Psychoakustische Einflüsse in der Ventilatoren-Entwicklung

  • Das Schallspektrum eines Musikstücks (blau) und eines EC-Ventilators der Baugröße 250 (rot) ist zwar ähnlich, werden aber dennoch sehr unterschiedlich wahrgenommen.

Warum empfinden wir ein Geräusch als angenehm oder lästig? Mit dieser Fragestellung befasst sich die Psychoakustik.
Sie will das individuelle Geräuschempfinden im Verhältnis zu messbaren Schallpegel definieren. Hersteller berücksichtigen die hierbei gewonnenen Ergebnisse in der Ventilatoren-Entwicklung.

Wenn wir durch ein Geräusch beeinträchtigt werden, uns also zum Beispiel von ihm gestört fühlen, sprechen wir von Lärmbelästigung. Wann dies der Fall ist, hängt von vielen Faktoren ab. Unter anderem spielt die Situation eine Rolle, in der wir uns gerade befinden, die Lautstärke und die Art des Geräuschs. Das gilt auch für Ventilatoren, die je nach Situation und Einsatzort unterschiedliche Anforderungen erfüllen. Sind sie zum Beispiel an einem Wärmetauscher im Kühllager eingesetzt, kommt es weniger auf geringe oder angenehme Geräusche an, denn ein solcher Raum wird nur selten betreten. Luft- und Klimageräte für den Wohn- und Arbeitsbereich müssen ganz andere Erwartungen erfüllen. Das heißt allerdings nicht, dass Ventilatoren geräuschlos arbeiten sollen. Bei vielen Anwendungen dient ihr Arbeitsgeräusch als Funktionskontrolle; ein typisches Beispiel ist die Dunstabzugshaube über dem Küchenherd.

Das Geräuschspektrum eines Ventilators
Bei Ventilatoren ist die Geräuschentwicklung deshalb oft kaufentscheidend. Neben den aerodynamischen Daten (Luftleistung) wird die Schallleistung zur wichtigen Kenngröße. Das Geräuschspektrum eines Ventilators enthält in der Regel tonale und breitbandige Komponenten. Ihre Entstehungsmechanismen sind völlig unterschiedlich: Ursache für die meisten tonalen Komponenten ist die Interaktion des rotierenden Laufrades mit Störungen in der angrenzenden Luftströmung, die durch Streben, Leitschaufeln oder asymmetrischen Einlauf verursacht werden. Sie sind damit abhängig von der Einbausituation des Ventilatorlaufrades. Oft lassen sie sich durch verbesserte Anordnung des Laufrads reduzieren oder sogar vermeiden. Die meisten breitbandigen Geräuschkomponenten dagegen werden durch die unvermeidbare Turbulenz der Zuströmung und die prinzipbedingte Strömung um die Schaufeln verursacht. Die breitbandigen Anteile bestimmen das Grundniveau des Geräuschspektrums eines Ventilators.

Hier hat die Herstellerindustrie bereits einiges bewirkt und es ist eine Vielzahl von Möglichkeiten zur Geräuschreduktion bei Ventilatoren bekannt. Dazu gehören zum Beispiel strömungstechnisch optimierte Lüfterräder, Winglets, Diffusoren und Vorleitgitter, mit denen Schallleistung und Schallpegel der Ventilatoren deutlich sinken.
Ob wir das verbleibende Geräusch als angenehm oder lästig empfinden, darüber sagt der physikalisch im Teststand gemessene Schallpegel aber nichts aus. Trompetenspiel beispielsweise und der Bagger auf einer Baustelle haben ungefähr die gleiche Schallleistung, werden aber psychoakustisch völlig unterschiedlich bewertet. Obenstehendes Bild zeigt ein weiteres Beispiel: In diesem Fall sind die Spektren zwar zu unterscheiden, aber der Gesamtpegel ist (nahezu) gleich: 69,7 dB(A). Entscheidend ist, dass aufgrund des Spektrums keine Aussage über die Lästigkeit/Angenehmheit des Geräuschs gemacht werden kann, eventuell würde man aufgrund der tieffrequenten Anteile das blaue Spektrum (Musik) als störender vermuten. Das menschliche Gehör ordnet die Geräusche aber völlig anders ein.

Norm über die Lästigkeit?
Für die subjektive Beurteilung ist wichtig, wie „rau“ oder „scharf“ ein Geräusch wahrgenommen wird. Ein solches Empfinden kann entstehen, wenn das Signal durch Änderung von Frequenz oder Amplitude eine zeitliche Struktur erhält. Viele Geräusche enthalten zudem tonale Komponenten, die stark störend wirken können. Dieses Empfinden unterscheidet sich von Person zu Person, was die Bewertung noch verkompliziert.
Der Motoren- und Ventilatorenspezialist Ebm-Papst Mulfingen hat sich dieser Thematik angenommen, die leisen GreenTech-EC-Motoren sollen schließlich angenehm klingen. Erstrebenswert wäre den Entwicklern als Fernziel dann auch eine herstellerunabhängige Norm über die Lästigkeit, ebenso wie es ja auch Lärmschutzbestimmungen gibt. Heute kann zum Beispiel eine im Freien aufgestellte Luftwärmepumpe, auch wenn sie der Lärmschutznorm TA entspricht, mit ihrem Brummen die Nachbarschaft derart auf die Palme bringen, dass ein harmonisches Zusammenleben nicht mehr gegeben ist. Mit nach psychoakustischen Kriterien optimierten Ventilatoren ist man in solchen Fällen auf der sicheren Seite.

Psychoakustiklabor schafft Datenbasis
Ebm-papst hat deshalb mit dem Audimax ein sogenanntes Psychoakustiklabor eingerichtet. Dieser schallisolierte Raum bietet Platz für bis zu acht Testhörer, denen die Geräusche der Ventilatoren in unterschiedlichen Konfigurationen vorgespielt werden. Mitarbeiter befragen die Probanden anschließend und schaffen so eine Datenbasis unter wissenschaftlichen Gesichtspunkten. Grundlage dafür sind die psychoakustischen Parameter Lautheit (Einheit sone), Schärfe (Einheit acum), Tonheit (Einheit mel), Rauigkeit (Einheit asper) und Schwankungsstärke (Einheit vacil). Daneben sind Tonhaltigkeit und Impulshaltigkeit bedeutsame Größen. Sie lassen sich mit Mikrofonen messen und mit den Aussagen der Testpersonen vergleichen.
Die Beurteilungen der Testpersonen werden mithilfe statistischer und psychologischer Verfahren bewertet. Die Ergebnisse fließen in die Produktentwicklung ein. So lässt sich beispielsweise erkennen, welche Maßnahmen bei der Verminderung der Lästigkeit von Ventilatorengeräuschen greifen und welche nicht. Schlussendlich ist das Ziel, einen Ventilator zu entwickeln, der von einer möglichst breiten Masse an Testpersonen als angenehm empfunden wird. Das Audimax trägt dazu bei, die GreenTech-EC-Technologie weiter voranzutreiben. Lärmbelästigung zu reduzieren ist ökologisch betrachtet ein wichtiges Entwicklungsziel. Als lästig empfundene Geräusche beeinträchtigen die Lebensqualität und können schlimmstenfalls krank machen.

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