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Akustik Wie Sie hören, hören Sie nichts

Autor / Redakteur: Martin Schleicher* / Kristin Breunig

Die Geräuschentwicklung eines Medizingerätes hat sich zu einem wesentlichen Qualitätsmerkmal entwickelt. Deshalb ist es immer wichtiger, die Akustik bereits bei der Entwicklung zu berücksichtigen. Doch wie kann dies in der Entwicklungsdienstleistung verbessert werden?

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Die Messkammer der Vollfreifeld-Raum-Akustik Klasse 1 nach DIN EN ISO 3745 misst 2,1 x 1,8 x 2,6 m. Hier werden Prototypen unter realen Bedingungen getestet.
Die Messkammer der Vollfreifeld-Raum-Akustik Klasse 1 nach DIN EN ISO 3745 misst 2,1 x 1,8 x 2,6 m. Hier werden Prototypen unter realen Bedingungen getestet.
(Bild: Bertrandt AG)

Bereits in einer frühen Konzeptphase der Produktentwicklung für ein neues System wird festgelegt, wie bewegte Komponenten aussehen und welche Ausführung ihre Antriebe und Materialien haben sollen. Zu diesem Zeitpunkt, wenn Konzepte erstellt und erste Simulationen durchgeführt werden, können auch die akustischen Eigenschaften qualifiziert werden. Dabei identifizieren akustikspezifische Methoden wie Mehrkörpersimulation (MKS), Finite Elemente Methode (FEM) und Statistischen Energie Analyse (SEA) die Quelle von Störgeräuschen. Sie analysieren diese, um die Schallquellen im Anschluss zu verringern oder komplett auszuschalten.

Wie sich die Schallfelder ausbreiten, ermitteln die Ingenieure von Bertrandt anhand von vibro-​akustischen bzw. aeroakustischen Simulationen, in denen sie die Verteilung des Schalldruckpegels nachbilden. Die Visualisierung dieser Ergebnisse stellt eine entscheidende Grundlage für die weitere Optimierung und Reduzierung der Störquellen dar. So können z. B. Motoransteuerungen, die Auslegung von Führungen oder die Materialauswahl verbessert werden. Lässt sich das Störgeräusch nicht restlos eliminieren, gibt es Möglichkeiten der Geräuschreduzierung u. a. durch das Einbringen von Dämmmaterialien oder der Lagerung von Komponenten mit Dämmstoffen. Ein zusätzlicher Nutzen: Mit eingearbeiteten Luftkanälen im Dämmmaterial kann die Temperatur besser kontrolliert werden. Diese Methode wird etwa bei diagnostischen Systemen und ähnlichen Anlagen verwendet.

Simulation erleichtert Prototypenbau

Das Diagramm zeigt die Geräuschentwicklung der einzelnen Bauteile (1-4) mit einem Ausschlag im Bereich 1, herbeigeführt durch eine Vibration. Genau dieser Abschnitt könnte im realen Modell nun versteift werden, um das Geräusch, das bei Benutzung des Gerätes entsteht, zu mindern.
Das Diagramm zeigt die Geräuschentwicklung der einzelnen Bauteile (1-4) mit einem Ausschlag im Bereich 1, herbeigeführt durch eine Vibration. Genau dieser Abschnitt könnte im realen Modell nun versteift werden, um das Geräusch, das bei Benutzung des Gerätes entsteht, zu mindern.
(Bild: Bertrandt AG)

Auch die Optimierung der Bauteilgeometrie anhand einer Blechkomponente kann Störgeräusche verringern. Im folgenden Beispiel verursachten Turbulenzen von Luftströmungen ungewollte Geräusche in einem Bauteil. Verschiedene Analysen zur Ermittlung der Ursache wurden durchgeführt: Schwingungs-/Modalanalysen, Frequenzganganalysen, Betriebsschwingungsanalysen, Körperschall-Untersuchungen, Soundoptimierung und Geräuschübertragungen. Die Akustik des Bauteils wurde auf Basis des aktuellen Konstruktionsstandes simuliert und dabei Resonanzen festgestellt. Im realen Modell können diese Abschnitte versteift werden, um das Geräusch, das bei Benutzung des Gerätes entsteht, zu mindern. Wie genau die Versteifung erfolgen muss, wird durch eine exakte Vermessung der Bauteilgeometrie berechnet, die im Bereich von einigen Millimetern liegt. So kann die Konstruktion bereits in der Simulation angepasst werden – vor dem Bau eines Prototyps. Die Simulationsphase wird so lange fortgeführt, bis sicher ist, dass die Maßnahmen in der Baugeometrie die gewünschte Wirkung zeigen.

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Messungen unter realen Bedingungen

Der von Bertrandt oder vom Medizintechnik-Hersteller gebaute Prototyp wird dann unter realen Bedingungen in der Messkammer getestet. Diese Messungen erfolgen parallel zu den unterschiedlichen Iterationsstufen der Prototypentwicklung und sind Bestandteil des Produktentstehungsprozesses. Hierzu steht eine umfangreiche Messtechnik in den entsprechenden Messräumen und ein Probandenlabor zur Verfügung: Die umfassende Messtechnik von Bertrandt verfügt über Sensoren, um Luft- und Körperschall von medizinischen Geräten zu messen und zu analysieren. Sie werden für einzelne Komponenten, Bauteile oder Werkzeuge, aber auch für komplette Geräte genutzt. Per Modal- und Transferpfadanalyse werden Strukturdynamik oder Schwingungen während des Betriebes untersucht. Zur Homologation des medizintechnischen Equipments wird es unter Laborbedingungen umfänglich getestet.

Neben der Prüfung in der Messkammer werden die bisherigen Analysen im Probandenlabor fortgeführt. Denn das Empfinden von störenden Geräuschen kann am besten durch den Menschen selbst oder eine Nachbildung des menschlichen Gehörganges und der damit verbundenen Hörgeometrie nachempfunden werden. Die hier produzierten Messergebnisse werden im Probandenlabor auf das psychoakustische Empfinden des Menschen hin untersucht, da Geräusche auf Menschen unterschiedlich wirken. Das Psychoakustik-Labor untersucht subjektive Reaktionen der Probanden mit Kopfhörer, Lautsprecher- und Körperschallwiedergabe. Darüber hinaus steht ein Kunstkopf zur Verfügung, der anatomisch dem menschlichen Ohr gleicht. Hierüber können binaurale Aufnahmen durchgeführt werden. Filter sorgen während der Aufnahmen für einen nahezu gleichen Eindruck. An der Stelle der menschlichen Gehörmuschel sitzt ein Sensor. Der Kunstkopf bietet den Vorteil, dass sich Messungen beliebig oft reproduzieren lassen, um Untersuchungen wie Benchmark-Analysen oder Maßnahmen der Geräuschoptimierung durchzuführen.

Analyse zu jeder Zeit möglich

Die unterschiedlichsten Anwendungen können in den Prüfständen simuliert, ihre Akustik gemessen und von verschiedenen Probanden beurteilt werden. Dabei werden nicht nur neu zu entwickelnde Medizingeräte auf störende Geräusche geprüft, sondern auch bestehende Systeme untersucht, bei denen Störgeräusche im Laufe der praktischen Anwendung auftreten. Selbst wenn das Produkt bereits auf dem Markt eingeführt ist, lassen sich die Analysen wiederholen, um Produkte weiterzuentwickeln oder deren Lebenszyklus zu verlängern.

Weitere Artikel über OEM-Komponenten und Werkstoffe finden Sie in unserem Themenkanal Konstruktion.

* Martin Schleicher ist als Business Development Manager am Standort Ginsheim-Gustavsburg bei der Bertrandt AG tätig.

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