärmgeplagten sein: Per Knopfdruck verwandelt Joachim Bös vom Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit (LBF) in Darmstadt das laute, dumpfe, von einem Lautsprecher erzeugte Geräusch, das durch eine Fensterscheibe dringt, in ein leises, nicht unangenehmes Summen.

Der Stoff aus dem solche Träume sind, heißt Piezokeramik. Das sind Kristalle, die eine Schwingung in ein elektrisches Signal umwandeln und umgekehrt. Ein und derselbe Kristall lässt sich also sowohl als Sensor als auch als Aktor einsetzten. Als Sensor meldet er einem Rechner, ob und wie stark die Fensterscheibe schwingt. Dieser berechnet eine ausgleichende Gegenschwingung, die er dem Piezokeramik in Form eines Spannungssignals rückmeldet. Der Kristall überträgt die Gegenschwingung auf die Scheibe und neutralisiert die ursprüngliche Vibration – sie, und mit ihr der Schall, den sie in den Raum überträgt, kommt zum Erliegen.

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Aktiv schallgeschütztes Fenster | Das Schallschutz-Fenster ist eines der Demonstrationsobjekte des EU-Projekts InMar. Piezokeramik-Kristalle arbeiten darin als Sensoren, die eine Schall-Schwingung des Fensters in ein elektrisches Signal umwandeln und an einen Rechner weiterleiten. Dieser berechnet eine ausgleichende Gegenschwingung, die er dem Piezokeramik in Form eines Spannungssignals rückmeldet. Der Kristall überträgt die Gegenschwingung auf die Scheibe und neutralisiert die ursprüngliche Vibration – und mit ihr der Schall, den sie in den Raum überträgt. Knall- oder schlagartige Geräusche kann das Fenster allerdings nicht schlucken, weil das Regelungssystem zeitverzögert reagiert. Als ästhetisches Problem des Demofensters müssen die mitten auf dem Glas klebenden, spielkartenförmigen Piezokristalle gelten. In Zukunft sollen transparente Piezokristalle einmal Abhilfe schaffen.
Das Schallschutz-Fenster ist eines der Demonstrationsobjekte, mit denen Mitglieder des EU-Projekts InMar (Intelligent Materials for Active Noise Reduction) am vergangenen Donnerstag in Darmstadt zeigten, wie sie in Zukunft Lärm bekämpfen möchten. Sie führten unter anderem ein mit Piezokristallen gedämpftes Pkw-Motorlager und den lärmschluckenden Kompressor einer Klimaanlage vor. Vier Jahre lang entwickelten Forscher aus 13 Ländern und von 41 Firmen und Forschungsinstitutionen aktive Lärmschutzelemente mit einem Budget von 27 Millionen Euro. Jetzt ist das Projekt abgeschlossen. "Wir haben die Machbarkeit der Lärmbekämpfung mittels aktiver Materialien demonstriert", sagt Projektkoordinator Thilo Bein vom LBF. Damit seien die Voraussetzungen geschaffen, in die Produktentwicklung einzusteigen.

Laute Realität

Doch Lärmgeplagte werden noch eine Weile träumen müssen, denn die Prototypen zeigen noch erhebliche Schwächen. Zwar halbieren sie die Lautstärke einzelner Frequenzen zwischen 50 und 1000 Hertz. "Es ist aber schwierig, ein breites Frequenzspektrum zu dämpfen", sagt Bös. Lärm setzt sich aber stets aus vielen Frequenzen zusammen. Um sie alle zu neutralisieren, bedürfe es einer weitaus komplizierteren Regelungstechnik als sie bislang für den Demonstrator entwickelt worden sei, sagt Bös. Knall- oder schlagartige Geräusche könne das Fenster gar nicht schlucken, weil das Regelungssystem zeitverzögert reagiere. Außerdem hat das Demofenster ein ästhetisches Problem: Mitten auf dem Glas klebt ein spielkartenförmiger, kupferfarbener Piezokristall. "Am Fensterrand aufgeklebte Piezoplättchen können den Schall nicht so effektiv dämpfen", sagt Bös. Abhilfe könnten transparente Piezokristalle schaffen, die derzeit von anderen Forschern entwickelt würden.

"Wir haben die Machbarkeit der Lärmbekämpfung mittels aktiver Materialien demonstriert"
(Thilo Bein)
Ähnliche Kristallplättchen wie auf dem Fenster kleben auf dem Boden einer Pkw-Ölwanne. Das Teil ist ein wichtiger Ansatzpunkt der Lärmbekämpfer: "60 Prozent des vom Pkw-Motor erzeugten Lärms werden über die Ölwanne abgestrahlt, indem sie vom Motor zum Schwingen angeregt wird", sagt Bein. Das laute Summen der Demo-Ölwanne erstirbt fast vollständig als LBF-Forscher Thomas Pfeiffer einen Kippschalter umlegt. Die Wanne ist leichter zum Schweigen zu bringen als ein Fenster, denn die Forscher kennen das Spektrum ihrer Schwingungen. Die zwei lautesten haben sie gezielt gedämpft. "Die Frequenzen verändern sich zwar ein wenig mit der Drehzahl oder dem Ölfüllstand", sagt Pfeiffer. Aber die Regelungselektronik passe die Gegenschwingungen des Piezokristalls an diese Änderungen an.

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Flüsterleise? Eine Ölwanne auf dem Prüfstand | Eine aktiv lärmgedämmte Ölwanne wurde einem 360 Stunden dauernden Belastungstest unterzogen. Auf ihren Boden geklebte Piezokeramik-Kristalle sind dabei das Herzstück der Lärmvermeidung. In der automobilen Reaität könnten sie in Zukunft eine wichtige Rolle spielen hoffen die Lärmschutzforscher, denn rund 60 Prozent des vom Pkw-Motor erzeugten Lärms werden über die Ölwanne abgestrahlt, die vom Motor zum Schwingen angeregt wird.
Den Motorlärm, der von der Karosserie in den Innenraum geleitet wird soll ein neues Motorlager vermindern, das Renault mit drei InMar-Partnern entwickelt und mit einem Prototypen getestet hat. Es enthält Piezokristalle, welche die Übertragung von Motorvibrationen auf die Karosserie unterdrücken sollen. "Das aktive Motorlager vermindert den Schalldruck im Innenraum des Autos um zwei Drittel", sagt Charles Zhang von Renault. Das gleiche Ergebnis sei zwar auch mit einer passiven Ausgleichswelle erreichbar, aber das aktive System sei leichter. Es spare deshalb verglichen mit dem Welle einen halben Liter Sprit pro hundert Kilometer.

Auch Ford will mit aktiver Schallbekämpfung Treibstoff sparen. "Bei niedrigen Frequenzen unter 60 Hertz verursacht passiver Lärmschutz viel Gewicht", sagt Michael Kronast von Ford in Köln. Die Last lasse sich mit aktiven Methoden ersparen. Die Ford-Forscher setzen aber nicht auf Piezokristalle, sondern auf Lautsprecher, die lärmneutralisierende Schallwellen aussenden. Die Lautsprecher erhalten ihr Eingangsignal von einem Rechner, der eine Gegenschwingung aus den Daten berechnet, die er von Mikrofonen an den Kopfstützen des Testfahrzeuges erhält. Die Lautsprecher löschen aber nicht jedes Geräusch aus. Bestimmte Laute sollen sie sogar verstärken: "Der Fahrer muss hören, wenn er übertourig fährt und schalten sollte", sagt Kronast.

Ruhe im Lift

Ähnliche Lautsprecher wie im Testford könnten auch zwischen den Scheiben eines mehrfachverglasten Fensters Lärm neutralisieren. Bei der InMar-Abschlusskonferenz zeigte der französische Hersteller Technofirst langgestreckte Boxen, die zu diesem Zweck dienen könnten. Für die interessierte sich auch der Vertreter eines Schweizer Aufzugherstellers, da sie sich gut in einen Lift integrieren ließen. "In einer ersten Phase wollen wir die Lautsprecher lediglich nutzen, um Musik abzuspielen", sagt Yvan Kurzo, Akustikexperte bei Schindler Elevator aus Ebikon. "Danach sollen sie zur aktiven Lärmbekämpfung eingesetzt werden."

Die Schallspezialisten von Ford haben hingegen haben wesentlich mehr im Sinn als den Lärm zu reduzieren. Sie haben Jahre damit verbracht, ein für ihre Marke typisches Soundprofil zu entwickeln, das das aktive System im Innenraum herstellen soll. "So wie man eine Harley-Davidson am tiefen Blubbern erkennt, hat auch ein Ford typische Soundmerkmale", sagt Kronast. Der Forscher meint, dass zunächst nur Oberklassewagen über aktive Lärmreduktion und Schallgestaltung verfügen werden, früher oder später aber auch günstigere Wagen. Thilo Bein schätzt, dass Oberklassewagen in fünf Jahren über aktiven Lärmschutz verfügen könnten. Was Mittelklasseautos angeht ist er skeptischer als Kronast: "Nur wenn neue Lärmgrenzwerte deutlich leisere Autos verlangen, können sich aktive Lärmschutzelemente gegenüber passiver Lärmdämmung auch bei Mittelklassewagen durchsetzen."

Fahrkomfort zählt nicht nur im Auto. Straßenbahnfahrer leiden nach Ansicht der InMar-Forscher unter dem Brummen des Kompressors der Lüftung des Zuges. Zwar neutralisieren mechanische passive Elemente, so genannte Schwingungstilger, den als am störendsten empfundenen Frequenzbereich (um 50 Hertz). Die Tilger bestehen aus einer auf einer Feder gelagerten Masse. Sie schwingen bei der zu eliminierenden Frequenz. Bringt man sie an den Kompressor an, entziehen sie ihm Vibrationsenergie, indem sie selbst anfangen zu schwingen diese Schwingung wird aber nicht auf die Karosserie des Zuges übertragen und erzeugt daher keinen Lärm. "Sobald sich aber die Bedingungen ändern, beispielsweise durch Zu- oder Abnahme der Belastung des Klimagerätes, verschieben sich dessen Schwingungsfrequenzen, und der Lärm kann sich durch den Einsatz der Tilger sogar verstärken", sagt LBF-Ingenieur Christoph Axt. "Piezokristalle können die Frequenz der Tilger verschieben und sie auf diese Weise an die neuen Bedingungen anpassen", sagt Axt.

Neben Piezokristallen, Lautsprechern und Schwingungstilgern zeigten LBF-Forscher noch ein aktives Material, das bei der Lärmbekämpfung helfen könnte: eine so genannte Formgedächtnis-Legierung. Das ist ein Mischmetall, das durch Erhitzen seine ursprüngliche Form annimmt, nachdem es im kalten Zustand, etwa von der Kraft einer Feder, verformt worden war. Damit haben LBF-Forscher eine Kupplung für eine Lüftung gebaut, die automatisch und ohne zusätzlichen Energieverbrauch dafür sorgt, dass sich der Ventilator nur bei Überschreiten einer gewissen Temperatur dreht und Lärm erzeugt.

Ob sich aktive gegen passive Lärmschutzmethoden durchsetzten werden ist für die InMar-Forscher nicht die Frage. Sie glauben an einen zukünftigen Technologie-Mix. Thilo Bein vergleicht das Portfolio der Techniken mit einem Mischpult. Jede Technik sei wie ein Schieberegler, der Lärm einer bestimmten Frequenz dämpfe. Alle Regler zusammen könnten Lärm aller Arten vom tiefen Brummen bis zum schrillen Pfeifen lindern. Bein: "In den unterschiedlichen Frequenzbereichen wird jeweils jene Technik eingesetzt werden, die sich am besten dafür eignet."
19.04.2008

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 19.04.2008

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