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Messung der Schallleistung von Maschinen

Das verein­fachte Nahfeld­ver­fah­ren

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Abb. 1: Prinzipskizze Direktschall (schwarz) und Reflexionen (blau) Grafik: A. Reeßing, BGN
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Eine euro­päi­sche Studie zeigt: Die Anga­ben zu Lärm sind bei 80 Prozent der Betriebs­an­lei­tun­gen von Maschi­nen nicht belast­bar. Herstel­ler der Maschi­nen wiederum klagen, dass gegen­wär­tige Mess­ver­fah­ren zur Erhe­bung akus­ti­scher Maschi­nen­kenn­da­ten zu komplex und/oder zu teuer sind. Die Berufs­ge­nos­sen­schaft Nahrungs­mit­tel und Gast­ge­werbe (BGN) hat nun die vorhan­de­nen Präzi­si­ons­mess­ver­fah­ren hinsicht­lich ihrer Anwend­bar­keit in Produk­ti­ons­stät­ten mit verket­te­ten Anla­gen beleuch­tet.

In den Kapi­teln 1.5.8 „Lärm“ und 1.7.4.2 „Inhalt der Betriebs­an­lei­tung“ (siehe Tabelle 1 auf Seite 30) der Maschi­nen­richt­li­nie 2006/42/EG sind Anfor­de­run­gen formu­liert, wie eine Maschine aus schall­tech­ni­scher Sicht zu konstru­ie­ren ist und welche akus­ti­schen Kenn­da­ten ein Maschi­nen­her­stel­ler ange­ben muss.

Der Schall­leis­tungs­pe­gel ist ein Maß für die akus­ti­sche Quell­stärke. Diese ist orts­un­ab­hän­gig, das heißt ein Maschi­nen­kenn­wert. Der Emis­si­ons­schall­druck­pe­gel ist die Wirkung der Schall­leis­tung am Arbeits­platz, meist gemes­sen in 1 m Entfer­nung zur Schall­quelle ohne Berück­sich­ti­gung von Umge­bungs­be­din­gun­gen (Refle­xio­nen, Fremd­ge­räu­sche etc.). Sofern ein Einfluss der Umge­bung erfolgt, ist dieser mess­tech­nisch oder rech­ne­risch zu elimi­nie­ren. Somit ist auch der Emis­si­ons­schall­druck­pe­gel am Arbeits­platz ein Maschi­nen­kenn­wert.

Sach­lage

Eigene Anfra­gen bei Maschi­nen­her­stel­lern zeigen, dass die genann­ten Maschi­nen­kenn­werte in den meis­ten Fällen nicht vorlie­gen. Diese Einschät­zung hat sich durch die NOMAD‐Studie (Noise Machinery Direc­tive) bestä­tigt. Im Rahmen dieser euro­päi­schen Markt­über­wa­chungs­stu­die wurden von 2008 bis 2012 von 14 euro­päi­schen Staa­ten mehr als 1500 Hand­bü­cher von über 40 Maschi­nen­ty­pen und von 800 verschie­de­nen Maschi­nen­her­stel­lern auf die Inhalte zum Thema „Lärm“ über­prüft.

Es zeigte sich, dass die Anga­ben bei 80 Prozent der Betriebs­an­lei­tun­gen tatsäch­lich nicht belast­bar waren. Die eigent­lich theo­re­tisch zu erwar­tende win‐win‐Situation für Herstel­ler und Anla­gen­be­trei­ber ist nur in einzel­nen Markt­seg­men­ten (Stich­wort „weiße Ware“ für Wohnun­gen) gege­ben. Die Maschi­nen­her­stel­ler haben augen­schein­lich keinen Markt­vor­teil durch leise Maschi­nen. Der Anla­gen­be­trei­ber wägt viele andere Belange (Platz­be­darf, elek­tri­sche Anschluss­leis­tung, etc.) als wich­ti­ger ab als das leisere Umfeld für seine Mitar­bei­ter.

Aufga­ben­stel­lung

Von Seiten der Maschi­nen­her­stel­ler wird bemän­gelt, dass die gegen­wär­tig vorhan­de­nen Mess­ver­fah­ren zur Erhe­bung der akus­ti­schen Maschi­nen­kenn­da­ten zu komplex und/oder zu teuer sind. Gleich­zei­tig äußern die Anla­gen­be­trei­ber ihren Unmut, weil sie – sofern eine solche Angabe vorhan­den ist – diese nicht oder nur mit erheb­li­chem Aufwand über­prü­fen können.

Die BGN hat deshalb die vorhan­de­nen genorm­ten soge­nann­ten Präzi­si­ons­mess­ver­fah­ren anhand von vier wesent­li­chen Krite­rien (Kosten, Hand­ha­bung, Fremd­ge­räu­sche und Umge­bung) hinsicht­lich ihrer Anwend­bar­keit in Produk­ti­ons­stät­ten mit verket­te­ten Anla­gen (siehe Info­kas­ten auf Seite 30) beleuch­tet.

Mess­ver­fah­ren

In Abbil­dung 1 ist sche­ma­tisch die Schall­ab­strah­lung einer Maschine in einer Halle darge­stellt. Gleich­zei­tig sind die Refle­xio­nen an Begren­zungs­flä­chen sowie eine Mess­hülle um die Maschine abge­bil­det.

Hüll­flä­chen­ver­fah­ren

Die Hüll­flä­chen­ver­fah­ren haben gemein, dass die Mess­hülle in Abbil­dung 1 an defi­nier­ten diskre­ten Punk­ten mit einem Hand­schall­pe­gel­mes­ser vermes­sen wird. Beispiel­haft sei hier auf die am Häufigs­ten ange­wandte Rahmen­mess­norm DIN EN ISO 3744 verwie­sen. Dieser Hand­schall­pe­gel­mes­ser ist prin­zi­pi­ell der Glei­che, wie er auch bei ande­ren Anwen­dun­gen, wie zum Beispiel Arbeits­platz­mes­sun­gen einge­setzt wird. Die Kosten sind über­schau­bar und die Hand­ha­bung leicht erlern­bar bezie­hungs­weise bereits bekannt. Jedoch sind Einflüsse von Fremd­ge­räu­schen (andere Maschi­nen) und der Umge­bung (Refle­xio­nen etc.) nicht mit einfa­chen Mitteln lösbar. Daher sind die Verfah­ren für die Anwen­dung in Produk­ti­ons­stät­ten mit verket­te­ten Anla­gen unge­eig­net.

Inten­si­täts­mess­ver­fah­ren (DIN EN ISO 9614–2)

Eine Inten­si­täts­mess­sonde besteht aus zwei Mikro­fo­nen, deren Membra­nen „Kopf an Kopf“ ange­ord­net sind. Dies erlaubt eine vekto­ri­elle Messung, so dass die Rich­tung der Schall­ab­strah­lung erfasst wird. Deshalb sind die Einflüsse von Fremd­ge­räu­schen und der Umge­bung meist gut beherrsch­bar (Ausnahme: zum Beispiel Impuls­ge­räu­sche). Die Mess­hülle in Abbil­dung 1 wird bei der Messung meist diskon­ti­nu­ier­lich (Mess­pfade siehe Abbil­dung 2) abge­scannt.

Jedoch ist die Anschaf­fung einer Inten­si­täts­sonde mitsamt Soft­ware teuer und die Hand­ha­bung sollte durch erfah­re­nen Mess­in­ge­nieu­ren erfol­gen. Das heißt, die Inten­si­täts­mess­ver­fah­ren sind in Produk­ti­ons­stät­ten als Mess­ver­fah­ren geeig­net, aber teuer.

Nahfeld­ver­fah­ren

Es besteht Klärungs­be­darf, ob die in Fach­krei­sen ange­wand­ten Mess­ver­fah­ren im Nahfeld einer Schall­quelle zur Ermitt­lung von Schall­emis­sio­nen in Produk­ti­ons­stät­ten geeig­net sind. Hierzu hat Herr Prof. Dr. Probst bereits im Jahr 2000 berich­tet. Wir nehmen die dama­li­gen Erkennt­nisse auf und versu­chen sie auf die heutige Situa­tion zu trans­fe­rie­ren.

Für das nach­fol­gend beschrie­bene verein­fachte Verfah­ren oder auch Nahfeld­ver­fah­ren wird ein Hand­schall­pe­gel­mes­ser benö­tigt. Das heißt, die Hand­ha­bung ist einfach und die Kosten sind über­schau­bar. Zudem ist zu vermu­ten, dass im Nahfeld einer Schall­quelle diese maßgeb­lich ist. Inwie­weit die Umge­bungs­be­din­gun­gen und/oder die Fremd­ge­räu­sche hier­durch beherrsch­bar sind, muss durch Messun­gen geklärt werden.

Die BGN führt deshalb seit 2013 ein im Prämi­en­ver­fah­ren der BGN enthal­te­nes Modell­pro­jekt durch, in dem verschie­dene Mess­ver­fah­ren im laufen­den Betrieb getes­tet und die Ergeb­nisse mitein­an­der vergli­chen werden. Ziel ist es, das Nahfeld­ver­fah­ren zu vali­die­ren und die Mess­durch­füh­rung so zu beschrei­ben, dass dieses Mess­ver­fah­ren sowohl von den Herstel­lern als auch von den Betrei­bern von Anla­gen während des bestim­mungs­ge­mä­ßen Betriebs der Maschi­nen ange­wandt werden kann.

Neben den „Betriebs­mes­sun­gen“ im Rahmen des Modell­pro­jekts wurde 2016 im refle­xi­ons­ar­men Halb­raum der BGN ein inter­ner Ring­ver­such durch­ge­führt. Dabei wurde über­prüft, ob das verein­fachte Nahfeld­ver­fah­ren auch ohne Schu­lung durch­ge­führt werden kann. Die Teil­neh­mer des Ring­ver­suchs führen im Rahmen ihrer Tätig­kei­ten Schall­pe­gel­mes­sun­gen am Arbeits­platz durch, aber keine Emis­si­ons­mes­sun­gen.

Mess­durch­füh­rung

Nach­fol­gend wird die Mess­durch­füh­rung skiz­ziert, wie sie sich bei den BGN‐Messungen bewährt hat.

  1. Abscan­nen (zeit­li­ches und räum­li­ches Mitteln) mit dem Hand­pe­gel­mes­ser im Nahfeld (ca. 5 – 10 cm) vor jeder Öffnung der Schall­quelle. Es soll­ten circa
    30 s Mess­zeit bezie­hungs­weise 3 bis 5 Arbeits­zy­klen erfasst werden bezie­hungs­weise bis der A‐bewertete Mitte­lungs­pe­gel konstant ist. Die Mess­zeit hängt in hohem Maße auch von der Größe der jewei­li­gen Öffnung ab. Die Öffnun­gen sind gege­be­nen­falls in Teil­flä­chen zu unter­tei­len, wenn die Pegel­schwan­kun­gen zu groß sind oder die Flächen schwer zugäng­lich. Der Scan­vor­gang (Mess­pfade zum Beispiel Abbil­dung 2) kann auch durch punk­tu­elle Mess­po­si­tio­nen ersetzt oder ergänzt werden. Die Maschi­nen­teile mit Verklei­dun­gen werden hinsicht­lich ihrer Schall­ab­strah­lung vernach­läs­sigt. Hier wird zur Verein­fa­chung unter­stellt, dass diese Maschi­nen­ober­flä­chen keinen wesent­li­chen Beitrag zur Gesamt­ab­strah­lung beisteu­ern.
  2. Flächen­er­mitt­lung dieser Öffnun­gen und Zuwei­sung des jewei­li­gen Mitte­lungs­pe­gels (Flächen­ge­wich­tung des Schall­pe­gels), ein Mess­pro­to­koll ist ange­hängt
  3. Ener­ge­ti­sche Addi­tion der flächen­ge­wich­te­ten Schall­pe­gel
    Pegel L1 mit Fläche F1, L2 mit F2,…

    Lgesamt = 10 x log [(1/Fgesamt) x (F1 x

    10(0,1xL1) + F2 x 10(0,1xL2)+…)]

  4. Addi­tion der komplet­ten Mess­flä­che F

LWA = Lgesamt + 10 x log (F/m²)

Mess­ergeb­nisse und Mess­un­si­cher­heit

Für die Auswer­tung von Mess­ergeb­nis­sen, ermit­telt mit dem Nahfeld­ver­fah­ren, gibt Herr Dr. Probst eine Schall­feld­kor­rek­tur von 3 dB an und stuft das Verfah­ren
in die Genau­ig­keits­klasse 3 ein. Diese system­be­dingte posi­tive Abwei­chung im Nahfeld im Vergleich zu Inten­si­täts­mes­sun­gen hat sich bei den bishe­ri­gen Betriebs­mes­sun­gen bestä­tigt. Von der BGN wurden bisher 66 Nahfeld‐ und 44 zeit­glei­che Inten­si­täts­mes­sun­gen (DIN EN ISO 9614–2) durch­ge­führt. Im Mittel sind die Mess­ergeb­nisse aus den Nahfeld­mes­sun­gen um 2,3 dB höher, bei einer Stan­dard­ab­wei­chung von 1,5 dB. Ferner wurde zur Ermitt­lung der Repro­du­zier­bar­keit der Mess­ergeb­nisse im refle­xi­ons­ar­men Halb­raum der BGN ein inter­ner Ring­ver­such durch­ge­führt. Die Mess­ergeb­nisse der 16 Teil­neh­mer waren im Mittel um 1,1 dB höher (Stan­dard­ab­wei­chung von 1,8 dB) im Vergleich zu Inten­si­täts­mes­sun­gen.

Die bishe­ri­gen Messun­gen der BGN führen zu einem ähnli­chen Ergeb­nis wie das von Herrn Dr. Probst. Das Modell­pro­jekt im Prämi­en­ver­fah­ren ist noch aktiv. Deshalb werden weitere Messun­gen durch­ge­führt, um auch die Gren­zen des Mess­ver­fah­rens besser zu veri­fi­zie­ren.

(Bishe­rige) Gren­zen des Mess­ver­fah­rens

Im bishe­ri­gen Projekt­ver­lauf haben sich erste Gren­zen des Mess­ver­fah­rens gezeigt, auch bestehen noch unge­klärte Fragen:

  • Zugäng­lich­keit der Maschine: Mess­flä­chen bezie­hungs­weise Öffnun­gen können bei unzu­rei­chen­der Zugäng­lich­keit nicht abge­scannt werden und fehlen bei der Schall­leis­tungs­bi­lanz.
  • Abstand zu reflek­tie­ren­den Oberflächen/Reflexionen: Es hat sich gezeigt, dass es zu Pegel­er­hö­hun­gen – auch im Nahfeld – kommt, wenn Maschi­nen vor reflek­tie­ren­den Wänden oder geschlos­se­nen Maschi­nen­ver­klei­dun­gen benach­bar­ter Maschi­nen stehen. Derzeit wird der Abstand doku­men­tiert und versucht, die Pegel­über­hö­hung durch Messun­gen abzu­schät­zen. Ab Abstän­den von circa 1,5 – 2 m wurde bisher kein Einfluss mehr fest­ge­stellt.
  • Fremd­ge­räu­sche: Der Hallen­pe­gel sollte nach derzei­ti­gem Kennt­nis­stand um mindes­tens 6 dB klei­ner sein als der Nahfeld­pe­gel im Bereich der Öffnung, um maßgeb­li­che Einflüsse auszu­schlie­ßen.
  • Mess­zeit: Da jede Öffnung der Schall­quelle mess­tech­nisch unter­sucht werden muss, sind teils erheb­li­che Mess­zei­ten erfor­der­lich. Inner­halb dieser Mess­zeit muss ein möglichst konstan­ter, störungs­freier Betriebs­ab­lauf (ohne Produkt‐ bezie­hungs­weise Gebin­de­wech­sel) der jewei­li­gen Maschine gewähr­leis­tet sein.
  • Abgren­zung der Maschine: Bei einer Viel­zahl von Maschi­nen ist es nicht direkt ersicht­lich, wie deren Gren­zen zu defi­nie­ren sind und welche Bauteile für den Betrieb der Maschine erfor­der­lich sind. Es ist daher wich­tig und uner­läss­lich, die Maschine hinsicht­lich ihrer Abgren­zung sowie die Mess­pfade bezie­hungs­weise Öffnun­gen genau zu beschrei­ben. Eine Foto­do­ku­men­ta­tion hat sich bewährt.
  • Loch­blech­ver­klei­dun­gen: Ab wann ist eine Maschi­nen­ver­klei­dung aus Loch­ble­chen ein „Loch“ und ab wann sind die Einze­l­öff­nun­gen zu unter­su­chen. Die Durch­strahl­grade sowie die Schall­däm­mung von typi­schen Loch­ble­chen werden derzeit im Labor unter­sucht.
  • Prozess­be­zo­gene Geräu­sche: Bei einer Viel­zahl von Maschi­nen wird die Schall­ab­strah­lung durch zum Beispiel den Gebin­de­trans­port bestimmt. Beispiels­weise ist das Flaschen­klir­ren der Glas­fla­schen am Einlauf („Drän­gel­tisch“) einer Flaschen­wasch­ma­schine mit pegel­be­stim­mend. Dabei klingt jede Flaschen­form anders und auch Neuglas ist lauter als Altglas.

Es sollte durch die Mitar­bei­ter in Normung und Regel­set­zung darauf hinge­ar­bei­tet werden, dass in den maschi­nen­spe­zi­fi­schen Normen Betriebs­be­din­gun­gen fest­ge­legt werden, die bei der Schall­leis­tungs­be­stim­mung heran­ge­zo­gen werden müssen.

Lite­ra­tur

Die Ausfüh­run­gen stüt­zen sich auf folgende wesent­li­che Regel­werke:

Verord­nung zur Ände­rung von Verord­nun­gen nach § 3 des Geräte‐ und Produkt­si­cher­heits­ge­set­zes vom 18. Juni 2008 (BGBl. I, Nr. 25), ausge­ge­ben am 25.06.2008 mit Richt­li­nie 2006/42/EG (Maschi­nen­richt­li­nie) des euro­päi­schen Parla­ments und des Rates vom 17. Mai 2006 über Maschi­nen und zur Ände­rung der Richt­li­nie 95/16/EG (Neufas­sung)

Verord­nung zur Umset­zung der EG‐Richtlinien 2002/44/EG und 2003/10/EG zum Schutz der Beschäf­tig­ten vor Gefähr­dung durch Lärm und Vibra­tio­nen (Lärm­Vi­bra­ti­ons­Arb­SchV) vom
06. März 2007, (BGBl. I, Nr. 8), ausge­ge­ben
am 08. März 2007

Ermitt­lung der Geräusch­emis­sio­nen für Verpa­ckungs­ma­schi­nen, Dr. Wolf­gang Probst, Bundes­an­stalt für Arbeits­schutz und Arbeits­me­di­zin, 2000

DIN EN ISO 3744: Akus­tik – Bestim­mung der Schallleistungs‐ und Schall­ener­gie­pe­gel von Geräusch­quel­len aus Schall­druck­mes­sun­gen – Hüll­flä­chen­ver­fah­ren der Genau­ig­keits­klasse 2 für ein im Wesent­li­chen freies Schall­feld über einer reflek­tie­ren­den Ebene, Februar 2011

DIN EN ISO 9614–2: Akus­tik – Bestim­mung der Schall­eis­tungs­pe­gel von Geräusch­quel­len aus Schall­in­ten­si­täts­mes­sun­gen – Teil 2: Messung mit konti­nu­ier­li­cher Abtas­tung, Dezem­ber 1996


Autor: Dipl.-Phys. Markus Haaß,
Berufs­ge­nos­sen­schaft Nahrungs­mit­tel und Gast­ge­werbe Präven­tion Zentral­la­bor,

Mitar­bei­ter bei DIN NA 001–01–04 AA „Geräusch­emis­sion von Maschi­nen und Anla­gen; Messung, Minde­rung, Daten­samm­lung“

Foto: BGN

Eine vorläu­fige, dem derzei­ti­gen Kennt­nis­stand entspre­chende
Check­liste zum verein­fach­ten Nahfeld­ver­fah­ren finden Sie
unter

http://hier.pro/xniE6


Verket­tete Anla­gen

… sind in der Nahrungs­mit­tel­bran­che sehr häufig anzu­tref­fen. Das Produkt wird von einem maschi­nel­len Arbeits­schritt über Trans­por­teure zur nächs­ten Maschine gebracht. Jeder Anla­gen­teil sowie auch das Trans­port­gut sind hier­bei mitun­ter Lärm­quel­len, die in der Summe am Arbeits­platz wirken und dort nicht mehr mess­tech­nisch zu tren­nen sind.

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