Internationales Verkehrswesen (63) 2 | 2011 41 TECHNOLOGIE Wissenschaft D ie Ermittlung von Verkehrslärm und dessen Reduzierung war und ist Gegenstand zahlreicher auch öfentlich geförderter Forschungsarbeiten. Dies verwundert nicht, wenn man davon ausgeht, dass etwa 80 Mio. Menschen in Europa unter Verkehrslärm leiden. Die prognostizierten Steigerungsraten allein in Deutschland bis 2015 im Personenverkehr mit ca. 20 %, im Güterverkehr mit ca. 64 % und im Transitverkehr mit ca. 105 % machen das Problem Lärmreduzierung immer dringlicher [1, 2]. Ein weiterer Anstieg des Umgebungslärms durch den Zuwachs der Transportleistungen ist auch aus lärmmedizinischer Sicht für die Bevölkerung und die auf den Verkehrsträgern Arbeitenden nicht tragbar. Im Juni 2009 haben das Europäische Parlament und der Rat der Europäischen Union die Direktive 2002/ 49 angenommen, die auch als „European Noise Directive (END)“ [3] bezeichnet wird. Der weiterhin wachsende Forschungsbedarf zur Lärmminderung in Verkehrsträgern resultiert einerseits aus diesen verschärften gesetzlichen Bestimmungen und andererseits aus den dramatisch gestiegenen Anforderungen an den Komfort. Lärmminderung wird somit auch immer stärker zu einem bedeutenden Wettbewerbsfaktor. Schiffahrt und Schifbau Die Lärmbelastungen durch den Schifsbetrieb sind vielfältig. Die Belastungen betrefen Passagiere, an Bord arbeitende Personen, Anwohner an Flüssen und Häfen, aber auch massiv die Tierwelt, wie in letzter Zeit immer deutlicher wird. Ähnlich sind auch die Lärmquellen vielfältig. Sie sind einerseits im eigentlichen Schifsbetrieb, d. h. im Fahr- oder Bereitschaftsbetrieb zu suchen und anderseits im Be- und Entladebetrieb. Die Lärmquellen reichen von langsam drehenden 2-Takt-Motoren mit bis zu 100 000 kW, kavitierenden Propellern über schnell drehende Kompressoren und Lüftermotoren oder dem Lärm aus Be- und Entladeprozessen (auf Rampen aufahrende Fahrzeuge, auf den Boden auf- Viel Lärm um Schife Grenzwerte der zulässigen Lärmbelastung und deren Einhaltung sind z. B. im Bereich der Passagierschiffe und Luxusyachten vermarktungs- und kaufentscheidende Kriterien. Es gilt also, neben den erreichten Verbesserungen hinsichtlich Lebensdauer, Vibrationsarmut und Materialeinsparung durch Leichtbau, mit beschleunigten und verbesserten Vorhersagen der akustischen Eigenschaften von Schifen ein weiteres Aufgabenfeld zu erschließen. Foto: E. R. Schiffahrt TECHNOLOGIE Wissenschaft Internationales Verkehrswesen (63) 2 | 2011 42 setzende Container) bis hin zu Trittschallproblemen in Korridoren und Kabinen. Schife sind immer Einzel-/ Unikatanfertigungen, das heißt, die entwerfenden und bauenden Werften haben nicht die Möglichkeit Prototypen zu perfektionieren, wie es in anderen Branchen üblich ist. Ist z. B. der dem Vortrieb dienende Schifsdiesel in der Kapitänskabine über ein erträgliches Maß zu hören, müssen teure und zeitintensive Nachbesserungen vorgenommen werden, um die vorgeschriebenen Grenzwerte einzuhalten. Eine weitere Besonderheit des Schi aus sind die relativ kurzen Entwicklungszyklen. Zu Zeiten als die Entwicklung eines neuen Autos 60-Monate dauerte, wurden 300 m lange Containerschife bereits in weniger als 36-Monaten ausgeliefert. Aufgrund der hohen Komplexität eines Schifes müssen oft in den ersten Wochen Grundsatzentscheidungen getrofen werden [4], die die akustischen Eigenschaften des Gesamtsystems maßgeblich bestimmen (Abbildung 1). Um ein möglichst gutes Ergebnis zu erzielen, müssen also möglichst frühzeitig akustische Prognosen vorliegen. Hierbei ist die Zeitdauer, bis die ersten verlässlichen Ergebnisse vorliegen, der entscheidende Faktor und nicht deren absolute Genauigkeit. Die derzeit verfügbaren Methoden erreichen eine relativ hohe Genauigkeit (Abbildung 2), deren Ergebnisse liegen aber erst zu einem späten Zeitpunkt vor, so dass meist nur noch Sekundärmaßnahmen getrofen werden können, d. h. der Lärm ist nicht mehr an der Quelle zu vermeiden. Dies liegt zum einen am Arbeitsaufwand bei der Modellerstellung und der benötigten Rechenzeit und zum anderen daran, dass diese Methoden ein detailliertes Konstruktionsmodell benötigen, welches im Schi au erst vorliegt, wenn die Fertigung bereits begonnen hat. Je weiter der Konstruktionsprozess vorangeschritten ist, desto aufwendiger und schwieriger sind Maßnahmen, mit denen akustische Aufälligkeiten beeinflusst und gemindert werden können. Oft zeigen sich die Probleme erst bei der Fertigstellung oder Inbetriebnahme des Schifes. Die Berücksichtigung akustischer Einflüsse erfolgt im Schi au meist erst in einem eher späten Stadium der Erzeugnisentwicklung, so dass, wie bereits erwähnt, nur sekundäre Maßnahmen zur Minderung der Schallemission ergrifen werden können. Diese sind mit einem höheren Material- und Konstruktionsaufwand und entsprechenden hohen Kosten, sowie häufig auch unter dem Aspekt des Umweltschutzes (Recycling) mit ungünstigeren Konditionen, verbunden. Diese Maßnahmen führen zusätzlich durch ihre teilweise erhebliche Massezuführung meist zu einem erhöhten Energie-/ Brennsto edarf bzw. zu einer Verminderung der Leistungsfähigkeit des Verkehrsträgers. Im Schi au wird heute überwiegend nach den klassischen Kriterien der Festigkeit entworfen und konstruiert. In den letzten Jahren wurden zusätzlich Aspekte wie z. B. die Dauerfestigkeit, die fertigungsgerechte Gestaltung und der schifbauspezifische Leichtbau erforscht und realisiert. Die Lärmreduktion wird jedoch nach wie vor allenfalls durch nachgeschaltete Sekundärmaßnahmen erreicht. Neue Grenzwerte seitens der Gesetzgeber, aber auch höhere Anforderungen seitens der Schiffahrtbetreiber, machen es notwendig, sich dem Thema des lärmgerechten Entwerfens und Konstruierens zu stellen und entsprechende Prognoseverfahren zu entwickeln. Die Auslegung der schi aulichen Stahlstruktur eines Schifes hinsichtlich der strukturdynamischen Anforderungen im niedrigen Frequenzbereich unter 20 Hz wird von modernen Werften heute weitgehend beherrscht. Dem akustisch relevanten Frequenzbereich kann bereits Rech- Abb. 1: Wissenszuwachs [5] zu Entwicklungsbeginn durch das F&E-Vorhaben EPES* Abb. 2: Schallprognose für das Deckshaus einer RoRo-Fähre bending wave velocity level [dB] at 1000 Hz 35 30 25 10 5 0 -5 -10 55 60 65 70 75 80 85 90 95 0 - 10 - 20 - 30 - 40 - 50 - 60 * EPES = E ziente Prognose vibroakustischer Eigenschaften in der Schifsentwurfsphase Internationales Verkehrswesen (63) 2 | 2011 43 TECHNOLOGIE Wissenschaft Lärmpegel veröfentlicht. Darauf folgten Berichte über Lärmpegelstatistiken von Norwegen, Schweden, Großbritannien und anderen Ländern. Die Wahrnehmung dieses Problems hat sich in den letzten Jahrzehnten deutlich verstärkt. Unterstützt durch medizinische Studien und aufgrund von Forderungen des Schifspersonals haben die nationalen Behörden diverser Länder Richtlinien oder Empfehlungen hinsichtlich zulässiger Lärmpegel auf Schifen veröfentlicht. Diese basieren im Wesentlichen auf den Erfahrungen aus den vorher erwähnten Studien. Lärmprobleme auf Schifen sind schwierig vorherzusagen und zu beheben, nicht zuletzt, weil nung getragen werden, jedoch kommen für die Schifsentwurfsarbeit verwertbare Ergebnisse aufgrund der extrem aufwendigen und langwierigen Modellierung (Abbildung 2) wie bereits angeführt, häufig deutlich zu spät. So können diese Erkenntnisse den globalen Entwurf aufgrund der zeitlich stark beschleunigten Entwurfsprozesse und der zunehmenden Komplexität und Vernetzung der konkurrierenden Entwurfsdisziplinen nicht mehr beeinflussen. Es ist festzuhalten, dass die Schifsakustik als Teildisziplin des Schifsentwurfs aufgrund ihrer Komplexität nicht mit den heute auf der Werft üblichen klassischen Auslegungsmethoden beherrscht werden kann. Die Einhaltung der Grenzwerte wird bislang oft erst nach der Integration sämtlicher Aggregate durch Messungen bei Inbetriebnahme und Probefahrt endgültig beurteilt. Die Überschreitung der vertraglich definierten Grenzwerte kann neben hohen Konventionalstrafen im schlimmsten Fall zum Rücktritt des Auftraggebers vom Auftrag mit immensen wirtschaftlichen Konsequenzen für die Werft führen. Zurzeit müssen daher oft nachträglich zeit- und kostenintensive Zusatz- oder Umbaumaßnahmen am fertigen Schif in Kauf genommen werden. Dieses stellt jedoch für die Werften ein nicht kalkulierbares finanzielles Risiko dar. Die heutigen mit großem technischen und finanziellen Aufwand schwingungs- und lärmberuhigten Schife haben einen hohen wirtschaftlichen und technologischen Stellenwert. Grenzwerte der zulässigen Lärmbelastung und deren Einhaltung sind z. B. im Bereich der Passagierschife und Luxusyachten vermarktungs- und kaufentscheidende Kriterien. Es gilt also, neben bereits erreichten Verbesserungen hinsichtlich Lebensdauer, Vibrationsarmut und Materialeinsparung durch Leichtbau, mit beschleunigten und verbesserten Vorhersagen der akustischen Eigenschaften von Schifen ein weiteres Aufgabenfeld zu erschließen. Das Vorhaben EPES Verschiedene Forschungsorganisationen haben von Zeit zu Zeit Übersichten über existierende Eckdaten des Projektes EPES Projektname: Eiziente Prognose vibroakustischer Eigenschaften in der Schifsentwurfsphase Mittelgeber: Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie, Projektträger Forschungszentrum Jülich GmbH Fördervolumen: TUB-Anteil 800 000,- EUR vom Gesamtvolumen von 3,2 Mio. EUR Laufzeit: 01.12. 2010 - 30.11.2013 Projektpartner: - TU Berlin - Technische Akustik, TU Berlin - Entwurf und Betrieb Maritimer Systeme - Flensburger Schifbau Gesellschaft mbH & Co KG - Fr. Lürssen Werft GmbH - Howaldtswerke-Deutsche-Werft GmbH - Blohm und Voss Naval GmbH - Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit - Novicos GmbH - TU Darmstadt FG Systemzuverlässigkeit und Maschinenakustik - TU Hamburg-Harburg - Institut für Modellierung und Berechnung Abb. 3: Existierendes Deckshaus Mockup und Raum Mockup als CAD-Modell Weitere Informationen zum Projekt und dem aktuellen Entwicklungsstand: www.marsys.tu-berlin.de www.akustik.tu-berlin.de TECHNOLOGIE Wissenschaft Internationales Verkehrswesen (63) 2 | 2011 44 rie und Praxis des Schifsentwurfs und Schifsbetriebs widerspiegeln. Das Fachgebiet Technische Akustik - Körperschall bearbeitet vor allem den Themenkomplex, der der Theorie der Schallprognose und der Entwicklung entsprechender Ansätze dient. Die Aufgaben der TU Berlin innerhalb dieses Vorhabens werden im Folgenden kurz beschrieben. Die Erarbeitung und Überprüfung der Bewertungskriterien für die akustische Qualität im schi aulichen Entwurf bildet zusammen mit der Katalogisierung der Erregerquellen in Form eines „Schallquellatlanten“ die Basis für die weiteren Arbeiten. Nach der Analyse der existierenden Verfahren zur Schallquellcharakterisierung sowie Schallausbreitung und -abstrahlung werden diese weiterbzw. neuentwickelt. Besonders hervorzuheben ist die Entwicklung einer Methode zur Charakterisierung von Körperschallquellen, da, im Gegensatz zum Luft- oder Fluidschall, den Ingenieuren keine physikalisch konsistente und praktisch attraktive Methode hierfür zur Verfügung steht. Die aus diesen Methoden entstehenden theoretischen Berechnungsansätze werden durch verschiedene experimentelle Untersuchungen validiert. Die Spanne der Versuchsträger reicht von einfachen Stahlrohren mit einem Durchmesser von 0,5 m, über ein ganzes Deckshaus als Mockup bis zu Megayachten von 100 m und 200 m langen Fährschifen auf der Probefahrt. Das Vorhaben untersucht in einem weiteren Schritt auch den Einfluss der Sekundärmaßnahmen auf die Schallabstrahlung. Am Ende steht zum einen ein Leitfaden, mit dem die deutschen Werften schnelle und gute Aussagen über die akustische Qualität ihrer Schife trefen können. Zum anderen werden für die Zukunft neue Richtungen aufgezeigt, wie mit schi aulichen Entwürfen zu verfahren sein wird. Die beteiligten Fachgebiete Die Fachgebiete Technische Akustik - Körperschall (ISTA) und Entwurf und Betrieb Maritimer Systeme (EBMS) der Technischen Universität Berlin (TUB) besitzen eine umfangreiche technische Ausrüstung in Form von Prüfständen für vibroakustische Messungen und Signalverarbeitung sowie eine dazugehörige DV-Ausstattung. Für eine Vielzahl unterschiedlicher Projekte zum Thema Köperschall, finanziert von europäischen Forschungsgesellschaften und der EU, wurden beispielhaft folgende Forschungsthemen mit direktem Bezug zum Antragsprojekt seitens des Fachgebiets Technische Akustik bearbeitet und geleitet: Nordisch kooperatives Projekt "Structure borne sound in ships from propellers and diesel engines", "Procedures for sound path quantification" und "Prediction models for structural acoustics in ships". Ferner werden und wurden in letzter Zeit u. a. folgende studentische Arbeiten in diesem Zusammenhang am Fachgebiet EBMS durchgeein Schif eine sehr komplexe Struktur und eine extreme räumliche Ausdehnung im Vergleich z. B. zu einem Kraftfahrzeug hat. Hinzu kommt, dass die große Anzahl an unterschiedlichen Luft- und Körperschall-Geräuschquellen die experimentelle und theoretische Untersuchung von Geräuschübertragung sehr störanfällig macht. Das vom BMWi geförderte Vorhaben EPES (Eiziente Prognose vibroakustischer Eigenschaften in der Schifsentwurfsphase) hat als wesentliches Ziel die „Entwicklung eines Simulations- und Anwendungswerkzeuges zur Prognose der Schallausbreitung auf Schifen und Beurteilung dimensionierungs- und entwurfsrelevanter akustischer Eigenschaften“. Mit diesem Werkzeug wird es Ingenieuren in Zukunft möglich sein, bereits in der frühen Entwurfsphase von Schifen verbesserte Aussagen über die Schallbelastung an verschiedenen Orten im Schif zu trefen. Diese Fähigkeit sichert den deutschen Werften ihren internationalen Vorsprung vor allem im Bereich des Spezialschi aus, wie z. B. bei Forschungs- oder Kreuzfahrtschifen. Für jede Komponente in der gesamten Prozesskette „Schallerregung - Übertragung - Ausbreitung - Abstrahlung - resultierender Empfangsraumschallpegel“ werden prototypenhaft Berechnungsfunktionalitäten entwickelt und getestet. Der Schwerpunkt der Technischen Universität Berlin im Vorhaben EPES ist die Methodenentwicklung für die Beschreibung der Schallquellen und deren Schalltransmission, sowie der darauffolgenden Ausbreitung und Abstrahlung. Dabei sind Konzeption und Strukturierung dieses Prognosewerkzeuges auf den Anwendungsbereich im praktischen Schifsentwurf gerichtet. Dazu gehört, dass die entwickelten theoretischen Prognoseansätze und weitere Systemkomponenten bei Großausführungsmessungen und/ oder eigens zu entwickelnden Testaubauten (siehe Abbildung 3) [6] dem Abgleich der Ergebnisse im Hinblick auf Genauigkeit, Funktionalität und Anwendbarkeit in der schi aulichen Entwurfspraxis dienen. Im Rahmen des Vorhabens werden sowohl umfangreiche theoretische als auch praktische Untersuchungen an eigens gefertigten Modellen, aber auch auf im Bau und im Betrieb befindlichen Schifen realisiert. Die schnelle und umfassende Übertragung des in EPES gewonnenen Wissens und des besagten Prognosewerkzeugs in die Wirtschaft ist für die Erhaltung und Steigerung der Wettbewerbsposition der deutschen Werften von entscheidender Bedeutung. Nicht zuletzt ist dies ein Grund für die enge Zusammenarbeit zwischen Unternehmen der maritimen Industrie und wissenschaftlichen Einrichtungen innerhalb des Forschungsvorhabens. Im Rahmen des bewilligten Vorhabens EPES bearbeitet das Fachgebiet Entwurf und Betrieb Maritimer Systeme (EBMS) vor allem Themengebiete, die die Verbindung der Theorie der Schallprognose und deren Ansätze mit der Theo- »Der Schwerpunkt der Technischen Universität Berlin im Vorhaben EPES ist die Methodenentwicklung für die Beschreibung der Schallquellen und deren Schalltransmission, sowie der darau olgenden Ausbreitung und Abstrahlung. « Internationales Verkehrswesen (63) 2 | 2011 45 TECHNOLOGIE Wissenschaft führt. Die Arbeit „Körperschallübertragung via Hauptmaschinenlagerungen an Bord von Megayachten“ [7] wurde in Zusammenarbeit mit der Werft Abeking & Rasmussen und dem Fachgebiet Technische Akustik der TU Berlin durchgeführt. Sie umfasst den Schwerpunkt der Schallerregung durch die Hauptmaschinen für den speziellen Schifstyp Yacht und steht somit in engstem Zusammenhang mit dem Produktportfolio des Mitantragstellers Fr. Lürssen Werft GmbH & Co. KG. Die mit dem Clara-von- Simson-Preis ausgezeichnete Arbeit „Spezifikation und prototypenhafte Realisierung einer Toolbox für die Prognose akustischer Kennwerte im frühen Entwurfsstadium von Schifen“ [8] entstand mit Unterstützung des Mitantragstellers Flensburger Schi au Gesellschaft sowie dem Fachgebiet Schienenfahrzeuge an der TU Berlin. Zusammenfassung und Ausblick Sowohl in wissenschaftlicher als auch in wirtschaftlicher Hinsicht stärkt das Forschungsprojekt EPES den Standort Deutschland. Völlig neue Wege zur schnellen Prognose akustischer Eigenschaften schlagen die Brücke zwischen den „hochgenauen“ Simulationsverfahren, die eher Gerd Holbach, Prof. Dr.-Ing. Fachgebiet Entwurf und Betrieb Maritimer Systeme Institut für Land- und Seeverkehr TU Berlin holbach@naoe.tu-berlin.de Sebastian Ritz, Dipl.-Ing. Fachgebiet Entwurf und Betrieb Maritimer Systeme Institut für Land- und Seeverkehr TU Berlin s.ritz@naoe.tu-berlin.de LITERATUR [1] ISENSEE, S.: (BMBF, Forschungsverbund leiser Verkehr): Fighting Tra c Noise at the Source. EURONOISE 2003, 19-21 May 2003, Naples [2] WURZEL, D.: (DLR, Forschungsverbund leiser Verkehr): More Tra c - Less Noise An Interdisciplinary Approach to Reduce Transportation Noise. INTER-NOISE 2006, Dec. 3-6, 2006, Honolulu, Hawaii, USA [3] RASMUSSEN, S.: EU Noise Policy - Strategic Noise Mapping around Europe. Joint Baltic-Nordic Acoustics Meeting 2008, 17- 19 August 2008, Reykjavik, Iceland [4] FISCHER, J. O., HOLBACH, G.: Cost Management in Shipbuilding - Planning, Analysing and Controlling Product Cost in the Maritime Industry, GKP Publishing, Köln - Berlin, 2011 [5] HARRIES, S., ABT, C., HOCHKIRCH, K.: Modelling Meets Simulation - Process Integration to improve Design, IST-Sonderkolloquium zu Ehren von Professoren Hagen, Schlüter und Thiel, Duisburg 23. Juli 2004 [6] KRÜGER, H.; HOLBACH, G.: Konstruktionsakustik im Schifbau. Abschlußbericht zum FuE-Teilvorhaben D 3.1 im Verbundprojekt WIPS-”Wettbewerbsvorteile durch informationstechnisch unterstützte Produktsimulation im Schifbau, März 2004 w" Deutsche Werften: Aufträge und Ablieferungen w" Schiffsbeschreibung: Notschlepper „Nordic“ w" Schifffahrtsjahr 2010: Märkte und Fahrtgebiete | Seit über 60 Jahren informieren sich in Schif & Hafen Schifbauingenieure, Fach- und Führungskräfte aus Reedereien, Häfen, Werften und maritimen Zulieferirmen über die gesamte Bandbreite moderner Schifbautechnologie, die neuesten Innovationen der maschinenbaulichen und nautischen Schifstechnik und Schifsbetriebsführung sowie Ofshore-Technologie. Ergänzt werden die Ausgaben durch Specials anlässlich wichtiger maritimer Ereignisse wie Kongresse, Messen und Firmenjubiläen. www.schifundhafen.de Fachzeitschrift für Schifffahrt, Schiffbau & Offshore-Technologie Exklusiv für Abonnenten: Das Schif&Hafen-Archiv! Recherchieren Sie in allen Ausgaben seit Erscheinen von Schif & Hafen. DVV Media Group GmbH | Nordkanalstr. 36 20097 Hamburg Tel. + 49 40/ 237 14-114 service@schifundhafen.de Bestellen Sie Ihr kostenloses Probeabo unter www.schifundhafen.de Prognose akustischer Eigenschaften beim Schifsentwurf deutlich steigern. Gleichzeitig stellt es die Basis für die beschleunigte Untersuchung von konstruktiven Varianten dar und bildet somit die Grundlage für weitere Entwicklungen. ɷ [7] LANDSBERG, N.: Körperschallübertragung via Hauptmaschinenlagerungen an Bord von Megayachten. Studienarbeit TU-Berlin 2008 [8] SOMMER, S.: Spezifikation und prototypenhafte Realisierung einer Toolbox für die Prognose akustischer Kennwerte im frühen Entwurfsstadium von Schifen. Diplomarbeit, TU-Berlin 2008 von „akademischem Interesse“ sind und den sehr groben aber schnellen halbempirischen Überschlagsformeln aus der Wirtschaft. Das begonnene Vorhaben wird die Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit der