6.1 Schallausbreitung im Freien

Typische Beispiele für die Schallausbreitung im Freien sind vor allem Verkehrslärm einschließlich Fluglärm, Emissionslärm von Industrie- und Gewerbeanlagen, Baustellenlärm und Freizeitlärm (Sportstätten, Nachbarschaft).

Voraussetzung zur Berechnung des Schallfeldes in der freien Umgebung einer Geräuschquelle ist, daß sowohl abgestrahlte Schalleistung als auch ihre Richtcharakteristik bekannt sind.

Für die grundsätzliche Überlegung wird eine Schallquelle mit kugelförmiger Richtcharakteristik gewählt, d.h. eine punktförmige Geräuschquelle, deren Abmessungen kleiner als die Wellenlänge des erzeugten Schalls sind mit einer über die gesamte Oberfläche gleichmäßigen Schallabstrahlung.

Die Schalleistung der Quelle verteilt sich dabei von der kleinen Oberfläche der inneren Wellenkugeln gleichförmig auf immer größere Kugelflächen, so daß die Schallintensität mit wachsender Entfernung von der Schallquelle abnimmt. Gleichzeitig wird die Krümmung der Kugeloberflächen immer geringer, d.h. in großer Entfernung gibt es nur noch ebene Wellenfronten.

Der Zusammenhang zwischen der Schalleistung P der Quelle und dem Schalldruck p im Abstand r mit der Kennimpedanz . c und S = 4 r[2] ist dann:

(6.1)

Unter Berücksichtigung der Bezugswerte P0 = 10[-12] W und p0 = 2.10[-10] bar erhält man daraus die Pegelbeziehung:

(6.2)

Im Abstand r von einer Geräuschquelle mit dem Schalleistungpegel LW herrscht also der Schalldruckpegel:

(6.3)

Nimmt man statt der allseitigen eine halbkugelförmige Abstrahlung an, was in der Praxis wahrscheinlicher ist, da die meisten Geräuschquellen auf dem Boden stehen, erhält man für die Oberfläche nur S = 2 r und entsprechend in (6.3) eine um 3 dB geringere Konstante:

(6.4)

Wird der Abstand von r1 auf r2 erweitert, sinkt der erzeugte Schalldruckpegel um:

(6.5)

d.h. bei Verdoppelung der Entfernung nimmt der Pegel um 6 dB ab usw.

Für zylinderförmige Abstrahlung, d.h. eine aus ungerichtet abstrahlenden Einzelquellen zusammengesetzte Geräuschquelle (z.B. ein Eisenbahnzug oder ein hochdurchströmtes Rohr), gelten die gleichen Beziehungen mit S = 2 r.l mit l: Länge des Linienstrahlers.

Die entfernungsspezifische Pegelabnahme beträgt:

(6.6)

d.h. eine Verdoppelung ergibt einen um 3 dB niedrigeren Pegel.

6.1.1 Plattenstrahler

Ein Großteil der Schallausbreitung erfolgt von flächenbegrenzten Maschinengehäusen mit Wänden und Decken oder an Platten selbst. Es handelt sich dabei um biegeelastische Platten. Die dabei von der Platte abgestrahlte Schalleistung hat die Größe:

(6.7)

6.1.2 Kolbenstrahler

Der praktischen Schallabstrahlung sehr nahe kommender, d.h. technisch gut analysierbarer Elementarstrahler ist der sogenannte Kolbenstrahler, bei dem der 'Kolben', das sind im allgemeinen starre flächenhafte Gebilde, hin und her schwingt. Ebenso können dabei elastisch deformierbare Membrane und Platten, insofern sie konphase Schwingungen ausführen, berücksichtigt werden.

Die Berechnung der Schallabstrahlung des Kolbenstrahlers erfordert einen größeren mathematischen Aufwand, in guter Näherung kann sie jedoch für die zwei Fälle .dK/ >> 1 und .dK/ < 1 angegeben werden (Gln. 6.8, 6.9 und 6.10).

Abbildung 6.1 zeigt die Richtcharakteristik eines Kolbenstrahlers bei . dK/ >> 1, d.h. ein Strahler der im Vergleich zu seinem Durchmesser kleinere Wellenlängen abstrahlt. Der Kolbenstrahler wird unter dieser Voraussetzung und unter der bereits genannten Annahme, daß er als starres Gebilde oszilliert oder als elastische Fläche konphas schwingt, zum Flächenstrahler mit optimaler Abstrahlung. Der Flächenstrahler besitzt eine besonders ausgeprägte Richtwirkung in der Flächenmitte und eine geringe seitliche Abstrahlung in den Randzonen.

(Bild anklicken)

Abb.6.1: Richtcharakteristik eines Kolberstrahlers (7).

a) .dK/ >> 1

(6.8)

b) .dK/ < 1 (Kolbenrückseite schalldicht gegen die Vorderseite abgeschlossen)

(6.9)

bzw. .dK/ < 1 ( frei schwingender Kolben)

(6.10)

6.1.3 Einfluß der Konsistenz des Mediums

Bei Entfernungen von der Schallquelle über 100 m sind die Pegel von Witterungseinflüssen abhängig. In warmen Luftschichten ist der Schall schneller als in kalten und mit Wind ist er schneller als gegen den Wind. Das Medium wird also durch Temperaturunterschiede inhomogen und durch den Windgradienten anisotrop. Dadurch breiten sich die Schallwellen nicht mehr geradlinig aus und die oben genannten Beziehungen verlieren an Genauigkeit.

6.1.4 Ausbreitungsdämpfung

Während der Schallausbreitung geht stets ein Teil der Schallenergie durch Reibung, Wärmeleitung und Anregung innermolekularer Schwingungen verloren. Dieser als Dissipation, Längsdämpfung oder Ausbreitungsdämpfung bezeichneter Vorgang wächst mit der Entfernung von der Schallquelle und ist stark frequenzabhängig, d.h. hohe Frequenzen werden stärker gedämpft als tiefe. Die Folge ist, daß weit entfernte Schallquellen dumpf klingen. Weiterhin hat die Luftfeuchte einen Einfluß auf diese Dämpfung, sie ist höher bei feuchter und kleiner bei trockener Luft.