EinfÃ¼hrung / Begriffe / Einordnung... / HSR / SITEC - bei der IG VPE ...

Workshop: Akustik Simulationen 

Workshop von Anwendern für Anwender 

Akustik Simulationen 

Prof. Dr. Hanspeter Gysin 

Rapperswil, 12. September 2013 

Quelle: FFT, MSC Software Company 

Ziele: 

• Stand der Technik in der Akustik Simulation darstellen 

• Welche Methoden für welche Fragestellungen und Probleme? 

• Was muss man beachten? Wie viel muss man von Akustik 

verstehen? 

© = alle Rechte bei der HSR 

12. September 2013 Hp. Gysin HSR / SITEC Seite 1


Ablauf des Workshop-Tages: 

10:00 – 10:15 Begrüssung und Einführung / Kaffee Hanspeter Gysin, HSR / SITEC 

10:15 – 11:00 

11:00 – 11:40 

Einführung / Begriffe / Einordnung / 

Lokalisation der Lärm-Quellen 

Übersicht & Beispiele zur Akustik in ANSYS 

Akustische Anregungen in einer Mühle 

11:40 – 12:20 Examples of Acoustic Radiation Analysis with ACTRAN 

Hanspeter Gysin; Professor für Produktentwicklung & FEM; 

HSR / SITEC 

Lorenz Seiler, CADFEM (Suisse) AG 

Beat Eberle, Bühler Group, Uzwil 

Zhou Ze, Senior Application Engineer; FFT, MSC Software 

Company, Belgium 

12:20 – 13:15 Mittagessen in der Mensa der HSR (incl.) alle 

13:15 – 13:45 Aktive Rauschreduzierung mittels adaptiver Filter 

13:45 – 14:15 

14:15 – 14:45 

Simulation der Entstehung und Ausbreitung 

akustischer Stosswellen mit expliziter FEM 

Fluid-Struktur-Akustik als Analyse mit bidirektionaler Kopplung / 

Schalldurchgang 

Dr. Roland Michaely, Application 

Engineer, MathWorks GmbH, Bern 

Dr. Andreas Franck, Dassault Systemes, Deutschland 

GmbH, München 

Dr.-Ing. Reinhard Helfrich, INTES GmbH, 

D-Stuttgart 

14:45 – 15:10 Kaffeepause alle 

15:10 – 15:50 Akustik-Struktur Interaktion in stehenden und bewegten Fluiden Zoran Vidakovic, COMSOL Multiphysics GmbH, Zürich 

15:50 – 16:30 

16:30 – 17:20 

Industrielle Praxis der Vibro-Akustik Simulation mit FEM, BEM und 

Ray-Tracing Verfahren 

Diskussion: Fragen & Beispiele der Teilnehmer / zukünftige 

Entwicklungen 

ir. Peter Segaert, Senior Technical Expert 

LMS, A Siemens Business, B-Leuven 

alle 

17:20 – 18:xx Apéro (incl.) alle 

nachher 

Abendessen aller Referenten und 

interessierter Teilnehmer in Rapperswil 

alle (freiwillig; nicht inbegriffen) 

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Inhalt dieses Input-Vortrages 

1. Vorstellung IG VPE Swiss und deren Aktivitäten 

2. Ziel des Workshops und des Input-Vortrags / Begriffs-Definitionen 

3. Einige Grundbegriffe der Akustik 

4. Anforderungen aus der Maschinenrichtlinie 

5. Maschinenakustische Grundgleichung 

6. Bedeutung der Schall-Quellen 

Quellenortung zB. mit der akustischen Kamera 

7. Strukturübertragungen; Schwingungen 

8. Anforderungen an die Simulation (Frequenzbereiche, 

Randbedingungen, …) 

9. erste Einordnung von Methoden 

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IG VPE Swiss: 

In der Schweiz haben sich die Marktteilnehmer, welche im Bereich der 

virtuellen Produktentwicklung (= Entwicklung am und mit dem 

Computer) tätig sind, zusammengeschlossen zu einer produkte-neutralen 

Interessengemeinschaft. In der IG sind viele wichtige Players (Software- 

Anbieter, Dienstleister und Hochschulen) vertreten: 

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Aktivitäten der IG VPE übers Jahr 

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Workshop-Reihe: 

Wir laden Sie herzlich zu den weiteren Workshops ein: 

Fluid Struktur Interaktion 20. Juni 2013 

Akustik Simulation 12. September 2013 

Kopplung von Struktur und Steuerung/Regelung 23. Januar 2014 

Entwicklung von Sensoren: Modellbildung und 

Simulation nutzen 19. Juni 2014 

Vom virtuellen Modell zum robusten Design 11. September 2014 

Elektromagnetische Felder in alltäglicher 

Produktentwicklung 

22. Januar 2015 

Die Workshops werden leben von der Teilnehmer-Aktivität ! 

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Um was geht es heute? 

Inhalt in Kürze: 

Stand der Technik in der Akustik Simulation darstellen durch Referate 

der Experten der Anbieter anhand möglichst konkreter 

Anwendungsbeispiele 

Breites Themenfeld 

Lernziele: 

• Welche Methoden für welche Fragestellungen und Probleme? 

• Was muss man beachten? Wie viel muss man von Akustik verstehen? 

• Reflektieren der eigenen Fragestellungen und 

• Abschätzen können, ob die eigenen Fragestellungen schon 

zielführend simuliert werden können 

• Input Referat: einige Begriffe als Einleitung und 1 Punkt betonen 

Voraussetzung: 

• Neugierde aufgrund eigener Erfahrungen 



Zitate: 

eher philosophisch: 

Früher brachte der Lärm die Menschen aus der Ruhe. 

Heutzutage ist es die Stille. 

Ernst Ferstl (1955-), österreichischer Lehrer und Autor 

näher am heutigen Thema: 

Das Gute macht wenig Lärm. 

Der Lärm macht wenig Gutes. 

Franz von Sales (1567-1622), französischer 

Theologe, Ordensgründer der Salesianer, 

Bischof von Genf, Heiliger 

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Begriffe: Akustik 

Duden: 

Wikipedia: 

Die Akustik ist die Lehre vom Schall und seiner Ausbreitung. Als 

Wissenschaftsgebiet umfasst sie sämtliche damit zusammenhängenden 

Gesichtspunkte, so die Entstehung und Erzeugung, die Ausbreitung, die 

Beeinflussung und die Analyse von Schall. Weiterhin sind auch die 

Wechselwirkung von Schall mit Materialien sowie die Wahrnehmung von 

Schall durch das Gehör und seine Wirkung auf Menschen und Tiere 

Gegenstand der Akustik 

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Schall – Geräusch – Lärm: 

Schall bezeichnet allgemein das Geräusch, den Klang, den Ton, den 

Knall (Schallarten), wie er von Menschen und auch von Tieren auditiv 

wahrgenommen werden kann. Schall stellt die Ausbreitung von kleinsten 

Druck- und Dichteschwankungen in einem elastischen Medium (Gase, 

Flüssigkeiten, Festkörper) dar. (Quelle Wikipedia) 

Ob ein Geräusch angenehm oder störend ist, hängt von unserer 

Wahrnehmung ab: 

angenehm: 

unangenehm Lärm 

Quelle: EMPA 

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Quelle: Brüel&Kjaer (2) 



Ton – Klang – Geräusch: 

© 

Quelle: Setzer, Uni-Duisburg 















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Schalldruck: 

© 

Statischer Luftdruck ≈ 10 5 Pa = 1 bar 




Wellenlänge und Frequenz: 

© 

c = Schallgeschwindigkeit (hier von Luft = 344 m/s) 




Schalldruck und Schalldruckpegel: 

Als Schalldruck wird der Effektivwert p RMS des dem atmosphärischen 

Luftdruck überlagerten Wechseldrucks der schwingenden Luftteilchen 

bezeichnet (T = Periodendauer) 

p 

RMS 

= 

1 

T 

⋅ 

T 

∫ 

0 

p 

2 

(t) dt 


Durch Logarithmierung und in Bezug zu einem Referenzwert p 0 

erhält man den Schalldruckpegel L p in Dezibel (dB): 

L 

p 

= 

⎛ p 

10⋅lg 

⎜ 

⎝ p 

RMS 

0 

⎞ 

⎟ 

⎠ 

2 

dB 

= 

⎛ p 

20⋅lg 

⎜ 

⎝ p 

RMS 

0 

⎟ ⎞ 

⎠ 

dB 

© 

Bezugsgrösse p 0 = 20 µPa = 20 * 10 -6 N/m 2 

1dB = 

1 

B(el) 

10 

= 1Dezi − Bel 

≈ Hörschwelle 



Schalldruck ↔ Schalldruckpegel: 

Schmerzgrenze 

linear 

logarithmisch 

Hörschwelle 

© 




Schall-Leistung und Schallleistungs-Pegel 


© 

Die Schallleistung W in [Watt] und der 

Schallleistungspegel L W in Dezibel (dB) 

sind ein Mass für die von einer Schallquelle 

insgesamt nach allen Richtungen in Form von Schwingungen der 

Luftteilchen abgegebenen Leistung: 

L 

W 

= 

⎛ 

10⋅ 

lg 

⎜ 

⎝ 

W 

W 

0 

⎟ ⎞ 

⎠ 

dB 

Bezugsgrösse W 0 = 1* 10 -12 W 



Unterschied: Emission und Immission ? 

Grundlage für Arbeitsschutz-Gesetze 

Einwirkung 

Abstrahlung 

Grundlage für Lärmbekämpfung / Deklarationen 

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Quelle: suvaPro (1) 



Messung des Schalldrucks: Mikrophon 

Aufbau mit multifunktionalem 

Frontend: 

Alles integriert in einem Gerät: 

Schallpegelmesser: 

Quelle: Brüel&Kjaer 

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Mikrophonkapsel 

Vorverstärker 



Hörfeld = Kurven gleicher Lautstärke: 

unempfindlich 

Lautstärke in phon bzw. Lautheit in sone 

Für uns interessant: 

- Zum Verständnis 

und Abbildung des 

menschlichen 

Empfindens 

- Für Frequenzbewertung 

empfindlich 

© 

Mensch: 16 Hz - 16 kHz 

Quelle: Maute 



Beispiel: 

Gesamt-Pegel: Lin 

Oktavband linear, 

dh. unbewertet 

A-bew. 

Oktavband A-bewertet, dh. 

eher so, wie wir es hören 

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MRL: Welcher Schallpegel ist anzugeben? 

neu: 

80 dB(A) 

Mit MRL 2006/42/EG 

muss schon ab 80 dB(A) 

auch die Schallleistung 

ermittelt werden! 

Quelle: Schirmer 

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L WA und L pA : 

Der Schallleistungspegel L WA ist ein umfeldunabhängiges Mass für die 

Lärmabstrahlung der Maschine. 

Damit kann man Maschinen miteinander vergleichen! 

während der arbeitsplatzbezogene Emissions-Schalldruckpegel L pA die 

Einwirkung auf den Bediener beschreibt und zwar nur aufgrund der 

Maschine, dh. ohne Lärmeinwirkung von benachbarten Maschinen und 

ohne Raumeinwirkungen (zB. Reflexionen). 

Quelle: suvaPro (3) 

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© 



«Herleitung»: 

Die abgestrahlte Schallleistung P(ω) einer schwingenden Oberfläche S 

kann man herleiten zu: 

P( 

ω) 

= ρ 

Luft 

⋅c 

Luft 

⋅σ( 

ω) 

⋅S⋅ 

v 

2 

N 

( ω) 

mit: 

ρ Luft = Dichte Luft 

c Luft = Schallgeschwindigkeit der Luft 

σ = Abstrahlgrad 

v N = zeitlich und örtlich gemittelte Oberflächenschnelle in 

Normalen-Richtung 

Die mittlere quadratische Übertragungsadmittanz h Ü2 (ω) beschreibt das 

Übertragungsverhalten bei Anregung mit einer Kraft F j im Freiheitsgrad i: 

2 vN 

h ( ) 

U,i ω = 

2 

F 

j 

2 

( ω) 

( ω) 

≈ 

FRF 

= 

Antwort( 

ω) 

Anregung( 

ω) 

© 



Maschinenakustische Grundgleichung: 

… eingesetzt und arrangiert: 

P( 

ω) 

= 

ρ 

Luft 

⋅c 

Luft 

⋅ 

σ( 

ω) 

⋅S 

⋅ 

h 

2 

U,i 

( ω) 

⋅ 

F 

2 

j 

( ω) 

… und in Pegelschreibweise: 

L 

W 

( ω) 

= 

L 

σ 

( ω) 

+ 

L 

h 

( ω) 

+ 

L 

F 

( ω) 

mit der Bedeutung: 

Schallleistung 

ist Funktion 

von: 

= 

Abstrahlverhalten 

der 

Oberfläche 

+ 

Übertragungsverhalten 

der 

Struktur 

+ 

Quelle / 

Anregung 

© 



Entstehung von Geräuschen & Lärm: 

Geräusche = 

« schwingender Luftschall » 

Prozesskräfte erzeugen 

Schwingungen (Vibrationen), 

welche durch die Maschinenstruktur 

übertragen (Körperschall) 

und an der Oberfläche als 

Luftschall abgestrahlt werden. 

enger Zusammenhang von 

Schwingungen (Dynamik) und 

Akustik 

Maschinenakustik 

Quelle: Storm 

Peitsche 

enger Zusammenhang Strömung 

(CFD) und Akustik 

Aeroakustik (CAA) 

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Schallkette und Lärmbekämpfung. 

Grundsätzlich wirken 3 resp. 4 Mechanismen: 

- Schallquellen (die eigentlichen Ursachen) 

- Schallübertragung (durch die Maschinenstruktur) 

- Schallabstrahlung (zB. durch die schwingenden Oberflächen) 

- resp. Druckschwankungen in Strömungen 

Also kann/muss man zur Lärmbekämpfung auch diese vier 

Mechanismen angehen: 

Quelle: Dietz [8] 

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© 



Massnahmen und Bedeutung der Quellen: 

Alle wichtig? 

Quelle: Dietz [8] 

Ein Pumpenaggregat besteht aus 3 Zahnradpumpen verschiedener Förderleistung. 

Die einzelnen Pumpen weisen folgende Schallleistungspegel auf: 

L W1 = 75 dB 

L W2 = 78 dB 

L W3 = 80 dB 

Wie gross ist der Gesamtschallleistungpegel L W des Pumpenaggregats? 

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Messtechnische Lokalisierung der Lärm-Quelle(n): 

Es gibt verschiedene Methoden der 

Ortung von Schallquellen: über Schall- 

Intensitätsmessungen, akustische 

Kamera, PU-Probe, Sound-Brush, 

Nahfeld-Holographie, … 

Array 

Messaufbau der Schallintensitäts-Messung 

36 Mikrophone 

Kamera 

© 



Akustische Kamera: 

Aus den gemessenen Schalldrücken an den Mikrophonen und der 

Festlegung der Messpukte auf dem Objekt wird die Schalldruckverteilung 

berechnet und als Contour-Plot ( = «Höhenlinien» gleichen Schalldrucks) 

dargestellt 

Weil man den Schall damit «sehen» kann, spricht man von akustischer 

Kamera 

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Messung mit der akustischen Kamera (AK): 

„Lärmendes“ 

Objekt 

Schalldruckpegel 

in dB 

Höhenlinien 

gleichen 

Schalldruckpegels 

Bild mit der 

Kamera des 

Arrays 

Messfeld 

© 

Oktav-Band für 

einen bestimmten 

Punkt im Messfeld 

Frequenzbereich, 

für welchen die 

Höhenlinien 

angezeigt werden 



Resultat-Beispiele: 

In diesem Beispiel konnte gezeigt 

werden, dass eine Riemenscheibe 

in einem spezifischen 

Frequenzbereich eine 

Lärmquelle ist 

© 



akustische Kamera an Verpackungsmaschine: 

Mit der akustischen Kamera können die Hauptlärmquellen lokalisiert 

werden: 

M 1 

Quellen für diesen Frequenzbereich: 

© 















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Strukturverhalten zB. durch Modalanalyse: 

Sowohl in der FEM wie auch der Messtechnik kann man das schwingende 

Strukturverhalten heute gut beschreiben: 

FEM: 183.3 Hz 

EMA: 185 Hz 

In diesem Beispiel passen auch die 5.ten Moden noch gut zusammen: 

FEM: 434 Hz 

EMA: 436 Hz 

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Simulation der Abstrahlung: 

Wie & mit welchen Methoden soll die 

Abstrahlung einer schwingenden Struktur 

in die umgebende Luft simuliert werden? 

Wie fein soll das Netz sein? 

Quelle: FFT, MSC Software Company 

NAFEMS How to get started in Acoustic Analysis 

• 5 Knoten pro Wellenlänge bei 

Freifeld-Bedingungen 

• 9 Knoten im inneren von zB. 

Räumen 

? 

Bei transienten Schwingungen 

10 – 20 Knoten pro Wellenlänge 

© 



Bedeutung der Frequenz-Bereiche: 

Wie wichtig ist es also den ganzen Frequenzbereich des menschlichen 

Hörens abzudecken? 

Beispiel eines Industriestaubsauger: 

Autospectrum(Schall) Autospectrum(Schall) - Input - Input (Real) (Real) \ CPB \ CPB Analyzer Analyzer 

[dB(A)/20u [dB/20u Pa] Pa] 

100 100 

90 90 

80 80 

70 70 

60 60 

50 50 

40 40 

30 30 

20 20 

10 10 

Cursor Cursor values values 

X: X: 2.000k 2.000k Hz Hz 

Y: Y: 60.358 59.156 dB(A)/20u dB/20u P 

63.8 dB 

61.6 dB(A) 

0 

0 

16 1631.5 31.563 63125125 250 250500 500 1k 1k 2k 2k 4k 4k 8k 8k 16k 16kA AL 

L 

[Hz] [Hz] 

© 



Randbedingungen: 

• Am Interface Struktur – Fluid (Luft): 

Druck = gemittelter Druck 

Geschwindigkeit = gemittelte Oberflächengeschwindigkeiten 

• Am Rand zum Unendlichen: Sommerfeld’sche Abstrahlbedingung 

einhalten: dh. keine Rück-Reflektion der Wellen auf die Struktur / 

Schalldruck und –Intensität sollten im ∞ gegen Null gehen 

• Im Raum-Innern: richtige Berücksichtigung der Schall-Reflektionen 

L w, 

ERP 

∞ 

FEM, 

I-FEM, 

BEM 

© 















© 



Methoden & Frequenzbereiche 

Mid-Frequency 

Gap ? 

? 

© 

Quelle: Zeller: Fahrzeug-Akustik 



Einordnung der Referate: 

16 kHz 

 

Quelle: IET, HSR 

Quelle: Otto v. Estdorff 

© 

16 Hz 

Dämmung 

Dämpfung 

Q 

Interaktion 

? 



Weitere Diskussionpunkte: 

1. Beispiele / schriftliche Fragen der Teilnehmer 

2. Gibt es auch Akustik-Simulations-Beispiele ausserhalb der 

Automobil-Industrie und deren Zulieferern? 

(und der Raumakustik) 

3. Für die FEA sind Materialdaten oft Mangelware aber wichtig. 

Wie steht es in der Akustik? 

4. Viele Firmen stehen vor der Frage: Lohnt es sich eine 

Verschalung um meine Maschine zu machen? 

Wie viel bringt das? 

hilft da die akustische Simulation? Wie? 

Kombination von Maschine – Verschalung – Raum ? 

© 


www.hsr.ch 

Bis bald wieder – an der HSR. 

Lernkultur und Lebensqualität am See. 

www.hsr.ch

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