Legen Sie die Hand auf das Gestell einer laufenden Stanzpresse, spüren Sie das Brummen, bevor Sie es bewusst hören. Dieselbe Schwingung wandert durch Fundament, Hallenboden und Stahlträger und wird mitunter erst in einem Hallenbüro wieder hörbar, das weit von der Maschine entfernt liegt. Warum eine Kapsel allein dagegen oft wenig ausrichtet und wie sich der eigentliche Weg des Lärms finden lässt, zeigt dieser Beitrag.

Welche Wege Körperschall und Luftschall durch eine Produktionshalle nehmen

Hinter dem Brummen einer laufenden Maschine stecken mit Körperschall und Luftschall zwei Übertragungswege, die sich in einer Produktionshalle völlig unterschiedlich verhalten. Luftschall gelangt auf direktem Weg von der Maschine zum Ohr. Körperschall dagegen läuft durch Stahl, Beton und Rohrleitungen und wird oft erst viele Meter entfernt wieder hörbar.

Für jede Lärmminderung entscheidet die Frage, welcher Weg am Arbeitsplatz überwiegt. Dieser Beitrag erklärt Körperschall und Luftschall, stellt beide in einer Tabelle gegenüber und zeigt, mit welchen Maßnahmen sich der jeweilige Weg unterbrechen lässt. Zum Schluss lesen Sie, wie sich der dominierende Weg vor Ort bestimmen lässt.

Ein Lärmproblem, zwei Übertragungswege

Jede laufende Maschine gibt ihre Schwingungen auf zwei Wegen gleichzeitig ab. Ein Teil regt die umgebende Luft direkt an und erreicht als Schalldruck das Gehör, der andere geht über Maschinenfüße, Fundament und Anschlüsse in die Konstruktion über. Welcher Anteil überwiegt, hängt von Maschine, Aufstellung und Halle ab und lässt sich von außen selten erraten. Messtechnisch lassen sich Körperschall und Luftschall aber sauber auseinanderhalten.

Das Team der sta Group trifft bei Messungen in Produktionshallen immer wieder auf dasselbe Bild. Obwohl eine neue Kapselung montiert ist, ist der Pegel am Nachbararbeitsplatz kaum gesunken. Die Ursache liegt dann meist im zweiten Übertragungsweg, den bei der Planung niemand berücksichtigt hatte. Erst die getrennte Betrachtung von Körperschall und Luftschall zeigt, wo eine Maßnahme ansetzen muss.

Körperschall: Schwingungen im festen Material

Körperschall ist Schall, der sich in festen Stoffen ausbreitet, etwa in Stahlträgern, Betonböden, Gussgehäusen oder Rohrleitungen. Bei tiefen Frequenzen nehmen Sie ihn als Vibration mit Händen oder Füßen wahr. Hörbar wird diese Schallart erst, wenn eine Oberfläche mitschwingt und die Bewegung an die Luft weitergibt. Ein Hammerschlag auf einen Stahlträger trägt deshalb oft bis ans andere Hallenende.

Wo Kräfte stoßartig oder periodisch in eine Struktur eingeleitet werden, entsteht er in der Produktion fast zwangsläufig. Dazu zählen die Schläge einer Stanzpresse, die Unwucht eines Lüfterrads, Druckpulsationen in Hydraulikleitungen oder Pumpen, die starr auf einer Stahlbühne stehen. Die Energie verlässt die Maschine dabei nicht durch die Luft, sondern über ihre Füße und Anschlüsse. Für den Umgang mit Körperschall und Luftschall im Betrieb heißt das, dass neben der Maschine auch alles in die Betrachtung gehört, woran sie befestigt ist.

Longitudinal-, Transversal- und Biegewellen

In festen Körpern breiten sich Longitudinalwellen als Druckwellen und Transversalwellen als Scherwellen aus. Bleche, Platten und schlanke Träger koppeln beide zu Biegewellen, bei denen sich das Bauteil quer zu seiner Fläche durchbiegt. Biegewellen transportieren den größten Teil der Energie und sind die Hauptursache dafür, dass ein Bauteil Luftschall abstrahlt.

An dieser Stelle gehen Körperschall und Luftschall ineinander über. Wie schnell sich Biegewellen ausbreiten, hängt zudem von der Frequenz ab, ein Effekt, den es in der Luft nicht gibt.

Der Frequenzbereich von Körperschall

Für die Auslegung sind beim Körperschall Frequenzbereich und Anregungsart entscheidend. Akustisch betrachtet zählt grob das Hörspektrum von etwa 20 Hz bis 20 kHz, in der Lärmminderung an Maschinen stehen meist Frequenzen zwischen 100 und 1.000 Hz im Vordergrund.

Während man darunter eher von Erschütterungen und Vibrationen spricht, reicht das Spektrum oberhalb des Hörbereichs bis in den Ultraschall, den Werkstoffprüfung und Zustandsüberwachung von Lagern gezielt nutzen. Je tiefer die Frequenz, desto weicher muss eine elastische Lagerung sein, um sie noch abzufangen.

Wo Luftschall in der Produktion entsteht

Luftschall besteht aus Druckschwankungen der Luft, die sich von der Quelle aus kugelförmig in alle Richtungen ausbreiten, bei 20 °C mit rund 343 Metern pro Sekunde. Er erreicht das Ohr direkt oder über Reflexionen an Wänden, Decke und Nachbarmaschinen. Jede Fuge, jede Kabeldurchführung und jedes offene Tor wird für ihn zum Durchlass. Da Trittschall aus dem Wohnungsbau im Bauteil entsteht, ordnet ihn die Akustik dem Körperschall zu, auch wenn er im Raum darunter als Luftschall ankommt.

Wirksam sind gegen diese Schallart vor allem Masse und Dichtheit einer Trennschicht sowie absorbierende Oberflächen, die Reflexionen schlucken. Ein Mikrofon am Arbeitsplatz erfasst allerdings immer eine Summe. Darin stecken Körperschall und Luftschall zugleich, denn auch schwingende Bauteile in der Nähe geben Schall an die Raumluft ab. Ein einzelner Messwert in dB(A) verrät deshalb nicht, welcher Weg dominiert.

Typische Luftschallquellen an Maschinen

Folgende Quellen geben ihre Energie überwiegend direkt an die Luft ab, auch wenn an fast jeder Maschine Körperschall und Luftschall gemeinsam auftreten:

• Druckluft an Ausblasdüsen, Ventilen und Abblasöffnungen
• Ventilatoren und Absaugungen mit Strömungs- und Drehklanggeräuschen
• Trennprozesse wie Sägen, Plasma- oder Wasserstrahlschneiden
• Werkzeugkontakt beim Fräsen, Schleifen und Entgraten
• Ansaug- und Abluftöffnungen, an denen Strömung auf Kanten trifft

Gegen diese Quellen helfen Kapselungen, Schalldämpfer und Abschirmungen, die möglichst nah am Entstehungsort ansetzen.

Körperschall und Luftschall im direkten Vergleich

Wo genau liegen die Unterschiede zwischen Luftschall und Körperschall? Am deutlichsten zeigen sie sich bei Medium, Geschwindigkeit und Dämpfung. Die folgende Übersicht stellt Körperschall und Luftschall mit ihren wichtigsten Merkmalen nebeneinander:

Was fällt beim Vergleich besonders auf? Es ist die Zeile zur Abnahme über die Strecke. Weil Stahl nur eine sehr geringe innere Dämpfung besitzt, verliert eine Schwingung in einem Träger auf vielen Metern kaum Energie. Luftschall dagegen verteilt sich im Raum und wird an Absorbern zusätzlich geschwächt.

Damit unterscheiden sich Körperschall und Luftschall auch in ihrer Reichweite grundlegend. Luftschall schirmen Sie ab, Körperschall unterbrechen Sie. Jede Planung für die Halle baut auf diesem Unterschied auf.

Wie weit reicht die Körperschallausbreitung in Stahlbau und Fundament?

Die Körperschallausbreitung reicht oft deutlich weiter, als der Blick auf die Maschine vermuten lässt. Wo Stahlträger, Hallenstützen, Bühnen, Rohrleitungen und Lüftungskanäle starr miteinander verbunden sind, leiten sie Schwingungen über viele Meter weiter. Ein Leitstand, der fest an der Stahlbühne einer Anlage hängt, kann so selbst zur Lärmquelle werden, obwohl in seinem Inneren keine Maschine läuft.

Ähnlich ergeht es Hallenbüros und Meisterkabinen, die direkt auf einer schwingenden Bühne stehen. Wenn keine Trennfuge sie aufhält, geben auch Fundamente ihre Schwingungen an den Hallenboden weiter. Zur Analyse gehört deshalb der gesamte Stahlbau.

Wenn eine Blechfläche zum Lautsprecher wird

An großen Blechflächen erzeugt der Körperschall Luftschall, der den direkten Schall der Quelle manchmal sogar übertrifft. Verkleidungen, Schutzhauben, Kanalwände und Trennwände aus dünnem Blech wirken dann wie die Membran eines Lautsprechers.

Eine Platte strahlt oberhalb ihrer sogenannten Grenzfrequenz besonders wirksam ab, bei 4 mm Stahlblech liegt dieser Wert bei rund 3.000 Hz. Eine Verkleidung ohne Entkopplung oder Dämpfung kann den Lärm deshalb verstärken, statt ihn zu mindern.

Der umgekehrte Weg

Umgekehrt regt auftreffender Luftschall Körperschall in dünnwandigen Bauteilen an. Die Wand einer Kabine oder Einhausung gerät dabei selbst in Schwingung und gibt den Schall auf der anderen Seite wieder ab.

Hängen solche Bauteile starr am Hallenboden oder an Nachbarkonstruktionen, entstehen Schallbrücken, über die der Schall die eigentliche Trennwand umgeht. Fachleute sprechen von Flankenübertragung, die den Gewinn einer hochwertigen Wand spürbar schmälert. Deshalb gehören Körperschall und Luftschall bei jeder Trennwand in dieselbe Rechnung.

Warum eine Einhausung allein oft nicht reicht

Ein typischer Fall aus der Praxis: Ein Hydraulikaggregat bekommt eine neue Einhausung mit schweren, dichten Wänden und absorbierender Innenverkleidung. Warum sinkt der Pegel an den Nachbararbeitsplätzen trotzdem weit weniger als berechnet? Die Einhausung steht auf demselben Fundament wie das Aggregat, ihre Rohrdurchführungen sind starr verschraubt. Der Körperschall umgeht die Wände über den Boden und die Leitungen.

Viel Geld steckt damit in Wänden, die ihren Zweck nur zur Hälfte erfüllen. Gegen den Luftschall bleiben Masse, Dichtheit und eine absorbierende Innenseite nach wie vor die richtige Antwort. Dämmung hält den Schall zurück, Absorption verhindert, dass er sich im Inneren aufschaukelt. Worin sich beide Prinzipien genau unterscheiden, zeigt unser Beitrag zu Schalldämmung vs. Schallabsorption.

Damit gut ausgelegte Maschineneinhausungen ihre volle Wirkung entfalten, muss auch der Weg durch die Konstruktion unterbrochen sein. Körperschall und Luftschall verlangen an derselben Maschine also unterschiedliche Werkzeuge. Für den Körperschall braucht es andere Mittel:

• Elastische Lagerung der Maschine auf Federn oder Elastomerelementen. Sie wirkt erst, wenn die Erregerfrequenz mehr als das 1,4-Fache (Wurzel aus 2) der Eigenfrequenz des gelagerten Systems beträgt. Darunter verstärkt sie die Schwingungen sogar.
• Entkopplung der Einhausung vom Maschinenfundament, damit Wände und Dach keinen Kontakt zur schwingenden Maschine haben.
• Elastische Zwischenstücke wie Kompensatoren oder Schlauchleitungen an Rohren, Hydraulikleitungen und Kanälen.
• Dämpfungsbeläge auf großen Blechflächen, die das Dröhnen von Verkleidungen und Hauben bremsen.
• Trennfugen im Fundament, wenn stark anregende Maschinen wie Pressen einen eigenen Sockel bekommen.

Werden Körperschall und Luftschall von Anfang an gemeinsam betrachtet, lassen sich viele dieser Punkte direkt in eine Verkleidung integrieren, etwa über elastische Fußpunkte und gedämpfte Bleche. Wir planen unsere Maschinenverkleidungen deshalb immer zusammen mit der Aufstellung der Maschine, ihren Anschlüssen und dem Untergrund, auf dem sie steht. Druckluftstationen bringen eigene Tücken mit, die der Beitrag zur Lärmquelle Kompressor ausführlich beschreibt.

Den dominierenden Übertragungsweg vor Ort ermitteln

Bevor wir eine Maßnahme vorschlagen, messen wir Körperschall und Luftschall getrennt. Mikrofone erfassen den Schall an den Arbeitsplätzen, während Beschleunigungsaufnehmer gleichzeitig die Schwingungen an Maschinenfüßen, Fundament, Stahlbau und Leitungen aufzeichnen. Damit klar wird, welche Quelle welchen Anteil liefert, vergleichen wir Messungen mit abgeschalteten und einzeln betriebenen Anlagen.

Eine Frequenzanalyse ergänzt die reinen Pegelwerte. Taucht dieselbe Spitze im Spektrum am Fundament und am Arbeitsplatz auf, deutet das klar auf den Weg über die Konstruktion hin.

Aus dem Verhältnis der Messwerte ergibt sich, ob Masse, Entkopplung oder beides gebraucht wird. Oft verteilen sich Körperschall und Luftschall an einem Arbeitsplatz ganz anders, als es die Lautstärke der einzelnen Maschinen vermuten lässt. Ein vergleichsweise leises Aggregat auf einer Stahlbühne kann am Leitstand mehr stören als eine laute Presse auf eigenem Fundament.

Um die Umsetzung vorzubereiten, nehmen wir die Umgebung mit unserem 3D-Scanner digital auf. Rohrführungen, Stützen und Anschlüsse liegen damit millimetergenau im 3D-CAD-Modell, sodass Entkopplungen, elastische Fußpunkte und Durchführungen schon in der Konstruktion an der richtigen Stelle sitzen. Auf der Baustelle müssen unsere Monteure dann nichts mehr improvisieren.

Fazit zu Körperschall und Luftschall in der Industrie

Körperschall und Luftschall sind zwei Seiten desselben Maschinenlärms, die sich nur mit unterschiedlichen Mitteln in den Griff bekommen lassen. Luftschall verlangt Masse, Dichtheit und Absorption, Körperschall verlangt Entkopplung und Dämpfung. Die wirksamste Lösung entsteht dort, wo beide Wege von Anfang an gemeinsam geplant werden.

Unsere Ingenieure begleiten Projekte zu Körperschall und Luftschall durchgehend, vom ersten Messpunkt bis zur Abnahme. Was sie konstruieren, fertigen wir selbst und bauen es mit eigenen Monteuren bei Ihnen ein. Sie möchten wissen, welcher der beiden Wege in Ihrer Halle überwiegt? Sprechen Sie uns an, wir messen gern bei Ihnen vor Ort.