Vibration

Begriff und Grundprinzip

Vibrationen sind periodische mechanische Schwingungen von Stoffen und Körpern. Sie treten bei Körpern auf, die selbst elastisch sind oder aus elastisch miteinander verbundenen Einzelteilen bestehen. Gegenüber dem allgemeineren Begriff „Schwingung“ deutet „Vibration“ meist darauf hin, dass der Vorgang unmittelbar hörbar oder fühlbar ist.

Viele Organismen besitzen besondere Rezeptoren, die nicht auf eine einfache Berührung, sondern auf wiederkehrende mechanische Reize reagieren. Der Übergang zwischen dem Fühlen und dem Hören einer Vibration ist fließend: Tieffrequente Schwingungen werden eher als Erschütterung wahrgenommen, während höhere Frequenzen als Schall hörbar sein können.

Technische Folgen

Länger anhaltende mechanische Schwingungen können abhängig von ihrem Frequenzbereich zur Materialermüdung führen. Dabei können in Werkstoffen Risse entlang der Korngrenzen des Gefüges entstehen; dies wird als interkristalline Rissbildung bezeichnet. Ursache ist der gleichzeitige Einfluss einer periodisch wechselnden Zugspannung oder einer überlagerten niederfrequenten Zugschwellspannung. Ein bestimmtes Korrosionsmedium kann diesen Vorgang zusätzlich verstärken.

Vibrationen und Stoßeinwirkungen spielen in vielen technischen Gebieten eine Rolle, besonders in der Maschinen- und Elektroindustrie sowie in der Verkehrs-, Bau- und Verfahrenstechnik. Auch bei vermuteten Gebäudeschäden werden mögliche Zusammenhänge mit Erschütterungen untersucht. Nach Angaben der Bund/Länder-Arbeitsgemeinschaft Immissionsschutz gibt es jedoch keine bundesweit rechtsverbindliche Klärung, ab wann Erschütterungsimmissionen für Gebäude oder Menschen in Gebäuden als schädliche Umwelteinwirkungen gelten.

Die subjektive Wahrnehmung betroffener Menschen lässt sich nicht immer durch Messungen bestätigen. Eine Untersuchung des Landesamtes für Geologie und Bergbau Rheinland-Pfalz aus dem Jahr 2013 konnte anhand der vorliegenden Messungen keinen ursächlichen Zusammenhang zwischen verkehrsbedingten Erschütterungen und Massenbewegungen wie Steinschlägen oder Felsstürzen am Mittelrhein feststellen.

Musik und körperliche Wahrnehmung

Bei Musikinstrumenten bezeichnet „Vibration“ unter anderem eine unerwünschte Resonanz von Bauteilen, durch die Störgeräusche entstehen können. Filz- oder Lederpolster werden eingesetzt, um solche Schwingungen zu dämpfen. Davon zu unterscheiden ist das Vibrato: eine beabsichtigte, periodisch wiederkehrende und geringfügige Veränderung der Tonhöhe.

In der Sinnesphysiologie sind Vibrationen leichte Erschütterungen, die durch besondere Mechanorezeptoren der Haut, die Vater-Pacini-Körperchen, registriert werden. Die Vibrationswahrnehmung gehört zur haptischen Wahrnehmung, also zur Wahrnehmung durch Berührung und Bewegung. Sie wird der Feinwahrnehmung beziehungsweise epikritischen Sensibilität zugeordnet.

In der Klassischen Massage ist die Vibration einer von fünf verwendeten Handgriffen. In der Physikalischen Therapie werden höher- und hochfrequente Vibrationen von 3 bis 30 Hz unter anderem eingesetzt, um Schleim in den Atemwegen zu lösen.

Wirkungen und Gesundheitsgefahren

Menschen nehmen Vibrationen und Erschütterungen anders wahr als hörbare Geräusche. Die Abgrenzung liegt vor allem im tieffrequenten Bereich und hängt von der unteren Hörschwelle ab. Die Wirkung nicht hörbarer tieffrequenter Geräusche, des sogenannten Infraschalls, wird beispielsweise mit speziellen Musikinstrumenten oder Infraschall-Generatoren untersucht.

Im Umfeld von Eisenbahnen, besonders bei nächtlichem Güterverkehr, wird zumindest in Deutschland eine Zunahme der Beschwerden von Anwohnern beobachtet. Gesetzliche Grenzwerte bestehen dort bisher jedoch nur für den Arbeitsschutz.

Die gesundheitliche Wirkung hängt von der Frequenz, der Stärke, der Dauer und dem Einwirkungsort der Vibration ab. Bei längerer Belastung am Arbeitsplatz kann zunächst allgemeines Unbehagen entstehen. Später können unter anderem Schmerzen im Unterleib oder Brustkorb sowie Rücken- oder Kopfschmerzen auftreten. Eine jahrelange Belastung kann Schäden an der Lendenwirbelsäule und an Gelenken verursachen.

Außerdem sind vibrationsbedingte Durchblutungsstörungen möglich, besonders an den Händen. Dazu gehört das vibrationsbedingte vasospastische Syndrom, bei dem sich Blutgefäße krampfartig verengen. Entsprechende Schädigungen gelten seit 1993 als Berufskrankheiten.

Verminderung und Schutzmaßnahmen

Die Bekämpfung von Vibrationen unterscheidet sich von der Lärmbekämpfung. Beide können zwar dieselben Ursachen haben, breiten sich aber auf unterschiedlichen Wegen aus: Schall gelangt zunächst direkt durch die Luft, Vibrationen dagegen durch feste Materialien. Schwingende Decken oder Wände können anschließend im hörbaren Frequenzbereich Luftschall abstrahlen. Dieser sogenannte Sekundärschall kann passive Maßnahmen wie Lärmschutzwände oder Schallschutzfenster teilweise umgehen. Deshalb sind Schutzmaßnahmen direkt an der Quelle, etwa an Maschinenfundamenten oder Bahngleisen, häufig besonders wirksam.

Zur Beurteilung von Erschütterungs- und Sekundärschallimmissionen gibt es verschiedene technische Regelwerke. Beispiele sind die ÖNORM S 9012 in Österreich und die BEKS in der Schweiz und in Liechtenstein. In Deutschland bietet das VDI-Handbuch Schwingungstechnik Beschreibungen und Empfehlungen. Schwingungen an und in Bauwerken werden nach der DIN-Reihe 4150 ermittelt und beurteilt; diese enthält auch Vorgaben zur Minderung.

Bei der Gestaltung von Arbeitsplätzen sollten möglichst vibrationsarme Verfahren und Antriebe eingesetzt werden:

• Drehende Maschinenteile sind oszillierenden, also hin- und hergehenden Teilen, nach Möglichkeit vorzuziehen.
• Riementriebe verursachen weniger Vibrationen als Kettentriebe.
• Bohren ist vibrationsärmer als Stanzen, Hämmern oder Rammen.
• Elektroantriebe laufen wesentlich vibrationsärmer als Verbrennungsmotoren.

Zusätzlich ist eine Schwingungsisolation hinter der Vibrationsquelle möglich. Bei der aktiven Isolation wird der Vibrationserreger selbst isoliert. Bei der passiven Isolation wird dagegen der zu schützende Arbeitsbereich von den Schwingungen getrennt.

Die rechtliche Grundlage für Schutzmaßnahmen bilden nationale Arbeitsschutzvorschriften. In Deutschland ist dafür beispielsweise die Lärm- und Vibrations-Arbeitsschutzverordnung vom März 2007 maßgeblich.