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AUSGEDRÖHNT

Technik|Digitales

AUSGEDRÖHNT
Durch Lärm für Ruhe sorgen – das geht, wie Ingenieure vorführen: im Flugzeug wie im Auto. Der Trick heißt Gegenschall.

Der Fahrer gibt Gas, doch das Auto kommt nicht von der Stelle. Vier dicke Stahlseile fixieren es auf dem Rollenprüfstand. Zwei Mikrofone hinter dem Heck messen den Lärm direkt an den Auspuffrohren. Das Display im Kontrollraum zeigt eine Lautstärke von 95 Dezibel. Dann drückt der Fahrer einen Schalter – und die Anzeige sinkt schlagartig auf 75 Dezibel: ein Unterschied wie zwischen einem Schwerlaster und einem Pkw. Die Ingenieure sind zufrieden. Seit zehn Jahren forschen sie beim Automobilzulieferer Eberspächer in Esslingen an einem leisen Auspuff. Nun ist der Durchbruch geschafft. Die Neuentwicklung setzt Maßstäbe beim Lärmschutz: „Je nach Drehzahl erreichen wir im Schalldämpfer eine Reduzierung um mindestens zehn Dezibel“, sagt Projektleiter Jan Krüger. Der subjektiv wahrnehmbare Lärm außerhalb des Pkws sinke auf die Hälfte bis ein Viertel. Möglich macht das eine Gegenschall-Anlage, die die Entwickler im Testfahrzeug per Druck auf den „Active-Silence“-Knopf aktivieren können. Sie besteht aus zwei winzigen Mikrofonen an der Auspuffmündung, einer Steuerelektronik und zwei Lautsprechern, die in die beiden Endtöpfe des Abgassystems integriert sind.

SCHWAPPEN AN DER STEILKÜSTE

Wird die Gegenschall-Anlage eingeschaltet, messen die Mikrofone den Krach am Auspuff und übermitteln die Daten an einen Mikrochip. Der errechnet den Gegenlärm, der erforderlich ist, um das Getöse des Auspuffs effektiv zu bekämpfen. Diesen Gegenschall strahlen die Lautsprecher dann ab. Dass sich Lärm mit Lärm bekämpfen lässt, ist keine neue Erkenntnis. Das Prinzip kennen die Physiker seit 1933: Trifft das Wellental einer Schallwelle auf den Wellenberg einer anderen Welle mit gegenläufiger Phase, löschen sich beide aus. Der Effekt ist vergleichbar mit Meereswellen, die von einer Steilküste zurückschwappen und sich dabei mit entgegenkommenden Wellen überlagern – sodass sich die Wasseroberfläche beruhigt. Ähnliches geschieht mit den Druckschwankungen der Luft in den Schallwellen. Es wird ruhig. Völlig still wird es aber nur in der Theorie. Denn da auch der schnellste Computer den nötigen Gegenschall nur mit einer – wenn auch geringen – Zeitverzögerung berechnen kann, passt der Gegenschall nie exakt zum Originallärm. Der Schall lässt sich nicht komplett auslöschen. Einen deutlichen Effekt hat die Technologie vor allem dann, wenn die störenden Schallwellen sehr gleichmäßig schwingen – also bei monotonen Geräuschen wie dem Dröhnen eines Auspuffs oder Flugzeugtriebwerks.

In der Luft hat sich die Gegenschall-Technologie bereits durchgesetzt – bisher allerdings nur im Cockpit der Jets: Da es dort sehr laut ist, integrierte die Firma Sennheiser die Technik erstmals 1987 in die Sprechgarnituren der Lufthansa-Piloten. Die sind begeistert: „Die Gegenschall-Kopfhörer sind eine große Arbeitserleichterung“, sagt eine langjährige Pilotin, „man kann sich besser konzentrieren, und auch die Kommunikation mit dem Tower ist einfacher.“ Inzwischen bauen viele Hersteller Antischall-Kopfhörer für Flugzeugpassagiere. Die Geräte arbeiten alle nach dem gleichen Prinzip wie die in den Auspuffrohren von Eberspächer: Mikrofone messen den störenden Lärm, und ein Chip berechnet den erforderlichen Gegenschall. In der Ohrmuschel des Passagiers treffen Lärm und Gegenlärm aufeinander. Das Ergebnis ist spektakulär: Werden die Kopfhörer eingeschaltet, verwandelt sich das laute Dröhnen des Jets schlagartig in ein kaum wahrnehmbares Rauschen. Allerdings: Es ist leider keine himmlische Ruhe, denn die Gespräche der Quasselstrippen auf den Nachbarsitzen bleiben gut verständlich, auch wenn sie ein dicht sitzender Kopfhörer natürlich dämpft. Der Grund: Hohe Frequenzen lassen sich mit Gegenschall bisher nicht wirksam bekämpfen. „Sie haben kurze Wellenlängen“, erklärt Jan Krüger. „Das führt zu einem schnellen Wechsel des Schalldrucks.“ Die Rechenleistung, die nötig wäre, um entsprechende Antischwingungen zu kalkulieren, ist noch viel zu teuer. Sehr wirkungsvoll ist der Antischall dagegen beim monotonen Triebwerkslärm mit tiefen Frequenzen – und nur langsamen Schalldruckwechseln. Hinzu kommt: Die langgezogenen Wellen weisen über den ganzen Kopfhörer etwa die gleiche Phase auf und können daher durch ein Signal mit entgegengesetzter Phase gut gedämpft werden – viel effektiver als mit einer passiven Dämmung. Die funktioniert bei tiefen Tönen nur, wenn der Dämmstoff viel Masse hat – Ohrstöpsel reichen dafür nicht. Und noch etwas haben die Antischall-Kopfhörer dem konventionellen Schallschutz voraus: Sie eignen sich zum Musikhören, denn sie lassen sich mit dem Unterhaltungssystem an Bord des Jets oder mit einem tragbaren Audioplayer koppeln – und bieten dann selbst in lauter Umgebung Wohlklänge. Auch zur Bekämpfung von Motorlärm lässt sich Antischall zwar im Prinzip nutzen. Trotzdem war der Weg bis zum leisen Auspuff steinig. Denn ein normaler Lautsprecher würde die extreme Feuchtigkeit und die sehr hohen Abgastemperaturen von etwa 600 Grad Celsius nicht lange überstehen. „Deshalb haben wir uns zusammen mit Partnerunternehmen intensiv um die Entwicklung eines Speziallautsprechers bemüht“, sagt Jan Krüger. „Und wir haben für den Einbau der Lautsprecher ein neues Konzept entwickelt, um eine gute Isolation vom heißen Abgas zu erreichen.“

VIEL ZU GROSS UND VIEL ZU SCHWER

Bevor er zu Eberspächer wechselte, arbeitete Krüger am Stuttgarter Fraunhofer-Institut für Bauphysik. Dort ist Gegenschall schon lange Gegenstand der Forschung: „Es gibt viele Ideen für eine praktische Anwendung dieser Technologie, doch bisher wurden sie kaum umgesetzt“, sagt Philip Leistner, der an dem Institut die Abteilung Akustik leitet. Zum Beispiel Flugzeugtriebwerke: Wissenschaftler des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) arbeiten seit über zehn Jahren daran, den Triebwerkslärm direkt an der Quelle zu bekämpfen – mit Antischall. Doch bislang sind die Forscher über Modellversuche am Ansaugkanal nicht hinausgekommen. In echten Triebwerken wurde die Technik noch nicht eingesetzt. „Dazu müssten die Gegenschallquellen genauso laut sein wie das Triebwerk selbst“, erklärt Wolfgang Neise vom DLR-Institut für Antriebstechnik in Berlin. Dafür wären extrem große und schwere Lautsprecher nötig. Doch das ist beim Flugzeugbau ein Problem, wo es besonders auf ein möglichst geringes Gewicht und Platz sparende Instrumente ankommt.

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Zur Grundlagenforschung rechnet Fraunhofer-Experte Leistner auch den Versuch Hamburger Forscher, mit Mikrofonen und Lautsprechern eine „lärmfreie Insel“ in der Wohnung zu schaffen. Versuchsobjekt im Akustiklabor der Helmut-Schmidt-Universität der Bundeswehr ist ein Bett mit zwei Lautsprechern am Kopfende. In dem Bett liegt ein Dummy, über dem 30 Mikrofone schweben. Ein großer Lautsprecher daneben fungiert als Schallquelle. „Mit Gegenschall erreichen wir eine Reduzierung des Lärms im Bereich des Kopfkissens um rund zehn Dezibel“, sagt Thomas Kletschkowski vom Fachbereich Mechatronik. Doch bisher ist es seiner Arbeitsgruppe nicht gelungen, realistischen Alltagslärm in dem Testwohnraum auszulöschen. Denn bei einem vorbeifahrenden Auto verändern sich ständig Spektrum und Lautstärke des Schalls.

MAULKORB FÜR BRUMMENDE BRENNER

Der Esslinger Schallspezialist Krüger glaubt nicht, dass die Technik jemals im normalen Alltag helfen wird: „Gegenschall eignet sich nur gut für kleine Räume, etwa den Innenraum eines Autos, Rohrleitungen, Lüftungskanäle, Schornsteine – und eben Abgasanlagen.“ Dort pflanzt sich Schall nur in einer Richtung fort. „Daher können wir recht genau vorhersagen, wie er sich ausbreitet, wann er am Lautsprecher ankommt und wie laut die Schallwelle dort sein wird“, sagt Krüger. In einem großen Raum gibt es dagegen viele Reflexionen und Streuungen, die eine Berechnung unmöglich machen.

Bei Schalldämpfern für Heizungsanlagen hat sich Antischall bereits bewährt, erklärt Philip Leistner vom Fraunhofer-Institut für Bauphysik – vor allem, um das störende Brummen zu eliminieren, das auch moderne Anlagen von sich geben. Vermindern lässt sich die Lärmbelästigung durch einen Aktivschalldämpfer, den Leistner mit der Firma Kutzner und Weber aus Maisach, einem Hersteller von Abgasanlagen, entwickelt hat: ein Topf mit Lautsprecher, Mikrofon und Verstärker, der zwischen Heizkessel und Schornstein in die Heizungsröhre eingebaut wird. Er sorgt für eine Schalldämmung von 10 Dezibel bei tiefen Frequenzen. Ein noch weitaus größerer Erfolg für die Gegenschall-Technik wäre es, wenn der Automobilzulieferer Eberspächer den Antischall-Auspuff in Serie bauen würde. Die Chancen dafür stehen gut, denn den Mehrkosten dafür stehen handfeste Vorteile gegenüber: Der leise Auspuff baut weniger Gegendruck im Abgasstrom auf, sodass der Leistungsverlust geringer ist als bei einem herkömmlichen Auspuff. Das bedeutet: mehr PS pro Liter Kraftstoff – oder weniger Spritverbrauch bei gleicher Leistung. Außerdem schrumpft trotz des Lautsprechers das Volumen des Endtopfs. Daher könnte man in vielen Autos auf einen von zwei Nachschalldämpfern verzichten.

Doch die neuen Abgasanlagen können mehr, als Lärm verringern. Da sich durch Gegenschall gezielt einzelne Frequenzen ausschalten lassen, können sie den Klang des Wagens verändern. Auf einem Display zeigt Krüger mögliche Varianten des Sounddesigns: „Die Einstellung ‚Limousine‘ ist besonders leise, da ist die maximale Lärmminderung programmiert“, erklärt er. Krüger überspringt „ Coupé“ und „Roadster“, aktiviert dann lächelnd „Big Block“ – und tritt aufs Gaspedal. Röhrend verwandelt sich der biedere Familienkombi in einen wuchtigen Achtzylinder-Schlitten. Die Technologie ist bald einsatzbereit. Zunächst müssen zwar noch Testwagen viele Kilometer mit den ruhigen Auspuffrohren schrubben – etwa um zu prüfen, wie robust die Gegenschall-Anlage im rauen Klima der Arktis oder in der Hitze der afrikanischen Wüste ist. Doch Jan Krüger ist optimistisch: „Ab 2010 können wir mit der Serienfertigung beginnen.“ Noch in diesem Frühjahr will ein großer Automobilhersteller den ersten Prototyp eines Fahrzeugs mit einer Gegenschallanlage von Eberspächer im Auspuff präsentieren. ■

Güven Purtul lebt als freier Journalist in Hamburg. Im Flieger entspannt er sich – dank Gegenlärm-Kopfhörer – gern mit Musik.

von Güven Purtul

GUT ZU WISSEN: SCHALL, Lärm UND LAUTSTÄRKE

Physiker bezeichnen alles, was die Ohren hören, als Schall. Er entsteht durch Druckschwingungen, die sich etwa in Luft, Wasser oder einem Metall ausbreiten. Wie schnell der Schall ist, hängt vom Medium ab – in Luft beispielsweise beträgt die Schallgeschwindigkeit etwa 340 Meter pro Sekunde. Je dichter Wellenberge und Wellentäler der Schallwelle aufeinanderfolgen, desto höher wird der Ton wahrgenommen – Physiker sagen: Er hat eine höhere Frequenz. Werden viele verschiedene Töne gleichzeitig erzeugt, etwa durch die Stimmbänder, ein Instrument oder eine Maschine, spricht man von einem Geräusch.

Ein gesundes menschliches Ohr kann Schall mit Frequenzen zwischen 20 Hertz (Schwingungen pro Sekunde) und 20 000 Hertz wahrnehmen. Vor allem bei hohen Tönen nimmt die Empfindlichkeit des Gehörs mit zunehmendem Alter ab.

Lärm – laute Geräusche, die man als unangenehm empfindet – kann krank machen. Eine längere starke Lärmbelastung kann psychische Störungen wie Stress und Schlafprobleme oder körperliche Erkrankungen verursachen – bis hin zu Taubheit.

Die Lautstärke eines Geräuschs ermittelt man mithilfe eines Schallpegelmessers. Die gebräuchliche Einheit für die Lautstärke ist das Dezibel – der zehnte Teile eines Bel, das nach dem Amerikaner Alexander Graham Bell benannt ist, der das Telefon erfand. Ein Dezibel ist eine logarithmische Größe. Das heißt: Sie wächst nicht linear. So ist der Schalldruck bei 20 Dezibel nicht nur doppelt, sondern sogar zehnmal so groß wie bei 10 Dezibel. Einige Beispiele für typische Geräusche bestimmter Lautstärke in Dezibel:

· 10 Dezibel: gerade noch hörbar

· 20 Dezibel: Blätterrauschen, Uhrenticken

· 40 Dezibel: leise Unterhaltung

· 60 Dezibel: normale Unterhaltung

· 70 Dezibel: Haushalts- und Bürolärm

· 90 Dezibel: Straßenverkehr, Schnarchen

· 100 Dezibel: Kreissäge, Motorrad

· 110 Dezibel: Rockkonzert

· 130 Dezibel: Düsentriebwerk – ab diesem Wert beginnt der Lärm zu schmerzen.

· 140 Dezibel: Gewehrschuss, Raketenstart

· 170 Dezibel: Ohrfeige direkt aufs Ohr

DER AUSPUFF HAT AUSGELÄRMT

Simples System mit großen Wirkung: Zwei in die Abgasanlage des Fahrzeugs integrierte Mikrofone messen ständig die Auspuffgeräusche (große Grafik unten). Eine elektronische Steuereinheit analysiert die Messdaten: Sie ermittelt, welche Intensität der Krach bei unterschiedlichen Frequenzen hat. Zwei in den Endtöpfen des Auspuffs angebrachte robuste Lautsprecher werden von der Elektronik so angesteuert, dass sie identische Schallwellen aussenden – allerdings mit entgegengesetzter Phase. Die Folge: Schall und Gegenschall löschen sich aus (links oben). Während in der Theorie eine vollständige Auslöschung möglich ist, schaffen das die Ingenieure in der Praxis nicht. Allerdings: Die Lautstärke des Auspufflärms verringert sich auf die Hälfte bis ein Viertel. Indem sie das Dröhnen nur bei bestimmten Frequenzen ausschalten, bei anderen Frequenzen jedoch unbeeinflusst lassen oder sogar noch verstärken, können die Techniker dem Fahrzeug gezielt einen bestimmten Sound verleihen (rechts oben).

KOMPAKT

· Durch Abstrahlen von Gegenschall lässt sich der Lärmpegel an einem Autoauspuff auf weniger als die Hälfte senken.

· Auch in Kopfhörern und Heizbrennern kommt die Technologie schon zum Einsatz.

· Techniken, um das Dröhnen von Flugzeugtriebwerken per Antischall zu dämpfen, stecken noch im Prototypen-Stadium.

DER KLANG MUSS PASSEN

Wie wichtig ist der Klang eines Autos für den Markterfolg?

Der Kunde nimmt das Klangprofil eines Autos unterschwellig wahr. Unentschlossene Kunden lassen sich dadurch positiv beeinflussen. Für BMW hat das Sounddesign eine große Bedeutung: Es rundet das Markenbild ab.

Worauf achten Sie dabei besonders?

Zum einen haben wir einen hohen Anspruch bei Qualität und Solidität. So müssen der Schlag beim Schließen der Türen, die Geräusche der Fensterheber und jegliche Elektromotoren die Wertigkeit unserer Produkte widerspiegeln. Zum anderen unterscheidet sich die akustische Wahrnehmung je nach Fahrzeugtyp und Motorisierung. Das Klangbild des Motors muss zum Auto passen.

Wie lässt sich der Klang beeinflussen?

Verarbeitungsqualität und Materialien sind die Basis jedes Sounddesigns. Das Motorklangbild lässt sich technisch vor allem über die Geräusche beim Gasgeben und beim Ansaugen der Luft variieren. Würde man hingegen die Verbindung von Motor und Karosserie mechanisch beeinflussen, könnte das zu ungewolltem Dröhnen führen. Und: An der Abgasanlage können wir wegen gesetzlicher Bestimmungen kaum etwas verändern. Beim Sounddesign muss man das Auto ganzheitlich betrachten – wie eine Violine: Der Motor entspricht den Saiten, die Karosserie dem Klangkörper. Außerdem hat die Innenausstattung großen Einfluss auf Schwingungen und Dämpfung.

Wird es einmal möglich sein, ein Auto völlig geräuschlos zu konstruieren?

Theoretisch ist das möglich, wenn auch mit enormem Aufwand. Die Philosophie von BMW sieht eine Beseitigung aller Fahrgeräusche aber nicht vor. Der Sound ist und bleibt ein für unsere Fahrzeuge charakteristisches Merkmal.

MEHR ZUM THEMA

INTERNET

Homepage der Firma Eberspächer: www.eberspaecher.de

Infos und Experimente zum Gegenschall vom DLR_School_Lab: www.dlr.de/schoollab/desktopdefault.aspx/tabid-1918/2803_read-4355

Abteilung Triebwerksakustik am Institut für Antriebstechnik des DLR: www.dlr.de/at/desktopdefault.aspx/ tabid-1521

Professur für Mechatronik der Hamburger Helmut-Schmidt-Universität der Bundeswehr: www.hsu-hh.de/mechatronik

Fraunhofer-Institut für Bauphysik, Stuttgart: www.ibp.fraunhofer.de

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