Fig.1: Gemessen wurde mit einem ebenerdig aufgestellten Sternarray mit 33 Kanälen der planen Bauform auf einem ebenen Feld aus etwa 100 Metern Entfernung (Symbolbild G. Heinz).
Nachdem unsere ersten Aufnahmen von Windrädern vom September 2000
(Link) durch die Medien gingen, erhielt der Autor von Anwohnern im ferneren Umkreis von Windkraftanlagen etwa 35 Briefe, Emails oder Faximiles.
Sie beklagten sich darüber, daß Geräusche dieser Anlagen zur psychischen Belastung werden können. Sporadisch mitten in der Nacht werden sie immer wieder einmal von "tieffrequentem" Lärm ferner Windkraftanlagen am Schlafen gehindert. Man hatte bereits einige Akustikbüros vor Ort, aber leider konnten die nichts feststellen. Das Problem wird zur psychischen Belastung für sie: Niemand will ihnen glauben.
Letztlich wandten sie sich an uns. Das Problem kam dadurch auch bei einem Windkraft-Anlagenhersteller an.
Leider sind fundierte Erkenntnisse zum Phänomen kaum bekannt. Mit klassischen Mitteln der Akustik sind Nachweise kaum möglich. Aber der Leiter einer "Taskforce Noise Reduction Program" eines bedeutenden Herstellers von Windkraftanlagen bat um Hilfe bei der Aufklärung des Phänomens und war bereit, die Kosten für Anfahrt, Hotel, Messungen und Auswertungen zu bezahlen. So erfolgten Messungen an Windrädern mit dem Ziel, deren Fernabstrahlung zu verstehen. Dabei kaum erstaunliches ans Licht.
Fig.1: Gemessen wurde mit einem ebenerdig aufgestellten Sternarray mit 33 Kanälen der planen Bauform auf einem ebenen Feld aus etwa 100 Metern Entfernung (Symbolbild G. Heinz).
Im Mai 2002 entstanden erste Schallaufnahmen von Windkraftanlagen aus großer Entfernung. Anfangs ohne Ergebnis. Aber der Zufall oder die Geduld meinten es gut mit dem Team. Irgendwann drehte langsam der Wind. Bis dahin hörte man alles mögliche, von brummenden Autos über fahrende Züge bis zu Flugzeuggeräuschen in weiter Entfernung, zirpenden Grillen, Vogelgezwitscher und dem Rascheln des Grases im Wind. Größte Probleme machten die (schwachen) elektrischen Störungen des die Technik versorgenden Transverters. Es grenzt an ein Wunder, daß es mit einem steilen Bandpass (-24 dB/Octave) im Bereich zwischen 500 Hz und 5 kHz überhaupt möglich wurde, erste Bilder zu erhalten.
Nachdem zufällig der Wind etwas gedreht hatte, und mit ihm ein beobachtetes Windrad, wurde die Anlage hörbar. Bis dahin zeigte sich keine Emission der Windräder im Bild. Erst als die Flächennormalen abstrahlender Flächen in Richtung zum Sternarray der Akustischen Kamera zeigte, wurden Emissionsorte erkennbar.
Fig.2: Momentaufnahme des Windrades von Fig.3. Die linke Flügelspitze strahlt maximal ab. Wir stehen hinter dem Windrad.
Fig.3: Abstrahlung einer Windkraftanlage mit Schallfilm, gefiltert mit Bandpaß (-24dB/Octave 500 Hz bis 5 kHz). Die Kartierung des Schallfilms erfolgte auf ein Standbild. Der im Film zu hörende Klang wird von der Stelle des im Bild zu erkennenden, virtuellen Mikrofons wiedergegeben. Die linke Seite ist laut.
Fig.4: Schallabstrahlung einer Reihe von Windrädern. Die Arrayposition steht nicht optimal zur Windrichtung. Hier leuchten nur die oberen Spitzen der Flügel. Die Emissionen werden vom Wind leicht nach rechts verweht.
Fig.5: Die Windräder haben sich in eine günstigere Richtung gedreht. Die oberen Blattspitzen blinken. Der Leuchtturmeffekt ist schwach zu erkennen, obwohl die Flächennormalen der Flügel nicht exakt in Richtung des Arrays zeigen. Um die schwachen Emissionen darstellen zu können, wurden die Aufnahmen mit einem Bandpaß 1-4 kHz, -24 dB/Octave gefiltert.
Man muß Glück haben: Steht das Blatt in einem definierten Winkel zur Windrichtung und zum Beobachter, bemerkt man, daß maximale Schallabstrahlung in Richtung der Flächennormalen der Flügelspitzen erfolgt. Dies hat bei geeigneten Verhältnissen einen Leuchtturm-Effekt zur Folge: die Windkraftanlage scheint aus großer Entfernung in die genau definierte Richtung der Flächennormalen (vorn und hinten) akustisch zu blinken.
Um den Abstrahlungsmechanismus verstehen zu können, sind im folgenden Bild die Abstrahlverhältnisse der Flügelspitze eines Windrades skizziert.
Fig.6: Die Abstrahlrichtungen von Schall an der Spitze eines Flügels einer Windkraftanlage in der Draufsicht. Unter gegebenen Bedingungen sind zwei Abstrahlrichtungen (du und df) relevant.
Höchste Abstrahlung wird an der Unterseite des Flügelprofils stattfinden. Aufgrund der stärkeren Krümmung der Oberseite wird die Abstrahlung dort geringer sein. Zu beiden Abstrahlungen mit der Schallgeschwindigkeit (v_beam) ist die Windgeschwindigkeit (v_wind) vektoriell zu addieren um die tatsächlichen Abstrahlungsrichtungen zu erhalten.
Ändert sich die Windrichtung, wird der ganze Kopf des Windrades gedreht. Ändert sich die Windstärke, wird i.a. der Anstellwinkel (pitch angle β) nachgeregelt: Sofort verändern sich auch dabei die Abstrahlrichtungen.
Da Windrichtung und Windstärke permanent variieren und die Flügelstellung des Windrades permanent automatisch korrigiert werden muß, um eine konstante Drehzahl zu erhalten, variieren die zwei Hauptabstrahlrichtungen permanent mit Windrichtung, Anstellwinkel der Flügel zur Rotationsachse sowie Windgeschwindigkeit.
Offenbar ist es nicht verwunderlich, daß beauftragte Akustiker bei Anwohnern keine Emissionen fanden: Es gehört wohl sehr viel Glück dazu, eine starke Emission vor Ort zufällig erfassen zu können.
Wird ein Flügel im laminaren Strömungsbereich betrieben, wäre er nahezu unhörbar. Kommt es durch Steuerung des Anstellwinkels (pitch) über 15 Grad zum Strömungsabriß auf der Oberseite des Blattes, entstehen Turbulenzen. Das Blatt wird beginnen, mit seinen Eigenresonanzen zu vibrieren. Es wird laut.
Betrieb in turbulenter Strömung scheint aber nach dem Betz'schen Gesetz der Standardfall des Betriebs von Windkraftanlagen bei nur leichtem Wind zu sein, um deren Energieertrag zu maximieren. Dabei müssen Turbulenzen in Kauf genommen werden. Auch der Verschleiß wird maximiert.
Man kann deshalb vermuten, daß die Anlage in den Bildern bei schwachem Wind im Turbulenzenbereich mit einem Anstellwinkel β nahe 90° betrieben wurde. (Das Windrad zeigt immer gegen die Windrichtung). Man vergleiche dazu den Anstellwinkel (pitch angle) in Fig.6 mit den Bildern der Windkraftanlage in Fig.2 und Fig.5.
Zu sich bildenden Turbulenzen bei Strömungsabriß auf der Oberseite einer Tragfläche siehe z.B. ein Bild in Wikipedia.
Bei deutschen Verhältnissen mit vorwiegender Windrichtung aus Nordwest und bei mildem Wind mit einem Pitchwinkel nahe 90° wären besonders Anwohner betroffen, die ungefähr in nordwestlicher oder südöstlicher Richtung von einem Windrad wohnen. Die Flügelfläche steht dabei nahezu senkrecht im Wind.
Doch die Lage ändert sich bei starkem Wind. Dann ist der Pitch-Winkel recht klein und Anwohner in Nordost und Südwest sind betroffen.
Zu beachten wäre auch, daß die Windgeschwindigkeit mit steigender Höhe i.a. zunimmt. So ist es nicht verwunderlich, daß ein Flügel in den akustischen Bildern ganz oben mehr Schall abstrahlt als weiter unten.
Für Anwohner könnten sich die sporadisch auftretenden Emissionen so darstellen, daß sie mitten in der Nacht von einem im Flügeltakt periodisch wiederkehrenden Rauschen geweckt werden. Und sobald sich Windrichtung oder Windstärke nur minimal ändern, ist der Spuk so urplötzlich vorbei, wie er kam.
Aber noch ist das eher eine Hypothese. Da heutzutage jeder ein Handy hat, könnte man das Geräusch aufnehmen. Dazu benötigt man nicht einmal eine Software für einen Datenrecorder. Die Aufnahmefunktion von WhatsApp könnte ausreichen. Sollte es Ihnen gelingen, solch ein urplötzlich vorhandenes Geräusch aufzunehmen, würde ich mich über eine Nachricht freuen!
Da man immer wieder von schädlichem Infraschall der Windräder hört, analysierte der Autor auf Wunsch eines Lesers die damaligen Aufnahmen nochmals im tieffrequenten Bereich. Leider ohne ein brauchbares Ergebnis. In den verfügbaren Aufnahmen von Windanlagen-Messungen sind zwar Infraschallanteile enthalten, allerdings können diese den Windrädern nicht bildlich zugeordnet werden, die Quellen des Infraschalls liegen außerhalb des Bildfeldes.
Fig.7: a) Aufname des Versuchsortes. b) Spektrum einer mit Tiefpaß 50 Hz, -24dB/Octave gefilterten Zeitfunktionen
Hier der zum Spektrum gehörige wav-File des Infraschalls:
Achtung: Mit dem Handy ist kein Ton zu hören! Zur Wiedergabe bitte eine HiFi-Anlage anschließen und die Vibration des Tieftonlautsprechers beobachten!
Der im Signal vorhandene Infraschall kartiert im akustischen Bild in keiner der Aufnahmen auf das zugehörige Foto, das Maximum kommt von einer unbekannten Quelle außerhalb des Bildfeldes. Die im Infraschallbereich zu hörenden Geräusche sind nicht die von Windkraftanlagen.
Emissionen werden stattdessen tieffrequent mit der Schlagzahl der Flügel im hörbaren Bereich moduliert. Eine Modulation mit Infraschall ist etwas ganz anderes, als Infraschall selbst!
Jedes Windrad wirkt damit nur in zwei ständig mit Windstärke und Windrichtung variierenden Richtungen wie ein Leuchtturm, nur daß es nicht optisch, sondern akustisch "blinkt".
Die Vermutung liegt nahe, daß Laien die tieffrequente Modulation der hochfrequenten Schallabstrahlung des Windrades mit (wirklich tieffrequentem) Infraschall (extrem tiefes Brummen) verwechseln. Man höre sich dazu das Geräusch der Schallabstrahlung in den Filmen nochmals genauer an, und vergleiche es mit dem wav-File des Infraschalls.
Obwohl in keiner der Aufnahmen eine maximale Emission einer der Flügel erfaßt werden konnte, so machte die Akustische Kamera doch eines deutlich. Mit den Untersuchungen und Filmen wird vermutlich klar, was das Problem für Anwohner ist: Laute Emissionen treten sehr selten auf.
Ursache ist eine periodisch mit der Blattfrequenz wiederkehrende, relativ hochfrequente Schallabstrahlung, die als "Schallkeule" von jeder Blattspitze in Richtung ihrer Flächennormalen (senkrecht zur Fläche) abgestrahlt wird. Bekanntlich ist die Relativgeschwindigkeit an den Blattspitzen am höchsten, damit erfolgt genau hier die stärkste Schallemission.
Befindet sich ein betroffenes Gehöft kilometerweit entfernt von einem Windrad, dann wird man dort nur extrem selten, sehr kurz und unter ganz speziellen Bedingungen das Windrad laut hören: Dazu müssen Windrichtung, Windstärke, horizontale Ausrichtung des Windrades und der Winkel zum Gehöft so sein, daß die Flächennormale abzüglich der windbedingten Abdrift genau in Richtung Gehöft zeigt.
Eine Zuordnung von Infraschall zu Emissionen der Windräder war nicht zu erfassen.
G.Heinz
Aufnahmen: Dirk Döbler, Swen Tilgner 21. Mai 2002; Auswertung: Gerd Heinz
File created May 30, 2002. Continued editions. Stylesheets introduced Jan. 2024. Adds about infrasound and Fig.6 Dec.2025; some comments Oct. 2026
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