Vorwort
Die Physik von Windrädern wird energetisch von der Strömung großer Luftmassen dominiert. Daher sollte es nicht verwundern, wenn gerade die direkten Einwirkungen dieser aerodynamischen Emissionen Anwohner belasten und gesundheitliche Beeinträchtigungen verursachen können.
Die Untersuchung dieser Luftströmungen wird von der Windindustrie sogar intensiv betrieben, da sie für die Stromertragssituation und statische Stabilität dieser High-Tech-Anlagen wichtig ist. Obwohl sie also wissenschaftlich hinreichend bekannt und untersucht sind, wurden und werden diese Art von Windrad-Emissionen im Rahmen des Emissionsschutzes weder behandelt noch deren Auswirkungen auf Anwohner untersucht, obwohl dies völlig naheliegend ist. Im Rahmen des Emissionsschutzes beschränkte man sich bei Windenergieanlagen dagegen nur auf den deutlich weniger energetischen akustischen Schall. (Das trifft prinzipiell auch auf große Ventilatoren zu.)
Dabei ist das Umweltbundesamt sogar verpflichtet, präventiv tätig zu werden, insbesondere sobald hinreichende Anhaltspunkte für eine schädliche Umweltbelastung vorliegen, selbst wenn noch wissenschaftliche Unsicherheiten bestehen (§ 5 BImSchG, Art. 191 AEUV). Hinreichende Anhaltspunkte für eine die Gesundheit belastende Wirkung auf Anwohner von Windenergieanlagen gab es mehr als genug. Dabei muss hier insbesondere auf die Ergebnisse der breiten Fall-Studie aus Dänemark (Link) hingewiesen werden, in der Auffälligkeiten wie u.a. ein deutlich erhöhter Verbrauch von Schlafmitteln und Antidepressiva festgestellt wurde. Diese Ergebnisse wären vermutlich noch deutlicher ausgefallen, hätte man die Windrichtung und Entfernungen berücksichtigt (siehe oben).
Diese aerodynamischen Vorgänge und ihre Einwirkungen auf die Anwohner von Windenergieanlagen lassen sich nicht durch akustische Normen wie die TA-Lärm erfassen und abhandeln, da es sich um strömungsmechanische (nicht akustische) Phänomene handelt, die anderen physikalischen Gesetzmäßigkeiten unterliegen als Schall und Infraschall im engen akustischen Sinne. Die strömungsmechanischen tieffrequenten Phänomene können zudem mit Schall leicht verwechselt oder missinterpretiert werden und das führt zu einer erheblichen Unterbewertung der beteiligten Energien dieser Emissionen, ihrer Reichweite und möglichen gesundheitlichen Folgen.
Die ausschließliche Interpretation tieffrequenter Druckphänomene als akustische Schallemission und deren Abhandlung in entsprechenden Regelwerken zum Nachteil der Anwohner ist als grob falsch anzusehen.
Schall und Infraschall
Der Begriff Schall hat bereits unterschiedliche Definitionen. So wurde er historisch auf den Bereich der Hörbarkeit beschränkt. Aber auch hörbare Ereignisse wie ein Knall werden in manchen Definitionen nicht dem Schall im engeren Sinne (als harmonischer) Schall zugeordnet.
Der Begriff Infraschall ist dabei aber ein besonders unglücklich gewählter Oberbegriff, unter den undifferenziert alles Tieffrequente und deshalb Unhörbare zusammengefasst wird, unabhängig davon, ob es sich tatsächlich um Schall handelt. So werden darunter oft auch periodische Luftbewegungen mit Frequenzen unter 20 Hz oder sehr langen Wellenlängen subsumiert, die streng genommen kein akustischer Schall sind. Beispielsweise ist ein pulsierender Wind (u.a. verursacht durch die Taktung des Windstroms durch die Rotorblätter) keinesfalls eine Schallwelle, übt aber dennoch einen niederfrequenten, periodischen Druck auf Objekte (Menschen, Tiere oder Messgeräte wie Mikrobarometer oder Mikrofone) aus.
Das Problem: Mikrobarometer und Mikrofone können ohne weiteres nicht zwischen Schalldruck und Strömungsdruck (Staudruck) unterscheiden. Solche Messprotokolle sind damit Quellen für Fehlinterpretationen. Unabhängig davon ist es wichtig, wo man misst. Gerade der vom Rotor eines Windrades erzeugte gepulste Wind bewegt sich streng mitwindig im sog. Nachlauffeld der Anlagen, das erst in einiger Entfernung von mehreren hundert Metern und ggf. auch Kilometern auf den Boden trifft. Bei sogenannten „Infraschall-Messungen“ z.B. durch die LUBW (Landesanstalt für Umwelt Baden-Württemberg) hat man die Microbarometer bei der Messung in Anlagennähe halb in den Boden eingegraben und vor Windböen abgeschirmt. (Link) Bodennah kommt es zu starken Turbulenzen und das Hintergrundrauschen ist damit sehr hoch. Hier misst man möglicherweise akustischen Infraschall, der auch von den Anlagen ausgeht. Die wichtigen aerodynamisch bedingten Wind-Druckpulse werden jedoch übersehen, denn sie sind in der Höhe und im Wind zu erwarten.
Messstationen zur Überwachung von Atomwaffentests wie IGADE sollen die extrem langwelligen Detonationswellen von Atombombenexplosionen messen und werden deshalb oft als „Infraschall-Messstationen“ bezeichnet. Sie registrieren zwar auch Infraschall, doch die eigentliche Druckwelle einer Atomexplosion ist zumindest ursprünglich keine Schallwelle.
In der Summe können diese begrifflichen Unschärfen und Fehlinterpretationen des Begriffs „Infraschall“ zu folgenreichen Missverständnissen zum Nachteil des Emissionsschutzes für Anwohner führen.
Unterscheidung zwischen Schall und (strömungsbedinge) Nicht-Schall Druckphänomene
Schall (harmonischer Schall)
Beim üblichen Schall (harmonischer Schall) regt eine Quelle die Luft zu elastischen Schwingungen an. Diese Schwingung breitet sich wellenförmig aus, ohne dass die Luft als Ganzes strömt. Die Teilchen bewegen sich nur kurz um ihre Ruhelage hin und her.
Beispiel: Eine schwingende Gitarrensaite stößt die umgebenden Luftmoleküle an, die die Bewegung an benachbarte Teilchen weitergeben. Bei der Rückkehr der Saite werden die ersten Luftteilchen wieder „zurückgezogen“ und der Vorgang beginnt erneut. Dieser periodische Vorgang erzeugt eine Schallwelle mit konstanter Wellenlänge (einen Ton), die sich mit Schallgeschwindigkeit ausbreitet. Mehrere Töne bilden einen Klang.
(Historische Definition: Früher wurde Schall oft auf den hörbaren Frequenzbereich (ca. 20 Hz bis 20 kHz) beschränkt. Daher bezieht sich die dimensionslose Maßeinheit Dezibel (dB) auf die menschliche Wahrnehmung und ist keine absolute physikalische Einheit. Dezibel misst den logarithmischen Pegel einer Größe (z. B. Schalldruck) relativ zu einem Referenzwert. Eine Umrechnung in physikalische Einheiten (sog. SI-Einheit wie Pascal) erfordert daher zusätzliche Angaben und Annahmen.
„Infraschall-Skandal“, BGR, Holzheu und Minister Altmeier muss sich öffentlich entschuldigen
In diesem Zusammenhang sei auf den angeblichen „Umrechnungsfehler“ der BGR (Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe) bei der Interpretation ihrer „Infraschall“-Messdaten in Infraschall und der Darstellung in dB-Einheiten hingewiesen. Die BGR misst Druckpulse in sog. SI-Einheiten und keinen Schall in der dimensionslosen Einheit dB. Die Grundvoraussetzung für eine solche „Umrechnung“ in die Schallmesseinheit dB ist neben weiteren Annahmen, dass es sich überhaupt um Schall im akustischen Sinne handelt. Letzteres ist allerdings sehr fraglich, denn es könnte sich genauso um aerodynamisch bedingte Wind-Druckpulse handeln, die gar kein Schall sind und deshalb auch nicht umgerechnet werden dürfen. Das trifft insbesondere auf den Bereich in unmittelbarer Nähe der Anlagen (auch gegenwindig) bis in einen Bereich (mitwindig) der Anlagen bis ca. drei Kilometern zu.
Knallereignis
Ein Knall wird physikalisch mal als Schall und mal als Nicht-Schall (weil nicht harmonisch) definiert (Akustik: Physikalische und technische Grundlagen, Springer, 1980). Er nimmt daher eine Zwischenstellung ein. Hier stößt die Quelle die Luft nur einmalig an, sodass keine periodische Schwingung entsteht. Daher hat ein Knall, ähnlich wie ein „Geräusch“, keine klar definierten Wellenlängen (im Gegensatz zu harmonischem Schall). Stattdessen besitzt der Knall ein kontinuierliches Frequenzspektrum, also Anteile über einen breiten Frequenzbereich mit einem Maximum. Je nach Zusammensetzung kann ein Knall hell, dumpf oder sogar unhörbar sein. Seine Druckwelle breitet sich mit Schallgeschwindigkeit aus. In der Akustik werden Knallereignissen wegen ihrer Impulshaltigkeit als stärker störend bewertet als gleichlauter harmonischer Schall, besonders wenn sich der Knall wiederholt. Die Drucksignatur von Windenergieanlagen entspricht einem sich periodisch wiederholendem Knallereignis im Infraschallbereich, das durch die Rotorblattdurchgangsfrequenz getaktet ist. (siehe Abschnitt unten: Rotorblatt-Turmdurchgang) Hier wird die besondere Charakteristik nicht berücksichtigt.
Detonation
Detonationen sind kein Schall. Sie entstehen durch eine plötzliche, explosive Volumenzunahme. Bei einer Explosion verdampft Material schlagartig, und das expandierende Gas erzeugt eine Stoßwelle, die anfangs überschallschnell ist. Mit zunehmender Entfernung verlangsamt sie sich auf Schallgeschwindigkeit und damit wird die Explosion zu einem Knall-Ereignis.
Implosionen funktionieren umgekehrt und ist eine plötzliche Volumenabnahme. Auch hier ändert sich also das Volumen, aber die Druckwelle breitet sich von Anfang an nur mit Schallgeschwindigkeit aus. Da der Volumentransport mit der Entfernung schneller abnimmt als die Druckamplitude, wird auch eine Implosion in einiger Distanz zu einem Knallereignis.
Wind-Druckpulse bzw. pulsierender Wind
Wind ist kein Schall, sondern ein Luftstrom, der sich mit Windgeschwindigkeit vorwärtsbewegt. An der Front einer sich bewegenden Luftzelle bildet sich beim Auftreffen auf ein Hindernis (oder langsameren Wind) eine Druckfront mit einem Wind-Druckpuls aus. (Windgeräusche entstehen durch Wirbel an Grenzschichten von Luftzellen mit unterschiedlicher Geschwindigkeit. Diese Turbulenzen können Schwingungen anregen, die als Rauschen oder Pfeifen hörbar werden.)
Wichtig für das Verständnis: Diese Wind-Druckpulse erzeugen erst bei ihrem Auftreffen auf ein Hindernis oder langsamere Luftzellen einen Winddruck oder Staudruck. Auf diese so entstandene Druckfront folgt anders als bei Schall, ein Volumen von nachfließender Luft. Die Energie der Wind-Druckpulse bestimmt sich also von der kinetischen Energie der nachschiebenden Luftzelle und nicht von den Druckveränderung durch das rein elastische Nachschwingen der Luftmoleküle wie beim Schall. Ein gemessener Staudruck eines pulsierenden Windes mag in einem Messgerät also genauso hoch sein, wie der Schalldruck einer Schallwelle, doch seine Energie ist deutlich höher und damit auch seine potentielle Wirkung!
Bedeutung der Fouriertransformation (Frequenzanalyse)
Eine sogenannte Fouriertransformation, die regelmäßig auch bei Druck/Zeit-Messungen (wie durch Microbarometer oder empfindliche Mikrophone) an Windrädern durchgeführt wird, ist nur sinnvoll, wenn es sich um harmonischen Schall oder zumindest Anteile von harmonischem Schall handelt. Zum Beispiel, wenn man beim Betrieb eines Gerätes einen seltsamen Ton feststellt, dann kann dieser Ton in der Frequenzanalyse isoliert werden und auf die Schwingung eines bestimmten Bauteiles zurückgeführt werden. Handelt es sich aber im Vorhinein um Phänomene mit kontinuierlichem Spektrum, wie ein Knallereignis, dann macht das Verfahren keinen Sinn. Wenn solch ein Knallereignis sich periodisch wiederholt, findet man gleichwohl rein mathematisch bedingt Frequenzspitzen in der Fourier-Reihe, die aber kein Korrelat wie ein schwingendes Bauteil (am Windrad z.B. die Schwingung eines Rotorblattes) in der Realität haben, außer der Taktung selbst. Bei einem starken Grundrauschen kann die Fourier-Reihe allerdings helfen, eine Windradsignatur besser zu erkennen. Weitere Schlüsse außer der Taktung darf man aber nicht ziehen, insbesondere nicht, ob es sich um Schall-Ereignisse im akustischen Sinne handelt oder nicht.
| Schall Harmonischer Schall |
Grenzfall Knallereignis |
Nicht-Schall Detonation |
Nicht-Schall Implosion |
Nicht-Schall Wind-Druckpuls |
|
|---|---|---|---|---|---|
| Was bewegt sich? | Schallwelle | Schallwelle | Luft + Druckfront | Luft + Druckfront | Luft |
| Ausbreitungs-Geschwindigkeit | Schall-Geschwindigkeit | Schall-Geschwindigkeit | Überschall-schnell | Schall-Geschwindigkeit | Wind-Geschwindigkeit |
| Physik / Maßeinheit | Akustik / dB | Akustik / dB | Strömungs-Mechanik / SI | Strömungs-Mechanik / SI | Strömungs-Mechanik / SI |
| Spektrum | definiert | kontinuierlich | kontinuierlich | kontinuierlich | kontinuierlich |
Was passiert am Windrad?
Quellen von Wind-Druckpulsen (alternierende strömungsbedingter Druckphänomene) am Windrad, (Das Nachlauffeld)
1) Wind-Druckpulse im Rotorblattwindschatten (das nahe Nachlauffeld)
Stellen Sie sich vor, Sie stehen hinter einem Windrad und beobachten, wie sich die Rotorblätter drehen – ähnlich wie ein Propeller, der immer wieder kurz die Sonne verdeckt. Genau wie dieser „Flatter-Schatteneffekt“ entsteht hinter dem Windrad ein flatternder Windschatten: Das Rotorblatt schiebt sich vor den Wind, sodass die Luftströmung direkt dahinter abrupt abbricht und baut sich nach dem Vorbeiziehen des Blatts wieder auf. Diese so entstandene „Windschatten-Lücke“ im anströmenden Wind erzeugt einen schlagartigen Winddruckabfall, gefolgt von einem raschen Wiederanstieg. Das ist im Prinzip eine Implosion (siehe auch Rotorblatt/Turmdurchgang). Wenn man nahe einem vorbeifahrenden Zug steht, dann spürt man eine vergleichbare Druckwelle.
Dabei funktionieren die Rotorblätter wie ein Flugzeugflügel: Durch ihre gekrümmte Form entsteht auf ihrer Rückseite (Flugzeugflügel-Oberseite) ein Unterdruck und auf der Vorderseite (Flugzeugflügel-Unterseite) ein Überdruck. Diese Druckdifferenz treibt das Windrad an.
Wichtig: Diese Wind-Druckpulse sind in das Nachlauffeld gerichtet. Sie wären also nicht unter den Anlagen zu messen. Und man darf auch nicht vergessen, dass es sich nicht um Schall handelt, die Messwerte fälschlich als Schall interpretieren und in dB angeben!
Barotrauma von Fledermäusen
In der Nähe der Rotorblattspitzen wirbeln die Druckunterschiede am stärksten (ähnlich wie bei einem Wirbelsturm). Hier kollabiert der Druck besonders abrupt, ein Effekt, der für Fledermäuse tödlich sein kann: Ihre Lungen halten dem schnellen Wechsel von Unter- und Überdruck nicht stand und reißen (Barotrauma). Die Fledermäuse sterben also nicht an „Infraschall“ (im akustischen Sinne). Genauso könnte die wesentliche gesundheitsgefährdende Windrademission für Windenergieanlagen-Anwohner auch kein akustischer Infraschall sein!
2) Wirbelbildung – Die unsichtbaren Energiewirbel (das mittlere Nachlauffeld)
Hinter dem Rotor des Windrades beginnt bereits der Tanz der Wirbelwinde, der das zylindrische sog. Nachlauffeld einer Windkraftanlage prägt. Wirbelwinde sind auch Wind und in Form des Wirbels quasi nur eine andere äußere Form eines gepulsten Windes. Ein Windpaket sozusagen. Im Nachlauffeld entstehen zwei wesentliche Wirbelformationen, die nahe der Anlage noch klar ausgebildet sind. (Video Link)
Flügelspitzenwirbel:
An den Rotorblattspitzen entstehen drei riesige ineinander liegende Luftspiralen, die sich wie Korkenzieher von jedem Rotorblatt mit dem Wind nach hinten drehen. (Link) Diese Wirbel „zäumen“ den großen Rotorwindschatten ein und stabilisieren ihn, ähnlich wie eine Art Deich, der das Nachlauffeld vom nicht gebremsten Wind außerhalb trennt. Flügelspitzenwirbel sind vor allem aus der Luftfahrt als erhebliches Gefährdungsrisiko für Flugzeuge bekannt, die einer größeren Maschine folgen. Die Flügelspitzenwirbel von startenden Maschinen können noch hunderte Meter nach unten wandern und dort noch Dachziegel abdecken. Die erreichten Geschwindigkeiten von Windradrotorblättern gegenüber der Luft, ihre Dimensionen und das Aufwindprofil sind mit den Flugzeugflügeln großer Flugzeuge völlig vergleichbar. Deshalb müssen auch Sicherheitsabstände von Windparks zu Flughäfen eingehalten werden (aber nicht zur Wohnbebauung?).
Der zentrale Wirbel:
Durch das Kreisen des Rotors bildet sich um den Windschatten der Gondel als Zentrum ein zusätzlicher „Wirbelwind“ aus, der sich ebenfalls spiralförmig innerhalb des zylindrischen Nachlauffeldes mitwindig fortsetzt und Verbindungen mit den Flügelspitzenwirbeln hat.
Was passiert mit den Wind-Druckpulsen?
Die ursprünglichen Windströmungszellen aus Phase 1 werden eine längere Strecke im Nachlauffeld weitergetragen und teilweise umgeformt. Dabei nähren sich die Wirbel an den Richtungs- und Geschwindigkeits-Unterschieden der an sie grenzenden Strömungszellen, stabilisieren sie aber auch gleichzeitig. Die Wirbel wachsen zunächst an. Die zuerst sehr geordnete Wirbelstruktur wird im weiteren Nachlauffeld dann immer chaotischer.
Das Nachlauffeld wird durch die langsameren bodennahen Winde hinter den Anlagen nach unten gezogen und breitet sich in einigem Abstand von den Anlagen dann auf dem Boden aus.
Die Druckänderungen im Nachlauffeld erreichen so als luftdynamische „Stöße“ oder vereinfacht gesagt pulsierender Wind die Anwohner. Durch die Kanalisierung und Ablenkwirkung des Bodens (Bodenkopplung) kann es sogar zu einer Verstärkung der Wind-Druckpulse kommen. Beim Auftreffen der Winddruckpulse oder von Luftwirbeln und ihrer Abbremsung kann weit entfernt vom Windrad auch Infraschall im akustischen Sinne entstehen.
Zusammenwirken mehrerer Windräder
Die Nachlauffelder der Windräder in einem Windpark verschmelzen zu einer verlangsamten und gering erwärmten Luftschicht. (Video Link) Der über dem Rotor der Anlagen anströmende Wind wird darüber hinweggelenkt. In dieser Grenzschicht befinden sich die Flügelspitzenwirbel, die die Grundtaktung je nach Windgeschwindigkeit kilometerweit mit sich tragen können. Dies erinnert sehr an eine Föhnsituation mit all ihren Folgen und ihrer Reichweite. (Link und Link)
Wirkungen der Wind-Druckpulse auf Gebäude und Menschen
Diese Wind-Druckpulse können Gebäude oder Bäume in Schwingung versetzen. Sie werden von Menschen wie Infraschall in hohen Pegeln bewusst als diffuses Unwohlsein wahrgenommen, doch kommt es vermutlich überwiegend zu einer unterschwelligen und so unbewussten Verarbeitung im Nervensystem. Dabei kommen das Gehör, das Gleichgewichtsorgan und Drucksensoren als Rezeptoren in Betracht.
Wichtig! Diese Wind-Druckpulse dringen auch durch Häuser, denn genauso wie Infraschall müssen dafür nur Fenster und Türen um Bruchteile von Millimetern in ihrer Dichtung schwingen. Auch ein üblicher Dachstuhl ist ein riesiges „offenes Tor“ für diese Wind-Druckpulse. Anders als Infraschall tragen die Wind-Druckpulse aber eine deutlich höhere Energie mit sich (Fehlinterpretation bei „Infraschallmessungen“ und angeblicher Einhaltung der Grenzwerte!). Und wenn Infraschall nahezu gleichzeitig von allen Seiten auf den Menschen einwirkt, so wirken diese Wind-Druckpulse eher von nur einer Seite. Das menschliche Nervensystem registriert gerade vor allem Unterschiede! Das alles erklärt, warum Menschen in den Keller gehen oder ihr Schlafzimmer an die den Anlagen windabgewandte Seite verlegen, um die Windrademissionen nicht so stark zu spüren.
Das Positive: Bauliche oder technische Maßnahmen könnten eher Linderung bringen als bei Infraschall im akustischen Sinne. Und mit dem Wissen, dass mitwindig in eingrenzbaren Abständen Anwohner den stärksten Belastungen ausgesetzt sind, wäre es von grundlegender Bedeutung, diese Art von Emission endlich näher zu untersuchen, die Belastung anzuerkennen und erstmals halbwegs effektive Schutzmaßnahmen zu ergreifen, anstatt diese offensichtliche Windrad-Emission zu ignorieren.
Das weiter entfernte Nachlauffeld
Im weiter entfernten Nachlauffeld der Anlagen zerfallen die Wirbel in immer kleinere Wirbel und gehen in allgemeiner Turbulenz unter. Doch herrscht ganz offenbar immer noch eine Ordnung im Chaos. (Video Link) Die im Nachlauffeld energetisch dominierenden aerodynamischen Wind-Druckpulse in der Rotorblattdurchgangsfrequenz und ihre Information bleiben erhalten und pflanzen sich weiter fort, wie ein Trommelschlag, der sich durch ein Rauschen hindurchzieht. Es kommt auch zu einer Reorganisation der Wirbelstrukturen und der kohärenten Strömungszellen, nachdem sie sich in der turbulenten Zone scheinbar ganz aufgelöst haben.
Die tieffrequente Energiesignatur des Windrads kann jedenfalls noch in über 30-50 km Entfernung als Windradinfraschall gemessen werden.
Das Nachlauffeld als Schallquelle
Vermutlich wandelt sich die Information dieser Wind-Druckpulse und Wirbel auf ihrem Weg im entfernteren Nachlauffeld, ähnlich wie Detonationsdruckwellen in Schall um. Zum Beispiel beim Auftreffen auf Hindernisse im Nachlauffeld und strahlen dann als Infraschall in die Umgebung aus. Damit könnte aber das ganze Nachlauffeld eines Windparks zu einer tieffrequenten Schallquelle werden, in dessen Mitte Anwohner leben müssen!
3) Rotorblatt-Turmdurchgang
Dieser Aspekt wird bisher als die wichtigste „Infraschall“-Quelle am Windrad beschrieben. Deshalb misst man primär um die Anlagen herum mit halb eingegrabenen windgeschützten „Infraschall“-Messgeräten am Boden. Man geht also davon aus, dass allein das Windrad die einzige Quelle von Windrad-Infraschall ist und dann dort die höchsten Belastungen gemessen werden. Aus solchen Messungen der LUBW (Landes-Anstalt für Umwelt Baden-Württemberg) rührt auch die unhaltbare, aber von den Medien dennoch breit getretene Behauptung her, ab 700 m Entfernung von den Anlagen würde der „Infraschall“ im Hintergrundrauschen untergehen. Daraus leitete man ab, dass Windrademissionen zwangsläufig in größeren Entfernungen als maximal 700m niemanden mehr belästigen oder krank machen könne.
Wichtig: Diese Auffassung von „Windrad-Infraschall“ erklärt nicht hinreichend, dass nahezu alle stark Betroffenen ausschließlich in Windrichtung der Anlagen leben. Das wird nur durch die sich im Nachlauffeld mit dem Wind fortbewegenden Luftzellen, und ihren energetisch bedeutenden Wind-Druckpulsen erklärt.
Beim Rotorblatt-Turmdurchgang passiert aerodynamisch prinzipiell erst einmal dasselbe wie in der Höhe überall hinter dem sich drehenden Rotor. Der anströmende Wind wird plötzlich durch das passierende Rotorblatt unterbrochen. Doch hier trifft dieser Wind-Druckpuls durch wegfallenden Staudruck sofort auf ein Hindernis und nicht erst weit im Nachlauffeld der Anlage. Der immense Wind-Staudruck von mehreren Tonnen am Turm fällt also relativ plötzlich weg. Hinzu kommt, dass auf der Rotorblattrückseite ein relativer Unterdruck herrscht, der sich mit dem positiven Staudruck vor dem Turm in einer Art Implosion auslöscht. Die so erzeugte Implosionsdruckwelle dauert aufgrund der Durchgangszeit des Rotorblattes vor dem Turm Zehntelsekunden-lang und liegt deshalb im unhörbaren Infraschallbereich, allerdings über der Rotorblattdurchgangsfrequenz. Hinzu kommt, dass sich wie bei einem Ruder, das durch Wasser pflügt, hinter dem Turm gegenläufige Wirbel („Wirbel-Dipole“) entwickeln und diese Implosionsdruckwelle mitwindig verziehen. Und jeder Rotorblatt-Turmdurchgang hängt dieser Implosionsdruckwelle eine weitere an, wie ein Schlagzeuger, der den Takt angibt. Diese Druckwelle breitet sich relativ bodennah und anders als die Windpakete, im Nachlauf auch gegen den Wind aus.
Das was allgemein als Windradinfraschall bezeichnet wird
In einiger Entfernung, wenn der Luft-Volumentransport wesentlich aufgehört hat, wird diese Implosionsdruckwelle zu einer normalen Knallwelle, die sich in der Rotorblattdurchgangsfrequenz wiederholt. Es ist diese ursächlich aerodynamische Emission, die beispielsweise das LUBW als „Infraschall“ im Nahbereich der Anlagen gemessen hat. Durch die periodische Wiederholung wird sie allerdings nicht zum harmonischen Infraschall. Da diese Aneinanderreihung von Infraschall-Knallereignissen nicht hörbar ist, wurde ihr unterstellt, keine Wirkung auf Anwohner entfalten zu können.
Wichtig: Erstellt man von diesen Druckverlauf-Messungen Fourier-Reihen, so wird das kontinuierliche Knallspektrum mit Gipfel im mittleren Infraschallbereich (um 8 Hz) von der deutlich tieferen Rotorblattdurchgangsfrequenz getaktet. So entstehen rein mathematisch die sog. Harmonischen. Deshalb handelt es sich aber nicht zwangsläufig um harmonischen Schall.
4) „Bauchtanz“ des Turms – der Druckhammer auf den Boden
Kurz vor dem Rotorblattdurchgang am Turm wird das Rotorblatt durch die bestehende Druckdifferenz des relativen Unterdrucks auf der Rückseite des Rotorblattflügels zum Turm hingezogen. Da der Generator in der Gondel dadurch ein zusätzliches Drehmoment erhält, das er auf den Turm in Form einer Biegelast überträgt, zieht der Turm sich zum Rotorblatt hin.
Beim Durchgang des Rotorblattes fällt nun plötzlich ein tonnenstarker Winddruck vom Turm, und er wird auch durch den relativen Unterdruck auf der Rückseite des Rotorblattes nach vorne gezogen.
Nach dem Rotorblattdurchgang kehren sich die Verhältnisse wieder um. Der sich wieder aufbauende Staudruck am Turm zieht an dem relativen Unterdruck der Rotorblattrückseite, was den Rotor minimal abbremst und über die Nabe eine Biegelast in die entgegengesetzte Richtung bewirkt.
So vollführt der Turm besonders in 2/3 Höhe eine Art Bauchtanz, der sich mit Hebelwirkung auf das Fundament und dann auf den Boden überträgt.
Nun ist das Windrad ja kein starrer Pfahl im Boden, sondern kann und muss sich wie Schilf im Wind biegen. Würde man es an einem ruhigen Tag an der Gondel anstoßen, würde es von allein in einer definierten Frequenz schwingen. Geraten die durch den Wind bedingten „Bauchtanzschwingungen“ in die Nähe dieser Frequenz, so droht in der Resonanz ein Aufschaukeln mit einem Bruch des Turmes.
Jede Schwingung des Turms wirkt je nach Wind wie eine Art Rammhammer auf den Boden. Die ausgelösten Schwingungen übertragen sich kreisförmig um die Anlagen. Das ist vergleichbar mit der Erschütterung eines vorbeifahrenden Zuges. Je nach Untergrund kann dieser Körperschall kilometerweit getragen werden und über das Fundament auf Wohnhäusern, deren Wände, Fußböden oder sogar Möbel übertragen werden. Begünstigend wirken Felsuntergründe, gefrorener Boden, hochstehendes Grundwasser, Gebäude, die ohne Kiesschicht auf gewachsenem Boden errichtet wurden, Betonwände, Decken und Böden ohne Schallentkopplung.