Hubschrauber sollen leiser werden

Im zivilen Bereich sind Hubschrauber oft nützliche Helfer, mit denen sich manchmal sogar Leben retten lassen: So können sie etwa auf abgelegenen Almwiesen landen, um verunglückte Wanderer oder Skifahrer zu bergen. Einsetzen lassen sie sich aber auch nach einer Massenkarambolage auf der Autobahn, um schwer verletzte Unfallopfer abzutransportieren. Rettungsdienste nutzen die flexiblen Fluggeräte daher genauso wie die Polizei, die mit ihnen beispielsweise Großveranstaltungen in Metropolen überwacht.

Doch so nützlich Hubschrauber oft auch sind, sie haben einen Makel: Sie sind sehr laut. Nervig ist das nicht nur für die Besatzung, sondern auch für das Umfeld unten auf der Erde. Verursacht wird der Lärm von den Rotoren, die bei ihrer Arbeit Luft verwirbeln und so Schall erzeugen. Lärmarme Rotoren werden daher bereits entwickelt. Doch auch das Triebwerk, also der Motor des Hubschraubers, macht Krach.

Zahlreiche Lärmquellen im Triebwerk

Forscher vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Berlin haben sich daher in einem von der EU unterstützen Projekt das Triebwerk eines Hubschraubers vorgenommen. Ihr Ziel: Die Hubschrauber sollen leiser werden. Allein im Triebwerk befinden sich zahlreiche Lärmquellen. "Spezielle Töne werden etwa von den schnell rotierenden Verdichtern und Turbinen verursacht", sagt Ingenieur Karsten Knobloch vom DLR. Eine weitere große Lärmquelle im Triebwerk ist die Brennkammer. "Durch die Freisetzung von Wärme entsteht in ihr ebenfalls Schall, so genannter Verbrennungslärm", erläutert der Ingenieur.

Der Schall aus der Brennkammer überlagert sich zusätzlich mit den Tönen aus Verdichter und Auspuff und führt dann zu einem lärmenden Klangbrei. Das Problem: Mit normalen Mikrofonen ließen sich die einzelnen Lärmquellen bisher nicht differenziert erfassen.

Temperaturen bis 1200 Grad standhalten

Temperaturen von bis zu 1200 Grad Celsius und ein Druck, der zwölfmal höher ist als der normale atmosphärische Druck, sind im Triebwerk keine Seltenheit. Jedes noch so gute Mikrofon würde angesichts dieser extremen Bedingungen schmelzen oder zerbersten. "Die Mikrofone müssen zusätzlich die große Bandbreite an Lärm, der im Triebwerk auftritt, aufzeichnen können", ergänzt Karsten Knobloch. Die leisen Geräusche gilt es in dieser infernalischen Umgebung genauso gut zu erfassen wie die sehr starken tonalen Komponenten im Triebwerk. "Die Mikrofonsensoren müssen also auch sehr starken Druckfluktuationen standhalten", so der DLR-Ingenieur.

Da normale Mikrofone diese Aufgabe nicht bewältigen können, haben die Akustikexperten vom DLR spezielle Geräte entwickelt: Es sind so genannte Heißgas-Mikrofonsonden – mit ihnen lässt sich der Lärm des Triebwerks differenziert messen. Wesentliche Bestandeile dieser Heißgas-Mikrofonsonden sind ein langes, silbernes Metallröhrchen, das in einem rechteckigen und druckdichten Metallklotz endet. Das Röhrchen wird ans Triebwerk gesetzt, und der Schall durch das Röhrchen weitergeleitet bis in den Metallklotz, in dem ein Mikrofon sitzt. Durch eine Spirale am Ende der Sonde wird der Druck ausgeglichen.

Künstliches Ohr nimmt Schall wahr

"Sie können sich dieses Sonden-Mikrofon so ähnlich vorstellen wie das Stethoskop beim Arzt", erläutert Professor Lars Enghardt vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt. "Die Stelle, auf der sie etwas hören wollen, ist auf der Brust des Patienten. Dort hört der Arzt ab. Doch wo er den Ton wahrnimmt, ist eben im Ohr. Das heißt, wir leiten quasi den Schall aus dem Inneren des Triebwerks zu einem künstlichen Ohr. Das ist unser Mikrofon."

Der Vorteil dieses Messverfahrens liegt auf der Hand: An der Stelle, an der das künstliche Ohr, also das Mikrofon der Sonde sitzt, ist es bei weitem nicht mehr so heiß wie im Triebwerksinneren. Außerdem gibt es dort keine aggressiven Verbrennungsrückstände, die den empfindlichen Mikrofonen zusätzlich schaden könnten. Und auch der extrem hohe Druck im Triebwerk wird umgangen.

Klangbrei erfolgreich gemessen

Ein Hubschraubertriebwerk haben die Forscher mit den von ihnen entwickelten Mikrofonsonden bereits vermessen. Der Lärm von Brennkammer, Luftverdichter, Turbine und Auspuff wurde dabei genau erfasst, die einzelnen Frequenzspektren wurden herausgefiltert und gemessen. Spannend ist vor allem, dass sich die einzelnen Schallquellen im Triebwerk deutlich unterscheiden. Der Auspuff leitet die heißen Abgase an die Außenluft weiter, und schon er allein verursacht einen dumpfen und harschen Krach.

In der Brennkammer hingegen treten noch ganz andere Kräfte auf: In ihr wird die verdichtete Luft zusammen mit dem Treibstoff gezündet und verbrannt. Der Lärm, der dabei entsteht, ist viel kreischender. Außerhalb des Triebwerks überlagern sich die Schallquellen und führen so zu einem nervtötenden Klangbrei. Dass die Forscher den jetzt erstmals differenziert erfasst haben, ist ein erster Erfolg.

Schalldämpfer im Triebwerk

Für den Bau neuer Triebwerke sind die Ergebnisse der Forscher von großer praktischer Bedeutung. "So können wir künftig über eine komplizierte Auswertung entscheiden, bei welchen Teilen im Triebwerk sich eine schalltechnisch Bearbeitung lohnt", erklärt Lars Enghardt vom DLR. Schalldämpfer könnten so dafür sorgen, dass etwa die Frequenzanteile der Turbine von einem Resonanzkörper eingefangen und in Wärme umgewandelt werden, die sich schadlos und vor allem geräuscharm nach außen abführen lässt.

Ein erster Schritt hin zu leiseren Hubschraubern ist damit gemacht. In einem Nachfolgeprojekt werden die Forscher dann in den kommenden Jahren geeignete Schallschutzmaßnahmen genau erforschen. Die nützlichen Helfer, die Hubschrauber im Alltag oft sind, könnten bei ihrem Einsatz auf Almwiesen oder Autobahnen also schon in einigen Jahren weniger Lärm machen als bisher - und damit sowohl die Nerven der Besatzung als auch die der Menschen unten auf der Erde schonen.