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Akustikdesign für Medizinprodukte: Die Automobilentwicklung macht es vor

Akustikdesign
Der Ton macht die Musik – auch in der Medizintechnik

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Auf den Ton kommt es an: Auch im medizinischen Bereich gibt es für die Optimierung von Betriebsgeräuschen und gezieltes Sounddesign viele Anwendungsfälle (Bild: Phaigraphic/stock.adobe.com )
Von Erfahrungen und Methoden, die sich in der Automobilentwicklung langjährig bewährt haben, kann auch die medizintechnische Branche profitieren. Als IT- und Entwicklungsdienstleister verbindet die Stuttgarter Ferchau-Niederlassung diese thematischen Schwerpunkte und bietet Expertisen aus beiden Bereichen.

David Rupp
Ferchau, Stuttgart

Aus der Automobilentwicklung sind Akustikdesign und akustische Optimierung von Bauteilen nicht wegzudenken. Der Klang, mit dem eine Tür ins Schloss fällt, elektrische Fensterheber arbeiten oder die Lüfter der Klimaanlage laufen, gilt als wichtiges Merkmal der Kundenerfahrung und Qualitätsanmutung des Fahrzeugs. Gerade im Premiumsegment ist die akustische Differenzierung verschiedener Marken wichtig.

Die Erfahrungen bei der Entwicklung im Bereich Automotive bieten auch wertvolle Ansätze für Optimierungen von medizinischen Prozessen. Beispielsweise lassen sich durch verschiedene Verfahren Betriebslautstärken verringern oder für das menschliche Ohr angenehmere Laufgeräusche von Dialyse- oder Beatmungsgeräten erzeugen. Das kann einen direkten und positiven Einfluss auf den Heilungsprozess von Patienten haben. Doch die Motivation, im medizinischen Gerätebau akustische Optimierungen vorzunehmen, geht noch weiter. Ob im Krankenzimmer, im Untersuchungsraum oder im Operationssaal: Akustisch optimierte medizinische Geräte reduzieren akustische Störquellen und verbessern dadurch die Kommunikation zwischen Arzt und Patient oder zwischen Ärzten und Klinikpersonal. Mehrere Studien haben in den letzten Jahren bewiesen, dass Störgeräusche das Sprachverständnis von Probanden mit normalem Hörvermögen erheblich beeinflussen. Um nicht nur Anstrengungen für korrektes Verstehen zu vermeiden, sondern auch unnötigen Stress für medizinisches Personal und Patienten zu minimieren, sollten Störgeräusche bei der Verständigung reduziert werden.

Axiallüfter: Optimierung mit Simulation und Experimenten

Einen Einblick in das Vorgehen bei solchen Aufgabenstellungen geben konkrete Projekte, die Ferchau Stuttgart-City realisiert. Diese Niederlassung der Ferchau GmbH, Gummersbach, verfügt über eigenen Akustikprüfstände und Messeinrichtungen für Auftraggeber aus der Medizintechnik. Dort wurden auch die Betriebsgeräusche eines zur Kühlung eines medizintechnischen Geräts eingesetzten Axiallüfters betrachtet. Am Anfang stand die Erfassung und Dokumentation des Serienzustands, für den die Messungen in einem nach DIN 3745 zertifizierten Freifeldraum erfolgten. Erfasst wurde dabei der Schalldruckpegel des Lüftergeräusches über den für das menschliche Ohr hörbaren Frequenzbereich von 20 Hz bis 20 kHz.

Im nächsten Schritt ging das Team deshalb verschiedene Optimierungsmaßnahmen an, für die es auf Erfahrungen aus der Automobilbranche zurückgreifen konnte. Die wichtigste Maßnahme war das Design einer neuen Flügelgeometrie für das Schaufelrad des Lüfters. Indem sie die Ansaugkante veränderten, konnten die Ingenieure die Strömungsgeräusche und die harmonischen Oberwellen der Blattfolgesequenzen signifikant reduzieren. Grundsätzlich sollte man für die Optimierungen dieser Art sowohl Simulationen und Berechnungen als auch praktische Tests und Versuche durchführen.

Viele Begleitmaßnahmen zur akustischen Verbesserung

Neben der Veränderung der Geometrie des Lüfterrads bieten die Modifikation von Magneten und Polpaaren sowie Anpassungen der Drehzahl weitere Möglichkeiten zur Optimierung. Das Resultat dieses Falls belegt den klaren Nutzen solcher Maßnahmen: Der Schalldruckpegel im Frequenzbereich von 20 Hertz bis 20 Kilohertz ließ sich deutlich absenken.

Typischerweise steht eine solche Optimierung wie die des Axiallüfters nicht allein. Akustikingenieure flankieren sie mit weiteren Maßnahmen wie der akustischen Entkopplung von Gehäuseteilen. Ein nicht unerheblicher Teil des von einem Gerät emittierten Betriebsgeräuschs entsteht nämlich dadurch, dass der eigentliche Verursacher, wie beispielsweise der Lüfter, Schwingungen auf andere Elemente des Geräts überträgt, insbesondere auf sein Gehäuse. Eine akustische Entkopplung kann durch Gummielemente erfolgen und so die Übertragung störender Schwingungen reduzieren.

Bei Gehäusekonstruktionen aus besonders leichten Kunststoffen lohnen sich Maßnahmen, die die akustische Dämpfung des Materials verbessern. Dies lässt sich entweder durch zusätzliche Masse oder eine erhöhte Steifheit erreichen. Letzteres wird zum Beispiel durch die Integration von Rippen oder Stegen erzielt, wobei deren Anordnung arhythmisch konzipiert werden sollte. Denn bei gleichen (äquidistanten) Abständen droht Eigenschwingung bei zu den Abständen passenden Wellenlängen.

Geräusche bestätigen auch die Funktionstätigkeit

Wie bereits dargestellt, kann neben der Reduktion von Schalldruckpegeln eine weitere oder auch alternative Zielsetzung darin bestehen, die akustische Qualitätsanmutung eines Gerätes zu verbessern. Hier zeigen Erfahrungen aus der Psychoakustik aber auch, dass die Vermeidung von Klang bisweilen sogar kontraproduktiv sein kann. So würde bei einer Absaugvorrichtung eine zu starke Reduktion des Betriebsgeräuschs den Anwender eher irritieren – er könnte vermuten, das Gerät würde nicht richtig funktionieren.

Stattdessen besteht die Aufgabenstellung in solchen Fällen darin, das Betriebsgeräusch so zu gestalten, dass Anwender und Patienten es als angenehm empfinden beziehungsweise mit dem Höreindruck eine solide Qualität assoziieren. Um den Klang solcher Elemente gefälliger zu gestalten, steht Akustikexperten ein umfangreiches Instrumentarium zur Verfügung. Somit ist auch dies ein Bereich, in dem die Entwicklung medizintechnischer Geräte von den Erfahrungen aus der Automobilbranche und anderen Anwendungsbereichen in Zukunft erheblich profitieren kann.


Weitere Informationen

Das Team der Ferchau-Niederlassung Stuttgart-City unterstützt als Entwicklungspartner bei Projekten aus verschiedenen Bereichen. Dazu gehören der Maschinen-, Anlagen- und Werkzeugbau, die Elektro- und Medizintechnik sowie die Konsumgüterindustrie.

www.ferchau.com


Kontakt zum Entwicklungsdienstleister:

Ferchau Stuttgart-City
Magellanstraße 1
70771 Leinfelden-Echterdingen
www.ferchau.com

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