Raum-Akustik und Lärm-Minderung: Konzepte mit innovativen Schallabsorbern und -dämpfern

Von Helmut V. Fuchs

Die 4. Auflage dieses inzwischen als Standardwerk anerkannten Fachbuchs greift wieder aktuelle Probleme bei der Gestaltung von Raum-Akustik, Freifeld-Prüfständen und Kanal-Auskleidungen auf. Zu deren nachhaltiger Lösung werden Materialien und Bauteile sowie Auslegungskonzepte nach neuestem Stand des Wissens allgemein verständlich dargestellt. Aufbauend auf den Grundlagen wird das Konzept vertieft. Mehr als 100 Fallbeispiele zeigen, welche konstruktiven und baulichen Maßnahmen schnell und kostengünstig zum Ziel führen können.

Akustiker in der Praxis und Forschung sowie entwerfende und planende Architekten, Bauingenieure und Haustechniker finden neben den Grundlagen und Konzepten besonders auf für bisher vernachlässigten Bereich der tiefen Frequenzen wichtige Hinweise. In Darstellung und Lösung akuter schalltechnischer Probleme stellt der Autor auch neue Erkenntnisse und Konzepte zur Verfügung, bei denen stets das praktisch Nützliche im Vordergrund steht. Für die eingeführten Normen werden Problemlösungen ebenso behandelt wie die Grenzen der Anwendung, wo weiterführende Lösungen gesucht werden. Für Lärmprobleme in Arbeits- und Freizeit-Räumen liefert das Buch eine Fülle konstruktiver Anregungen.

• Sprache: Deutsch
• Herausgeber: Springer Vieweg
• Erscheinungsdatum: 9. Feb. 2017
• ISBN: 9783662531631

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© Springer-Verlag GmbH Deutschland 2017

H. V. FuchsRaum-Akustik und Lärm-MinderungVDI-Buchhttps://doi.org/10.1007/978-3-662-53163-1_1

1. Einführung

Helmut V. Fuchs¹  

(1)

Berlin-Schlachtensee, Deutschland

Die Lärmbelastungen im häuslichen Bereich haben, auch in den bereits hoch entwickelten Ländern, in den vergangenen 25 Jahren allgemein eher kontinuierlich zu- als abgenommen. Nach den jüngsten Erhebungen des Umweltbundesamts liegt der Straßenverkehr gemäß Abb. 1.1 mit etwa 54 % kaum verändert an erster Stelle, obwohl hier, dank sukzessiv abgesenkter Grenzwerte, die Emissionsschallleistungspegel (L W) in dB(A) bei den einzelnen Quellen Pkw, Krafträdern bzw. Lkw in Europa inzwischen im Mittel um etwa ∆L Q = 6, 9 bzw. 12 dB(A) deutlich reduziert werden konnten. Dieser scheinbare Widerspruch hat mehrere Gründe: Zum einen hat die gleichzeitig stark gestiegene Anzahl n der Kfz-Bewegungen die immissionswirksamen Pegel (L i) in dB(A) gemäß

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Abb. 1.1

Prozentsatz der Personen, die sich durch verschiedene Lärmquellen in ihrem häuslichen Umfeld gestört fühlen. (Umweltbundesamt 2015)

$$ {{L}_{\text{i}}}={{L}_{\text{W}}}-\Updelta {{L}_{\text{Q}}}-\Updelta L\ +\ 10\,\lg \,n $$

(1.1)

angehoben.

Da es erfahrungsgemäß leichter fällt, die regelmäßig nur A‑bewerteten Emissionsgrenzwerte durch lärmmindernde Maßnahmen an der Quelle (∆L Q) bei höheren Frequenzen zu erreichen, hat sich das Spektrum fast aller technischen Lärmquellen tendenziell zu tieferen Frequenzen verschoben, bei denen schalltechnische Sekundärmaßnahmen und solche auf dem Ausbreitungsweg (∆L in Gl. 1.1) grundsätzlich weniger wirksam sind als bei höheren. In einem Kommentar zur DIN 45680 „Messung und Beurteilung tieffrequenter Geräuschimmissionen" von Krahé (2011) wird richtig darauf hingewiesen, dass im Frequenzbereich 50–100 Hz die Schalldämmung aller Außenbauteile relativ schlecht ist (Abb. 3.​3), aber meist unbewertet bleibt und außerdem in diesem Bereich, auch noch darunter, vielfach Raumresonanzen gemäß Kap. 2 angeregt werden. Schließlich sind (auch altersbedingt wie in Abb. 1.2 dargestellt) Schwerhörige besonders empfindlich gegenüber tieffrequenten Störungen.

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Abb. 1.2

Mittlere Verschiebung der Hörschwelle mit dem Alter bei Männern im Vergleich zu 25-Jährigen. (Nach Davis et al. 1994)

Der Freizeit - und Nachbarschaftslärm , auf Platz 2 in Abb. 1.1, hat sich, auch dank leistungsfähigerer elektroakustischer Anlagen daheim, im Auto und im Freien, besonders im Bassbereich erheblich verstärkt. Dieser Trend wird sich in Anbetracht der Hörgewohnheiten der jüngeren Menschen und der Zunahme des Anteils der Schwerhörigen (in Deutschland wohl über 20 %) fortsetzen. Auch letztere tendieren dazu, ihre Audio- und Videogeräte (zur Kompensation ihres Hörverlusts) relativ laut zu betreiben – Gründe genug, um sich mehr als bisher allgemein üblich mit dem Bassfundament bei Sprache und Musik zu befassen.

Lediglich beim Fluglärm erscheinen die Störungen gemäß Abb. 1.1, trotz eines ähnlich starken Anstiegs des Verkehrsaufkommens wie auf den Straßen, mit jetzt nur etwas über 20 % gegenüber 1988 fast halbiert. Dies ist allerdings weniger den vielen tüchtigen Aeroakustikern zu verdanken als einer positiven Nebenwirkung der Entwicklung energiesparender Triebwerke mit hohem Bypass-Verhältnis.

Der Schienenverkehr liegt mit unverändert 17 % jetzt an fünfter Stelle, weil der Industrie- und Gewerbelärm, wozu auch der Baulärm zählt, von 14 auf gut 20 % angestiegen ist. Bei all diesen Befragungen kann man aber wohl davon ausgehen, dass die Empfindlichkeit gegenüber Lärm bei Menschen, die ohnehin immer stärker unter diversem Stress am Arbeitsplatz zu leiden haben, generell ansteigt.

Die im gewerblichen Bereich durch gehörschädigende Schallpegel über 85 dB(A) an lauten Arbeitsplätzen verursachte Schwerhörigkeit hat seit Einführung der Unfallverhütungsvorschrift (UVV) „Lärm" im Jahr 1974 als anerkannte Berufskrankheit deutlich abgenommen. Von Liedtke (2007) wird dies „als signifikanter Erfolg effektiven Lärmschutzes an deutschen Arbeitsplätzen betrachtet". Dieser ist wohl leiseren Maschinen und Anlagen sowie Kapselungen (s. Abschn. 3.​8) und Abschirmungen (s. Abschn. 3.​10) zu verdanken. Außerdem spielt in diesem erfreulichen Trend aber auch eine Rolle, dass die sehr lauten Arbeitsplätze im produzierenden Gewerbe, insbesondere in der metallverarbeitenden Industrie, stetig abnehmen.

An den neu entstehenden Arbeitsplätzen im Dienstleistungsbereich ist indessen, gerade in den kommunikationsintensiven und sozialen Berufen mit höchster geistiger Qualifikation und Anforderung, ein bisher wenig beachtetes neues Lärmproblem mit beträchtlichen gesundheitlichen Auswirkungen entstanden (s. Kap. 12). In Büros, Besprechungsräumen und Dienstleistungszentren , aber ebenso in Klassenzimmern , in Sport - und Freizeitbereichen sowie Gaststätten hat die Schallbelastung infolge einer deutlich geänderten Kommunikation (z. B. über Mobiltelefone , im Gruppenunterricht) zugenommen. Auch hier hat man bisher mit absorbierenden Unterdecken , Gehbelägen , Vorhängen sowie speziellen Putzen und Tapeten allenfalls etwas zur Pegelminderung bei hohen Frequenzen getan. Halbhohe Stellwände , die man hier und da zur nachträglichen Abschirmung einzelner Arbeitsplätze zu Hilfe nimmt, sind bei tiefen Frequenzen aber ebenso wirkungslos wie viele Lärmschutzaufbauten an Autobahnen.

Ein besonderes Problem stellen die über Jahrhunderte gestiegenen Schallpegel weit über 85 dB(A) dar, denen Musiker heute ständig ausgesetzt sind, wenn sie nicht mit Gehörschutz ihrem künstlerisch anspruchsvollen Beruf nachgehen. Auch ihre diversen Arbeitsräume verdienen eigentlich eine die Schallbelastung mindernde raumakustische Gestaltung (s. Abschn. 13.​8.​4). Bei der Optimierung von Konzertsälen und Theatern, der Königsdisziplin der Akustik, sind ebenfalls noch viele Fragen offen und wiederum Probleme bei tiefen Frequenzen zu lösen. In Kap. 17 werden dazu neue Ansätze formuliert und in Kap. 18 repräsentative Beispiele diskutiert.

Herkömmliche Schalldämpfer und Schallabsorber aus faserigen oder porösen Materialien sind zwar unverzichtbar zur Bedämpfung hochfrequenter Geräuschanteile von Maschinen und Anlagen. In der täglichen Praxis der Lärmbekämpfung und Raumakustik, ebenso wie in den Schalllabors und Entwicklungszentren der Hersteller (s. Kap. 15 und 16), liegt das eigentliche Problem aber immer häufiger bei tiefen Frequenzen, die wegen der dazu notwendigen Bautiefe von passiven Absorbern nur schlecht erreichbar sind (s. Kap. 4). Wegen des bisherigen Mangels an geeigneten, breitbandig wirksamen reaktiven (s. Kap. 5–7 und 9) und aktiven (Kap. 8) Akustikelementen, die mit geringem Druckverlust in Strömungskanälen und wenig Raumbedarf in Aufenthalts- und Versammlungsräumen eingebaut werden können, wird das Brummen von Maschinen und Anlagen über große Entfernungen (fast ungedämpft) noch sehr störend wahrgenommen. Wieder reagieren gerade Schwerhörige, deren Empfindlichkeit zu den Tiefen ansteigt, darauf oft sehr empfindlich.

Die Lärmschutzbeauftragten in großen Betrieben wissen, dass Lärmbekämpfung möglichst nahe an den Quellen, am besten gleich in den Entstehungsprozess eingreifen sollte. Lärmarmes Konstruieren kann allerdings immer nur bei der Planung neuer Aggregate zum Zug kommen. Sie treibt im Allgemeinen die Entwicklungskosten in die Höhe und – oftmals noch wichtiger – erfordert zusätzliches Volumen, Gewicht und Material. Lärmarme Produkte müssen daher i. d. R. teurer verkauft bzw. eingekauft werden. Weniger bekannt ist, auch unter Akustikberatern, dass das Dröhnen der Räume bei tiefen Frequenzen (auch unterhalb 100 Hz) die Sprachverständlichkeit derart herabsetzt, dass beim Kommunizieren alle Teilnehmer (auch die am Telefon) sich unwillkürlich und für die anderen unangenehm laut artikulieren (s. Abschn. 13.​1.​6). Hier kann man durch einfache bauliche Maßnahmen nicht nur die Raumpegel senken, sondern indirekt, aber sehr wirksam, preiswert und nachhaltig Lärmminderung an der Quelle betreiben und gleichzeitig die Behaglichkeit für alle Nutzer steigern.

Neben den bekannten passiven und reaktiven schalldämpfenden Materialien und Bauteilen soll im Folgenden die ganze Vielfalt heute verfügbarer Produkte und Konzepte für den Schallschutz und die raumakustische Gestaltung aufgeblättert werden, auch solche auf der Basis alternativer, faserfreier Absorber (ALFA) gemäß Abb. 1 des Vorworts, wie sie von Fuchs et al. (2002, 2003, 2004, 2014) zusammenhängend dargestellt wurden. Bei ihrer Beschreibung wird hier auf theoretische Tiefe verzichtet und stattdessen das Praktisch-Nützliche in den Vordergrund gehoben. Die Auslegung, Dimensionierung und Anwendung insbesondere der neuartigen Schallabsorber wird durch konkrete Umsetzungsprojekte verdeutlicht, die oft von ihren Erfindern zusammen mit den jeweiligen Lizenznehmern beispielgebend von der Beratung und Planung über die Ausführung und Überwachung bis hin zur Abnahme und Dokumentation durchgeführt wurden. Der Leser wird dabei mit einer ganzen Reihe akuter Lärmprobleme konfrontiert, aber in den Anwendungs-Kap. 12, 14, 16 und 18 gleichzeitig mit genauso vielen praktikablen Lösungen vertraut gemacht. Stets wird dabei die Frequenzcharakteristik der akustischen Parameter im gesamten, für den jeweiligen Anwendungsfall relevanten Spektralbereich gemäß Abb. 1.3 bei der Planung zugrunde gelegt, ob es sich nun um die Auslegung von Schalldämpfern für eine Abgasanlage, die Ertüchtigung von Akustikprüfständen, die Hörsamkeit von Mehrzwecksälen oder die Beruhigung von Unterrichtsräumen geht. Die beschwichtigende Aussage seines verehrten Lehrers vor mehr als 50 Jahren, die noch in Cremer et al. (1978) nachzulesen ist („Glücklicherweise setzt unsere nach tiefen Frequenzen nachlassende Hörfähigkeit diesen Raumanforderungen eine Grenze"), mag der Autor heute nicht mehr akzeptieren.

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Abb. 1.3

Wichtige Frequenzbereiche für das Hören (a) und entsprechender Wellenlängenbereich (b). (Nach Fasold et al. 2003)

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Literatur

Cremer L, Müller HA (1978) Die wissenschaftlichen Grundlagen der Raumakustik, Bd. I. Hirzel, StuttgartzbMATH

Davis D, Davis C (1994) Sound system engineering. SAMS, Carmel

Fasold W, Veres E (2003) Schallschutz + Raumakustik in der Praxis. Verlag Bauwesen, Berlin

Fuchs HV, Möser M (2004) Schallabsorber. In: Müller G, Möser M (Hrsg.) Taschenbuch der Technischen Akustik, Kap. 9, S 247–304. Springer, BerlinCrossref

Fuchs HV, Zha X (2014) Schall absorbierende Bauteile – Eine aktuelle Übersicht. In: Fouad, N.A. (Hrsg.) Bauphysik-Kalender 2014, Kap. B1, S 185–238

Fuchs HV, Zha X, Krämer M, Zhou X, Eckoldt D, Brandstätt P, Rambausek N, Hanisch R, Leistner P, Leistner M, Zimmermann S, Babuke G (2002, 2003) Schallabsorber und Schalldämpfer. Innovatorium für Maßnahmen zur Lärmbekämpfung und Raumakustik. Bauphysik 24(2):102–113, (4):218–227, (5):286–295, (6):361–367; 25(2):80–88, (5):261–270Crossref

Krahé D (2011) Tieffrequente Geräusche. Lärmbekämpfung 6(5):218–219

Liedtke M (2007) 30 Jahre Lärmschutz am Arbeitsplatz – erfolgreiche Prävention? Lärmbekämpfung 2(2):54–59 MathSciNet

Umweltbundesamt (2015) Lärmbelästigung in Deutschland. http://​www.​umweltbundesamt.​de/​themen/​verkehr-laerm/​laermwirkung/​laermbelaestigun​g)

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H. V. FuchsRaum-Akustik und Lärm-MinderungVDI-Buchhttps://doi.org/10.1007/978-3-662-53163-1_2

2. Problemschwerpunkt tiefe Frequenzen

Helmut V. Fuchs¹  

(1)

Berlin-Schlachtensee, Deutschland

Aus dem Emissionsschallleistungspegel L W einer Quelle Q, den man unter Freifeldbedingungen nach DIN 45 635-1984 bzw. ISO 3745-2003 bestimmen kann, lässt sich der Immissionsschalldruckpegel L in ihrer näheren oder weiteren Umgebung, hier freilich nur schematisch, beschreiben durch:

$$ \begin{aligned}L=\,&{{L}_{\text{W}}}-\Updelta {{L}_{\text{Q}}}+\text{DI}\ +10\,\lg \,\nu +10\,\lg \,n \\ & -20\,\lg \,s-\sum\limits_{i}{{{D}_{i}}} \\ & -20\,\lg \,f\,m\, \\ & -10\,\lg \,A+\Updelta {{L}_{\text{R}}}+\Updelta {{L}_{\text{S}}}+\Updelta {{L}_{\text{T}}}+\,\text{const.} \end{aligned} $$

(2.1)

Darin bedeuten die ersten fünf Terme Eigenschaften der Quelle(n) selbst, die folgenden zwei den Ausbreitungsweg im Freien, der achte den Schalldurchgang durch ein Bauteil, die verbleibenden Terme den Einfluss des Empfangsraums und die Konstante steht für Details der jeweiligen Übertragung. ∆L Q(f) symbolisiert eine mögliche (frequenzabhängige) Lärmminderung an der Quelle , bei einem Gerät z. B. durch direkten Eingriff in den Entstehungsmechanismus, durch Kapselung oder/und Schalldämpfer . Da es leichter fällt, den weltweit allein maßgeblichen A‑bewerteten Schallpegel durch Maßnahmen bei höheren Frequenzen zu senken, verschieben Minderungsmaßnahmen das Maximum in den Lärmspektren regelmäßig zu niedrigeren Frequenzen.

Die Richtwirkung („directivity index") DI(f) der Quelle, z. B. ein über eine Schornsteinmündung abstrahlender Ventilator, kann ein weiterer Grund sein, warum sich bei den immissionswirksamen Abstrahlwinkeln (typischerweise zwischen 80° und 100°) die tiefen Frequenzen gegenüber den hohen um entscheidende 10 dB stärker bemerkbar machen (Abb. 18.​29).

Wenn eine in alle Richtungen gleichförmig abstrahlend angenommene Quelle nicht frei (ν = 1), sondern über einer vollständig reflektierenden Fläche (ν = 2), von einer Kante aus (ν = 4) oder aus einer Ecke heraus (ν = 8) abstrahlt, kann man dies näherungsweise frequenzunabhängig mit 10 ∙ lg ∙ ν berücksichtigen. Auch ein Schalltrichter oder ein Kanzeldach können menschliche Stimmen in einer bestimmten Richtung zusätzlich verstärken.

Die Zahl n steht für eine variable Menge gleicher Quellen (etwa für den Einfluss der Verkehrsdichte auf Straßen und Schienen sowie in der Luft). Beim Kommunizieren und Musizieren Vieler (z. B. in Callcentern, Klassenzimmern und Speisesälen) darf man aber nicht von einer einfachen Pegelerhöhung gemäß 10 ∙ lg ∙ n, sondern muss von einer regelmäßig viel stärkeren ausgehen (s. Abschn. 13.​1.​4 und 13.​1.​6), die hier nur durch ∆L T(f) und ∆L S(f) als Einfluss von ungeeigneten Nachhallzeiten und Störgeräuschen im Raum angedeutet sind.

Das immer stark in die Abschätzung eingehende Abstandsmaß 20 ∙ lg ∙ s, im Freien z. B. mit 6 dB Abnahme pro Verdoppelung der Entfernung s, ist natürlich frequenzunabhängig. Dagegen sind die meisten Dämpfungs - und Abschirmungseffekte D i(f) auf dem Ausbreitungsweg bei hohen Frequenzen weitaus stärker als bei tiefen. Auch eine mögliche Dämmung durch leichte Bauteile, z. B. Fenster, wächst zwar mit ihrer Masse m etwa wie 10 ∙ lg ∙ m an, fällt aber wie 20 ∙ lg ∙ f mit der Frequenz f ebenso stark ab. Schließlich findet der in einen geschlossenen Raum eingedrungene Lärm dort eine Absorptionsfläche A(f) vor, die bei tiefen Frequenzen wiederum fast immer viel geringer ist als bei hohen.

Man muss also davon ausgehen, dass selten das im Freifeld nahe der Quelle gemessene Emissionsspektrum für die eigentliche Lärmbelastung in ihrer Nachbarschaft maßgeblich ist. Je größere Entfernungen und je mehr Hindernisse die Schallwellen auf ihrem Weg zum jeweiligen Immissionsort zu überwinden haben, umso stärker treten die tiefen Frequenzanteile in den Vordergrund. Diese werden dann oftmals als besonders lästig wahrgenommen, auch wenn die A-Bewertung dieses Problem in der Praxis leider oft verschleiert. Auch die von den einschlägigen Normen und Richtlinien gestützte Gewohnheit, Schallpegel, -dämmung und -dämpfung nur bis 125 oder 100 Hz zu messen und erst oberhalb 250 oder 500 Hz schärfer zu bewerten, hat zwar zu schalldämpfenden und -dämmenden Bauteilen mit eindrucksvollen Einzahlangaben wie dem bewerteten Absorptionsgrad α w (Abb. 13.​11) oder Schalldämmmaß R w (Abb. 11.​5) geführt. Tatsächlich bleibt ihre Wirksamkeit im Einsatzfall aber oft weit hinter der dadurch beim Anwender geweckten Erwartung zurück, weil man eben nicht einfach die Einzahlangaben für die Quellen und Übertragungswege addieren oder subtrahieren darf, sondern bei einer ernsthaften bau- und raumakustischen Planung die jeweilige spektrale Charakteristik aller Terme in Gl. 2.1 berücksichtigen muss.

Häufig ist das Problem bei tiefen Frequenzen sogar noch gravierender: Zum einen verdanken zweischalige Bauteile wie Fenster, Türen und Fassaden ihre hohe Dämmung bei mittleren und hohen Frequenzen, die ihnen bei der üblichen Einzahlbewertung so zugutekommt, einer Masse-Feder-Resonanz bei Frequenzen unter 100 Hz, bei der ein praktisch ungehinderter Schalldurchgang von der lauten zur leiseren Seite erfolgen kann (s. Abschn. 3.​7; Fuchs et al. 2007). Zum anderen kann der tieffrequente Schallpegel, insbesondere in kleineren Räumen, Hohlraum - oder Eigenresonanzen gewaltig anregen und auch dadurch bei bestimmten Frequenzen eine u. U. wesentliche Verstärkung (∆L R(f) in Gl. 2.1) verursachen. Wenn er also nicht breitbandig genug bedämpft wurde, kann jeder Raum zu einem akustischen Horrorkabinett werden, sowohl für von außen eindringende als auch für innen erzeugte Geräusche. Dieser Einfluss erschwert auch jede Messung bei den tiefen Frequenzen (s. Kap. 13 und 14; Fuchs et al. 1998).

In nicht unbedingt allseitig geschlossenen Räumen treten Eigenresonanzen am deutlichsten in Erscheinung, wenn mindestens eine ihrer Dimensionen kleiner als etwa 5 m ist, also auch in sog. Flachräumen wie z. B. Großraumbüros (s. Abschn. 13.​6). Im Frequenzbereich zwischen 200 und 50 Hz, gegebenenfalls bis 31 Hz herunter, bilden sich dann stehende Wellen (Moden ) aus, ähnlich denen im zweidimensionalen Feld (Kap. 3, Tab. 3.​1). Abb. 2.1 zeigt z. B. für einen quasi unbedämpften 5 × 4 × 3 m großen Quaderraum in einer zwischen zwei diagonal gegenüberliegenden Ecken gemessenen Übertragungsfunktion kaum mehr als zehn stark hervortretende Resonanzen (Cremer et al. 1976, dort Kap. 11) bei

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Abb. 2.1

Eigenfrequenzen und Übertragungsfunktion in einem ungedämpften Quaderraum mit V = 60 m³. (Nach Fuchs et al. 1998)

$$ {{f}_{{{n}_{x}},\ {{n}_{y}},\ {{n}_{z}}}}=\frac{{{c}_{0}}}{2}\sqrt{{{\left( \frac{{{n}_{x}}}{{{l}_{x}}} \right)}^{2}}+{{\left( \frac{{{n}_{y}}}{{{l}_{y}}} \right)}^{2}}+{{\left( \frac{{{n}_{z}}}{{{l}_{z}}} \right)}^{2}}};{{n}_{x}},\ {{n}_{y}},\ {{n}_{z}}=0,1,2\, \ldots $$

(2.2)

mit der Schallgeschwindigkeit c 0. Wenn Resonanzen in benachbarten Räumen und in den trennenden Bauteilen etwa zusammenfallen, dann kann diese starke Wechselwirkung der Quellen mit dem Raum und den Bauteilen in ihrer näheren oder weiteren Umgebung mit ∆L R = 10–30 dB in Gl. 2.1 bei tiefen Frequenzen sehr dramatisch ausfallen.

In Abb. 2.2 ist z. B. die Pegelverteilung in einer Ebene 1,3 m über dem Boden für die 1,1,0-Mode bei 55 Hz dargestellt mit einer maximalen Differenz von fast 40 dB zwischen der Mitte und den vier Kanten des fensterlosen Raumes, der durch sorgfältige Entdröhnung der inneren Schale seiner Schalldämmtür rundum schallhart gemacht wurde. Wenn man seine unvermeidbare Wandabsorption bei jeder einzelnen Mode n, z. B. als Halbwertsbreite δ n = 2 ∙ π ∙ ∆f n (Kurtze et al. 1975, dort S. 65) aus ihrer Nachklingzeit (für 60 dB) T n in s (Cremer et al. 1976, dort Kap. 9), als

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Abb. 2.2

Pegelverteilung der Mode (1,1,0) bei f = 55 Hz, 1,3 m über dem Boden des in Abb. 2.1 dargestellten schwach bedämpften Raums

$$ {{\delta }_{n}}=\frac{6{,}9}{{{T}_{n}}} $$

(2.3)

(z. B. aus Messungen wie von Zha et al. 1996 beschrieben) in der Rechnung berücksichtigt, lässt sich das Schallfeld in diesem Referenzraum für zahlreiche Untersuchungen bei sehr tiefen Frequenzen in guter Übereinstimmung mit Messungen bestimmen. Die Abb. 2.3 veranschaulicht durch Schwärzung die dreidimensionale Pegelverteilung der Moden (1,0,0), (1,1,0), (1,1,1) in einem Rechteckraum. Aber jeder schallhart belassene Raum, auch völlig unsymmetrische Schallkapseln für laute Maschinen, Fahrgasträume von Kraftfahrzeugen, Studios für die Aufnahme und Bearbeitung von Audioproduktionen und Hallräume zum Messen des Absorptionsgrads von Bauteilen sowie der Leistung von Schallquellen, ja sogar Freifeldräume zeigen bei tiefen Frequenzen ein ganz ähnliches Verhalten (Zha et al. 2009): Der Raum dröhnt (im Englischen spricht man sehr bildhaft und treffend von „booming modes "); alle darin wirksamen Quellen werden selektiv verstärkt bzw. in Klangentfaltung und Abstrahlverhalten stark beeinflusst. Einfache Lautsprecher, die gemäß Gl.  im Freifeld z. B. bei 63 Hz mit ihrer Membran dynamisch gegen eine Luftmasse von etwa 1 kg ∙ m−2 arbeiten, können natürlich ebenfalls nicht mehr linear abstrahlen. Dass dieses physikalische Phänomen nicht nur in rechtwinkligen, sondern genauso in Räumen mit schräg zueinanderstehenden Reflexionsflächen auftritt, zeigen Rechenergebnisse in Abb. 2.4. Reproduzierbare Normmessungen sind unter diesen Umständen nur mit besonderen Vorkehrungen möglich, die von Zha et al. (1996) und Fuchs et al. (1998) eingehender diskutiert werden.

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Abb. 2.3

Dreidimensionale Darstellung der niedrigsten axialen (1,0,0), lateralen (1,1,0) und obliquen (1,1,1) Moden in einem Rechteckraum

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Abb. 2.4

Die Modenstruktur in zweidimensionalen Schallfeldern zwischen rechtwinkligen (a) und nicht rechtwinkligen Reflexionsflächen (b) berechnet für 81 bzw. 86 Hz. Dünn Linien gleichen Schallpegels, dick Nulldurchgänge der stehenden Wellen. (Nach van Nieuwland et al. 1979)

Bei höheren Frequenzen treten die Resonanzen immer dichter zusammen und verursachen immer geringere Pegelspitzen, wie man in Abb. 2.1 andeutungsweise erkennen kann. Für einen Quaderraum mit l x > l y > l z bzw. einen Würfel ergibt sich die tiefste Resonanz bei

$$ {{f}_{1}}=\frac{{{c}_{0}}}{{{2\,l}_{x}}}\quad \text{bzw.} \quad {{f}_{1}}=\frac{{{c}_{0}}}{2\,\sqrt[3]{V}}. $$

(2.4)

Unterhalb dieser unteren Grenzfrequenz verhält sich der Raum zunehmend wie eine als Ganzes und gleichphasig anregbare Druckkammer . Oberhalb f 1 dominieren die Modalfelder . Zwischen zwei Resonanzen nach Gl. 2.1 lässt sich der Raum hier, auch mit einem Sinus-Ton, praktisch nicht anregen, z. B. mit einem Kontrabass auch kaum bespielen.

Ab einer nicht so eindeutig bestimmbaren höheren Frequenz, die nach M. R. Schröder benannt ist,

$$ {{f}_{\text{S}}}\ >\ (1200-4000)\ \sqrt{\frac{T}{V}} $$

(2.5)

(der höhere Zahlenwert nach Schröder (1954), der niedrigere nach Vorländer (2008), dort Gl. 4.13), und ein mittlerer von 2000 z. B. nach Schröder (1996) und Kuttruff et al. (2004, dort Gl. 11.3) mit dem Volumen V in m³ und der Nachhallzeit T in s des Raums, rücken die Resonanzen so eng zusammen, dass z. B. innerhalb einer Terz bereits genügend enthalten sind und deshalb, auch bei geringer Dämpfung, das Schallfeld wenigstens für die genormten raum- und bauakustischen Messungen als gleichförmig (diffus) anzusehen ist. Nach Fazenda et al. (2008) liegt dieser Übergang von der Wellen- zur statistischen Raumakustik für Anforderungen in kleineren Studios allerdings bei deutlich noch höheren Frequenzen. Von Bies et al. (1996) wird die Zunahme der Eigenfrequenzen  N zwischen 0 und f nach

$$ N=\frac{4\pi }{3\,c_{0}^{3}}{{f}^{3}}V+\frac{\pi }{4\,c_{0}^{2}}{{f}^{2}}S+\frac{1}{{{8\,c}_{0}}}f\,L $$

(2.6)

mit dem Volumen V = l x ∙ l y ∙ l z in m³, der Fläche S = 2 ∙ (l x ∙ l y + l x ∙ l z + l y ∙ l z) in m² und der Kantenlänge L = 4 ∙ (l x + l y + l z) in m eines Quaderraums angegeben. Für Messungen mit relativ konstanter Bandbreite ∆f / f m kann man die Eigenfrequenzdichte ∆N (bezogen auf die jeweilige Bandbreite ∆f) abhängig von der Bandmittenfrequenz f m in Hz abschätzen nach

$$ \Updelta N={{C}_{3}}\,{{\left( \frac{{{f}_{\text{m}}}}{{{c}_{0}}} \right)}^{3}}V+{{C}_{2}}{{\left( \frac{{{f}_{\text{m}}}}{{{c}_{0}}} \right)}^{2}}S+{{C}_{1}}\frac{{{f}_{\text{m}}}}{{{c}_{0}}}L $$

(2.7)

mit den in Tab. 2.1 für verschiedene Bandbreiten angegebenen Konstanten. Für den Referenzraum zeigt Abb. 2.5 die in Abhängigkeit von der Frequenz zu erwartende Modendichte . Terzmessungen genügen den meisten Anforderungen der Raum- und Bauakustik. Oktavmessungen sind dagegen, insbesondere bei tiefen Frequenzen, meistens unzureichend. Im Vergleich dazu erfüllen Ein-Zwölftel-Oktav-Messungen auch höhere Anforderungen im Bereich des technischen Schallschutzes. Näherungsweise gilt Gl. 2.7 auch für von der Quaderform abweichende Räume, wenn auch nicht für ausgesprochene Flachräume.

Tab. 2.1

Konstanten zur Berechnung der Eigenfrequenz en eines Raums innerhalb einer vorgegebenen Bandbreite nach Gl. 2.7

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Abb. 2.5

Eigenfrequenzdichte ∆N nach Gl. 2.7 und Tab. 2.1 für den Quaderraum gemäß Abb. 2.1 bei Messungen in Oktaven (○), Terzen (□) oder mit Halbtönen (Ein-Zwölftel-Oktaven)

Eine zweite Grenzfrequenz , oberhalb der in schwach bedämpften Räumen ein Diffusfeld angenommen werden darf, wird nach Cremer et al. (1978) und Morse et al. (1968) bzw. DIN 52 212-1961 etwas unterschiedlich angegeben:

$$ {{f}_{\text{s}}}=\frac{{{3\,c}_{0}}}{\sqrt[3]{V}}\quad \text{bzw.}\quad {{f}_{\text{s}}}=\frac{{{2\,c}_{0}}}{\sqrt[3]{V}}. $$

(2.8)

Diese Unsicherheit ist in der vereinfachten Darstellung von Abb. 2.6 durch den Graubereich angedeutet. Für die Quaderräume, auf die sich die gängigen bauakustischen Prüfungen im Labor fast ausnahmslos beziehen, ist selbst die erstgenannte Grenzfrequenz noch als optimistisch einzustufen. Erfahrene Messtechniker trauen ihren Messungen in einem 400 m³ großen Hallraum oft bereits ab 250 Hz abwärts nicht mehr so recht. In Annex D von ISO 3741-1999 wird entsprechend der durchgezogenen Kurve in Abb. 2.6 eine kritische Grenze schon bei 2000/V ¹/³ gezogen.

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Abb. 2.6

Frequenzbereiche für ein vorwiegend modales bzw. diffuses Schallfeld in einem halligen Raum in Abhängigkeit vom Volumen; Übergangsbereich gemäß Gl. 2.8, gemäß ISO 3741- 1999 (___), erste Eigenresonanz des Raums gemäß Gl. 2.2 (---)

Eine Unterdrückung der in vieler Hinsicht störenden Raummoden, z. B. mit aus dem Studiobereich bekannten Bassfallen (s. z. B. Everest 1994, dort Fig. 19-4), würde viel Volumen beanspruchen. Von Cummings (1992) stammt die Idee, mit einer Anordnung kompakter Resonatoren aus dem Modalfeld gezielt Schallenergie „abzusaugen". Ihre Wirkung bestünde in einem zweiten Modalfeld in Antiphase zum ersten. Was man mit diesem aktiven Ansatz praktisch erreichen kann, wird in Abschn. 8.3 nach Zimmermann (2003) angesprochen. Was man für ausgedehnte flächige Absorber z. B. in Freifeldräumen, die hier ebenfalls u. a. die Modenanteile ganz unterschiedlich angeregter Schallfelder absorbieren müssen, hat sich eine ortsabhängige Wellenfeldberechnung mit einem Spiegelquellenmodell nach Zha et al. (2009) bewährt (s. Abschn. 15.​3.​2). Wie man schließlich mit passiven Kantenabsorbern die Raummoden sehr wirksam bändigen kann, wird in Abschn. 10.​3 und Kap. 14 diskutiert.

Bei der Entwicklung spezieller Breitbandabsorber und zum Vergleich der Wirksamkeit ihrer verschiedenen Bauformen hat sich ein Messverfahren nach Zha et al. (1996) im Quaderraum für den Bereich (a) sehr geringer Eigenfrequenzdichte (∆N < 5 pro Terz) gut bewährt. Dazu bestimmt man, ähnlich wie in einer Hallkammer (Cremer et al. 1976, dort S. 258), die bereits zur Bestimmung der Modendämpfung in Gl. 2.3 eingeführte Nachklingzeit an sorgfältig der Modenstruktur angepassten Messpunkten (Abb. 2.7) mit Sinusanregung einmal ohne (T n ,0) und zum anderen mit (T n , m in s) dem Prüfling in den Ecken und Kanten des Raums. Man kann dann, in Analogie zum Hallraumverfahren (Abschn. 15.​1.​2), mit der Fläche des Absorbers S A in m² einen effektiven Absorptionsgrad

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Abb. 2.7

Schematische Darstellung von Sender (LS) und Empfängern 1–8 im 5 × 4 × 3 m großen T-Labor zur Untersuchung von Schallabsorbern bei tiefen Frequenzen. (Nach Zha et al. 1996)

$$ {{\alpha }_{\text{e}}}=0{,}16\,\frac{V}{{{S}_{\text{A}}}}\,\left( \frac{1}{{{T}_{n,m}}}-\frac{1}{{{T}_{n,0}}} \right) $$

(2.9)

ermitteln. Die Nachklingzeiten könnten im Prinzip in der dem Lautsprecher diagonal gegenüberliegenden Ecke bei der jeweiligen Eigenfrequenz des Raums bestimmt werden. Da aber in den Raumecken der Schalldruck für alle Moden ein Maximum aufweist, können sich beim Abklingen zwei sehr eng benachbarte Moden gegenseitig stören. In einem solchen Fall sollte die Position des Mikrofons im Raum so gewählt werden, dass an dieser Stelle die zu messende Eigenmode gerade ein Maximum und die eng benachbarte gerade ein Minimum aufweisen (Oelmann et al. 1986), wie es in Abb. 2.7 beispielsweise für die dritte und vierte (Position 2 und 3) sowie für die fünfte und sechste Mode (Position 4 und 5) dargestellt ist. Für den Bereich (b, 5 < ∆N < 20 pro Terz) kann aber zeitsparend mit Terzrauschen aus einer Ecke heraus angeregt und in anderen Ecken das Abklingen (T n) aller Eigenfrequenzen des jeweiligen Frequenzbands gemessen werden. Erst für den Bereich (c, ∆N > 20 pro Terz) kann man schließlich die Absorptionsgrad (α s)-Messung nach DIN EN ISO 354 2003 durchführen. Dabei hat sich in zahlreichen Untersuchungen bestätigt, dass eine gewisse Grunddämpfung des Hallraums in mindestens zwei seiner unteren Ecken die Wiederholgenauigkeit und Reproduzierbarkeit in anderen Räumen für Frequenzen mindestens bis 200 Hz hinauf deutlich verbessert (s. Abschn. 15.​1; Fuchs et al. 1998, 2000).

Man muss sich aber grundsätzlich klar darüber sein, dass aus physikalisch erklärbaren Gründen

Absorptionsgrade auch Werte weit über 1 annehmen können;

Absorptionsgrade nicht nur eine Eigenschaft des jeweiligen Bauteils selbst sind, sondern aufgrund von Wechselwirkungen mit dem Schallfeld auch vom Messraum abhängen;

der Absorber unterschiedlich wirksam werden kann, je nachdem, wo der Prüfling im Raum mit dem Volumen V in m³ positioniert wird;

die Wirksamkeit des Absorbers auch von der Größe (SA) des Absorbers abhängen kann;

die gemessenen Werte für Tn,m(f) und αe(f) von den jeweiligen Ausgangswerten Tn,0(f) abhängen können;

aus den Messergebnissen nicht ohne weiteres auf andere Einbausituationen und dort zu erwartende Nachhallzeiten oder Schallpegel geschlossen werden kann (Fuchs 2015).

In diesem für die Raumakustik wie für die Lärmbekämpfung so wichtigen Frequenzbereich, wo Absorber mit dem Schallfeld unvermeidbar reagieren, stellt ihr wie auch immer gemessener Absorptionsgrad eine nur mit entsprechender Erfahrung nutzbare Kennzeichnung dar. Wie bei vielen, auch international genormten Messvorschriften geht es hier weniger um absolute Kennwerte, sondern um einen Vergleichsmaßstab für unterschiedliche Bauteile unter möglichst gut reproduzierbaren Bedingungen. Noch mehr als bei den eigentlich nur für höhere Frequenzen entwickelten Normverfahren, gilt für die tieferen Frequenzen, dass man Produktvergleiche nur bei sehr engen Vorgaben hinsichtlich der Prüfräume und der Anordnung des Prüflings darin sinnvoll anstellen kann. Bei sehr breitbandig wirksamen Absorbern erhält man nur nach den Verfahren (a) und (b) überhaupt genügend hohe und sichere α e-Werte, um trotz der Selektivität der Messungen zu einem repräsentativen Absorptionsspektrum zu kommen (s. Abschn. 5.​3).

Der Raumeinfluss ist auch besonders stark, wenn eine Quelle den Raum nicht aus seiner Mitte, sondern aus einer Ecke heraus anregt. Das kann man sehr anschaulich demonstrieren, indem man in einem dröhnigen Raum, z. B. einem Treppenhaus, eine Ansprache aus einer Kante heraus versucht. Da sich die Raumresonanzen entsprechend Gl. 2.2 immer auf die jeweiligen Raumabmessungen l x, l y, l z einstellen und jede verfügbare Begrenzungsfläche nur einmal absorbierend belegt werden kann, mussten geeignete Schallabsorber möglichst raumsparend, aber sehr breitbandig wirksam, neu entwickelt werden. Da sich die Schallenergie, wie in Abb. 2.2 und 2.3 nur beispielhaft dargestellt, bei tiefen Frequenzen immer ungleich im Raum verteilen will, wäre es unzweckmäßig, die Absorber räumlich oder flächig, etwa entsprechend den in den Normen für Freifeldräume formulierten Anforderungen, möglichst gleichmäßig zu verteilen. Stattdessen ist es sinnvoll, die für einen breiten Frequenzbereich zu optimierenden Absorber bevorzugt in den Raumecken und -kanten konzentriert anzubringen. Von dort aus lassen sich alle Raummoden mit größtmöglichem Wirkungsgrad, d. h. maximalem effektiven Absorptionsgrad, dämpfen. Mit einigen innovativen Bauteilen kann man das jeweilige Ziel, die

Optimierung der Hörsamkeit bzw. Minimierung der Geräuschentwicklung im Raum (ausgehend von nützlichen oder störenden Quellen innerhalb oder außerhalb; s. Kap. 12 bzw. 14),

Schaffung eines möglichst homogenen Schallfelds in akustischen Messräumen für die Bestimmung der Schallleistung oder der Schallabsorption (in sog. Hallräumen) sowie der Schalldämmung (in diversen Bauteilprüfständen; s. Abschn. 15.​1),

Eliminierung der schädlichen Reflexionen zur ungestörten Untersuchung der Schallfelder in allen Details von beliebigen, u. a. auch sehr tieffrequent abstrahlenden Quellen (in sog. Freifeldräumen; s. Kap. 16),

in Zukunft etwas besser als mit herkömmlichen Mitteln erreichen. Hier stoßen die allgemein bekannten Schallabsorber bei tiefen Frequenzen an ihre Grenzen. Deshalb sollen im Folgenden nach einer Darstellung ihrer verschiedenen Anwendungsbereiche (Kap. 3) zunächst in Kap. 4–10 die Grundlagen und einige Bauformen passiver, reaktiver und aktiver Absorber nach dem aktuellen Stand der Technik beschrieben werden. In den Kap. 11 und 12 geht es dann ganz bewusst um die Anwendung neuer, teilweise noch umstrittener Konzepte und Bauteile für eine fortschrittliche Raumakustik in großen und in Kap. 13 und 14 in kleinen Räumen. Die tiefen Frequenzen stehen natürlich auch in der Behandlung etlicher innovativer Schalldämpfer (Kap. 17 und 18) immer im Vordergrund.

Schlussfolgerungen

Die Schallausbreitung im Freien oder in sehr langen Kanälen erfolgt über fortschreitende Wellen. In zumindest teilweise geschlossenen Räumen oder endlichen Strömungskanälen bilden sich durch Reflexionen an Begrenzungsflächen oder Querschnittssprüngen unvermeidlich stehende Wellen als Moden oder Resonanzen. Nur bei Wellenlängen, die gemäß Abb. 1.​3 sehr klein gegenüber allen räumlichen Abmessungen sind, kann man für Phänomene der Schallübertragung (im positiven wie im negativen Sinn) vereinfachend auch statistische Akustik betreiben. Diese rechnet z. B. mit Bewegungen von Schallteilchen als bloße Energieüberträger und sieht Welleninterferenzen nicht als besonders zu behandelnde Phänomene.

Die Schwierigkeiten und Defizite bei der Lärmbekämpfung und der akustischen Raumgestaltung eskalieren aber regelmäßig bei den tiefen Frequenzen, besonders natürlich wenn Abmessungen in die Größenordnung der Wellenlänge gelangen. Die weitgehend bekannten Probleme werden allerdings durch die allgemein übliche A-Bewertung von Schallpegeln und die insbesondere in der Bau- und Raumakustik übliche Beschränkung auf diverse Einzahlparameter, die jeweils nur die mittleren Frequenzanteile (zwischen etwa 500 und 2000 Hz) stark bewerten, verschleiert. In manchen Normen, wie z. B. auch der kürzlich erschienenen DIN 18041-2016 wird leider versucht, die Anforderungen an die Nachhallzeit bei 250 Hz um 20, bei 125 Hz um 45 und bei 63 Hz sogar um 70 % gegenüber der bei 500 und 1000 Hz empfohlenen abzuschwächen. Das Problem beim baulichen Schallschutz wird oft noch dadurch verschärft, dass zweischalige Bauteile eingebaut werden, die ihre exzellente Schalldämmung bei hohen durch einen fast ungehinderten Schalldurchgang bei tiefen Frequenzen erkaufen. Als unausweichliche Konsequenz daraus entsteht gerade in neuen oder modernisierten Räumen durch von außen oder durch Kanäle eindringende Geräusche und beim Kommunizieren oder Musizieren der Nutzer selbst ein vom Dröhnen der Raummoden verdorbenes Schallfeld, in dem die Verständlichkeit von Sprache und die Klarheit von Musik gleichermaßen leiden.

Schräggestellte Wände, konventionelle poröse oder faserige Materialien z. B. in Kulissenschalldämpfern, an Begrenzungsflächen sowie als Schallschirme oder -segel können das Problem lindern, aber nicht wirklich lösen. Um hier nachhaltig Abhilfe zu schaffen, ist die Entwicklung neuer Konzepte, Werkzeuge, Materialien und Bauteile gefragt, die eine genügend breitbandige Absorption ermöglichen. Diese Herausforderung zieht sich wie ein roter Faden durch alle folgenden Kapitel.

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Literatur

Bies DA, Hansen CH (1996) Engineering noise control. E & FN Spon, London

Cremer L, Müller HA (1976) Die wissenschaftlichen Grundlagen der Raumakustik, Bd. II. Hirzel, StuttgartzbMATH

Cremer L, Müller HA (1978) Die wissenschaftlichen Grundlagen der Raumakustik, Bd. I. Hirzel, StuttgartzbMATH

Cummings A (1992) The effects of a resonator array on the sound field in a cavity. J. Sound Vib. 154(1):25–44MathSciNetCrossref

DIN 18041 (2016) Hörsamkeit in Räumen – Anforderungen, Empfehlungen und Hinweise für die Planung

DIN 45 635 (1984): Geräuschmessung an Maschinen. Teil 1: Luftschallemission, Hüllflächen-Verfahren. Rahmenverfahren für 3 Genauigkeitsklassen

DIN 52 212 (1961) Bestimmung des Absorptionsgrades im Hallraum

DIN EN ISO 354 (2003) Acoustics – Measurement of sound absorption in a reverberation room

Everest FA (1994) The master handbook of acoustics. McGraw-Hill, New York

Fazenda B, Wankling M (2008) Optimal modal spacing and density for critical listening. AES 125th Convention, San Francisco

Fuchs HV (2015) Schallschutz durch Raumakustik. Breitbandige Absorption auf engstem Raum. Lärmbekämpfung 10(2):91–96

Fuchs HV, Zha X (2007) Zur Lösung akustischer Probleme bei tiefen Frequenzen. Lärmbekämpfung 2(3):108–113

Fuchs HV, Späh M, Pommerer M, Schneider W, Roller M (1998 ) Akustische Gestaltung kleiner Räume bei tiefen Frequenzen. Bauphysik 20(6):181–190

Fuchs HV, Zha X, Pommerer M (2000) Qualifying freefield and reverberation rooms for frequencies below 100 Hz. Applied Acoustics 59(4):303–322Crossref

ISO 37 41 (1999) Acoustics – Determination of sound power levels of noise sources using sound pressure – Precision methods for reverberation rooms

Kurtze G, Schmidt H, Westphal W (1975) Physik und Technik der Lärmbekämpfung. G. Braun, Karlsruhe

Kuttruff H, Mommertz E (2004) Raumakustik. In: Heckl M, Müller HA (Hrsg) Taschenbuch der Technischen Akustik, Kap. 11. Springer, Berlin

Morse PM, Ingard KU (1968) Theoretical Acoustics. McGraw-Hill, New York

Oelmann J, Zha X (1986) Zur Messung von „Nachhallzeiten" bei geringer Eigenmodendichte. Rundfunktechn. Mitt. 30(6):257–268

Schröder M (1954) Die statistischen Parameter der Frequenzkurven von großen Räumen. Acustica 4:594–600

Schröder MR (1996) The ‚Schröder frequency‘ revisited. J. Acoust. Soc. Am. 99:3240–41Crossref

van Nieuwland JM, Weber C (1979) Eigenmodes in nonrectangular reverberation rooms. Noise Control Engin. 13(3):112–121Crossref

Vorländer M (2008) Auralization. Springer, Berlin

Zha X, Fuchs HV (2009) Schallfeldsimulation mit Spiegelquellen – Eine Planungshilfe für reflexionsarme Räume. Bauphysik 31(4):208–215Crossref

Zha X, Fuchs HV, Späh M (1996) Messung des effektiven Absorptionsgrades in kleinen Räumen. Rundfunktechn. Mitt. 40(3):77–83

Zimmermann S (2003) Control performance of active absorbers in enclosed harmonic sound fields. Dissertation, TU Berlin

© Springer-Verlag GmbH Deutschland 2017

H. V. FuchsRaum-Akustik und Lärm-MinderungVDI-Buchhttps://doi.org/10.1007/978-3-662-53163-1_3

3. Grundlagen für den Lärmschutz und die raumakustische Gestaltung

Helmut V. Fuchs¹  

(1)

Berlin-Schlachtensee, Deutschland

Neben der Lenkung, Streuung und Dämmung (Unterbindung der Ausbreitung) von Luftschallwellen steht die Dämpfung (Umwandlung ihrer Energie in Wärme) meist im Zentrum aller Maßnahmen zur Lärmbekämpfung und Raumakustik. Trifft eine Welle mit der Schallleistung P i, dem Schalldruck p i, der Schallschnelle v i und Frequenz f auf ein gegenüber ihrer Wellenlänge λ großes Hindernis (Abb. 3.1), so wird sie teilweise reflektiert (P r; u. U. auch gebeugt und gestreut), durchgelassen (P t), als Körperschall fortgeleitet (P f), aber auch absorbiert (P a) mit

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Abb. 3.1

Der Weg der Leistung einer Schallwelle, die auf ein absorbierendes Hindernis trifft

$$ {{P}_{\mathrm{i}}}={{P}_{\mathrm{r}}}+{{P}_{\mathrm{t}}}+{{P}_{\mathrm{f}}}+{{P}_{\mathrm{a}}}. $$

(3.1)

Handelt es sich bei dem Hindernis z. B. um eine Wand (oder Decke), deren flächenbezogene Masse $$ m^{\prime\prime}_{\mathrm{W}}$$ groß gegenüber der in der auftreffenden Welle mitbewegten flächenbezogenen Luftmasse $$ m^{\prime\prime}_{\mathrm{A}}$$ ist,

$$ m^{\prime\prime}_{\mathrm{W}} \gg m^{\prime\prime}_{\mathrm{A}}=\frac{1}{2\pi f}\frac{{{p}_{\mathrm{i}}}}{{{v}_{\mathrm{i}}}}=\frac{1}{2\pi f}{{Z}_{0}}=\frac{{{\rho }_{0}}\lambda }{2\pi }, $$

(3.2)

mit dem Wellenwiderstand

$$ {{Z}_{0}}={{\rho }_{0}}\,{{c}_{0}}=408\,\mathrm{Pa}\,\mathrm{s}\,{{\mathrm{m}}^{-1}}\quad (\text{bei}\,20\,^\circ \mathrm{C} \, \text{und} \, {{10}^{5}}\,\mathrm{Pa}), $$

(3.3)

der Dichte ρ 0 = 1,21 kg/m³ und Schallgeschwindigkeit c 0 = 344 m/s der Luft, so wird nur ein kleiner Teil der Schallleistung durchgelassen oder fortgeleitet. Der größte Teil wird zur Quelle oder in den Raum zurückgeworfen, es sei denn, dass vor, an oder auch in der Wand ein absorbierendes Material oder Bauteil eingebaut wurde, das einen wesentlichen Teil von P i unmittelbar nach dem Auftreffen „schluckt", d. h. in Wärme umwandelt.

Will man einen solchen Schallabsorber quantifizieren, so kann man hinsichtlich seiner Wirksamkeit für die Sendeseite P t und P f zu P a gegebenenfalls hinzurechnen:

$$ \alpha =\frac{{{P}_{\mathrm{a}}}+{{P}_{\mathrm{t}}}+{{P}_{\mathrm{f}}}}{{{P}_{\mathrm{i}}}}=\frac{{{P}_{\mathrm{i}}}-{{P}_{\mathrm{r}}}}{{{P}_{\mathrm{i}}}}=1-\rho . $$

(3.4)

Der Absorptionsgrad  α kann also, ebenso wie der Reflexionsgrad  ρ, Werte zwischen nahe 0 und nahe 1 annehmen. Letzterer lässt sich auch durch das Verhältnis der Amplituden des Schalldrucks der reflektierten (p r) und der auftreffenden Welle, den im Allgemeinen komplexen Reflexionsfaktor  r, ausdrücken:

$$ \rho =\frac{{{P}_{\mathrm{r}}}}{{{P}_{\mathrm{i}}}}=\frac{{{p}_{\mathrm{r}}}^{2}}{{{p}_{\mathrm{i}}}^{2}}={{r}^{2}}=1-\alpha . $$

(3.5)

Nach Cremer et al. (1976, dort Kap. 3) kann man r aus der ebenfalls komplexen Wandimpedanz  W ableiten, die den Wandaufbau akustisch vollständig beschreibt. Für senkrechten Schalleinfall gilt mit Druck und Schnelle p W und v W:

$$ W=\frac{{{p}_{\mathrm{W}}}}{{{v}_{\mathrm{W}}}}=W^{\prime}+jW^{\prime\prime}; $$

(3.6)

$$ r=\frac{W-{{\rho }_{0}}\,{{c}_{0}}}{W+{{\rho }_{0}}\,{{c}_{0}}}\quad ;\quad \alpha =\frac{4\,W^{\prime}\,{{\rho }_{0}}\,{{c}_{0}}}{{{(W^{\prime}+{{\rho }_{0}}\,{{c}_{0}})}^{2}}+W^{\prime}{{^{\prime}}^{2}}}. $$

(3.7)

Man bezeichnet Gl. 3.7 auch als Anpassungsgesetz : Die Absorption wird am größten, wenn der Imaginärteil der Impedanz verschwindet. Sie erreicht den Maximalwert 1 aber nur, wenn der Realteil der Impedanz gerade ρ 0 ∙ c 0 entspricht. Bei jeder Fehlanpassung überlagern sich vor der Wand bei einer bestimmten Frequenz auftreffende und reflektierte zu einer stehenden Welle , in der die Pegeldifferenz

$$ \Updelta L={{L}_{\max }}-{{L}_{\min }} $$

(3.8)

ein Maß für den Absorptionsgrad darstellt (Tab. 3.1; Tennhardt 1984). Die Extremwerte für α ergeben sich zum einen bei besonders hart und glatt verputztem oder gefliestem Mauerwerk (α ≅ 0,01) und zum anderen bei einer besonders ausgestatteten Wandauskleidung reflexionsarmer Räume (α ≅ 0,99). Die meisten im Bau vorkommenden schallabsorbierenden Materialien und Bauteile mit der Fläche S i summieren sich mit α i-Werten zwischen 0,2 und 0,6 bis über 0,8, wie sie aus Schluckgrad-Tabellen zu entnehmen sind (z. B. Fasold et al. 2003, Tab. 4.3; Fasold et al. 1987; Kuttruff 1994; Hohmann 2014), zur äquivalenten Absorptionsfläche A S des Raums. Leider werden nur in der ältesten zitierten Quelle (Fasold et al. 1987, dort in Tafelanhang 7) für 43 verschiedene Absorberbauteile Spektren α(f) bis 63 Hz herunter angegeben. Daneben tragen auch Möbel, Einrichtungsgegenstände und Akustikmodule , die als Einzelelemente von der Decke abgehängt und im Abstand vor einer Wand montiert werden oder auf dem Boden stehen, sowie anwesende Personen mit A j zur resultierenden Absorptionsfläche des Raums bei:

Tab. 3.1

Pegeldifferenz ∆L in dB in einer ebenen stehenden Welle vor einem mehr oder weniger absorbierenden ebenen Hindernis und zugehöriger Absorptionsgrad α sowie Betrag des Reflexionsfaktor s $$ |r|$$

$$ {{A}_{\mathrm{S}}}=\sum\limits_{i}{{{\alpha }_{i}}\,{{S}_{i}}}\quad ;\quad {{A}_{\mathrm{E}}}=\sum\limits_{j}{{{A}_{j}}}. $$

(3.9)

Man kann mindestens elf Anwendungsbereiche (Abschn. 3.1–3.11) definieren, in denen die Schallabsorption von zentraler praktischer Bedeutung ist.

3.1 Verhinderung schädlicher Reflexionen

Vor schwach absorbierenden Begrenzungsflächen (α < 0,2) ist das Schallfeld gemäß Gl. 3.8 und Tab. 3.1 stark ortsabhängig, erschwert die Ortung von Schallquellen und beeinträchtigt die Klarheit von Musik sowie die Verständlichkeit von Sprache. Dies stört nicht nur die Arbeit von Musikern oder Tonmeistern (vor einer Wand oder einem Regiefenster ), sondern auch von Dienstleistern in einem Großraumbüro vor einer Glasfassade. Auch in größerer Entfernung zwischen Quelle und insbesondere konkav gekrümmten Reflektoren (r > 0,9), z. B. der Rückwand eines Zuschauersaals, werden von der Bühne Echos sehr störend wahrgenommen. Elektroakustische Anlagen können durch Rückwürfe von reflektierenden Halbkugeln oder Zylindern völlig aus ihrer Funktion geraten, wie 1992 der spektakuläre Vorfall bei der Inbetriebnahme des Plenarsaals im Bundestag zu Bonn exemplarisch demonstriert hat (s. Abschn. 12.​7). In solchen Fällen hilft neben der Veränderung der architektonischen Struktur (z. B. Schrägstellung von Fenstern oder Wänden) und Anbringung vorgesetzter oder abgehängter Reflektoren eben nur Auslöschung der schädlichen Reflexion durch gezielte Absorption .

Insbesondere in reflexionsarm ausgekleideten Messräumen können auch kleinste reflektierende Flächen, z. B. als Schalttafeln oder Leuchten, die Messung stark verfälschen. Da eine Schrägstellung der Fläche, so dass sie die auftreffenden Schallwellen nicht zum Messort, sondern in die hoch absorbierenden Auskleidungen lenkt, oft nicht möglich ist, hilft auch hier nur die Auslöschung der schädlichen Reflexion durch Absorption. Ein besonderes Problem stellen immer wieder die Bodenreflexionen in sog. Halbfreifeldräumen dar (s. Abschn. 15.​3.​7 und 16.​9.​6).

3.2 Raumakustische Gestaltung

Wenn dagegen in einem Theater oder einer Kirche mit großem Volumen V in m³ die Nachhallzeit T in s

$$ T=0{,}16\, \frac{\mathrm{V}}{\mathrm{A}} $$

(3.10)

wegen zu geringer resultierender Absorptionsfläche  A in m²,

$$ A=\ {{A}_{\mathrm{S}}}\ +\ {{A}_{\mathrm{E}}}\ +\ {{A}_{\mathrm{P}}}\ +\ 4\,\mathrm{Vm} $$

(3.11)

zu groß ist, so leidet die Sprachverständlichkeit . Da die Absorption durch Einrichtung (A E) und Publikum (A P) weitgehend vorgegeben wird, muss sich der Raumakustiker um geeignete Flächen (S i in Gl. 3.9) für seine Zwecke bemühen. Nicht selten kranken Konzertsäle und Opernhäuser allerdings an zu viel Dämpfung bei den hohen Frequenzen als Folge des heute meistens weich gepolsterten Gestühls sowie des Publikums. Weil auch die Dämpfung auf dem Weg der Schallwellen zwischen zwei Reflexionen (m) zu tiefen Frequenzen hin stark abnimmt (Tab. 3.2), liegt der Hauptbedarf für große (wie für kleine Räume, s. Kap. 2) v. a. bei Absorption für tiefe, viel seltener auch für hohe Frequenzen. Beim Einsatz konventioneller Absorber und Diffusoren besteht daher, gewollt oder ungewollt, die Tendenz, bei hohen Frequenzen etwas mehr zu dämpfen, als es dem Raumklang gut tut. Weil dabei die Frequenzen unter 250 oder 125 Hz oft ganz außer Acht gelassen werden, ist nicht selten eine dumpfe oder „mulmige" Raumakustik die Folge (s. Abschn. 11.​6). Das Problem der auf den jeweiligen Bedarf abgestimmten Schallabsorber , die einen leider oft anzutreffenden starken Anstieg der Nachhallzeit zu tiefen Frequenzen verhindern, bleibt vielleicht nur deshalb meistens undiskutiert, weil man auch unter Experten die tiefen Frequenzen kaum misst und zur Bewertung heranzieht, wohl weil hier auch Vergleiche mit repräsentativen Sälen eher etwas mager ausfallen.

Tab. 3.2

Dämpfungskonstante  m in 10−3 /m bei der Schallausbreitung in Räumen (bei 20 °C und 50 % Luftfeuchte) und Absorptionskoeffizient α a in dB/km im Freien (bei 10 °C und 70 %) sowie akustische Grenzschichtdicke  δ in 10−6 m nach Abschn. 4.​2, Abb. 9.​3 bei 20 °C in Luft als Funktion der Frequenz in kHz

In Freifeldräumen muss dagegen die Absorption im gesamten interessierenden Frequenzbereich, in dem gemessen werden soll, ganz ausschließlich von der Auskleidung ihrer Begrenzungsflächen bewerkstelligt werden. Eine Nachhallzeit nach Gl. 3.11 macht unter diesen Umständen natürlich keinen Sinn. Die Raumrückwirkung auf die Quelle wird hier vielmehr aus der Abweichung vom Term −20 ∙ lg ∙ s in Gl.  durch Pegelabnahmemessungen z. B. nach ISO 3745‑2003 bestimmt (s. Abschn. 15.​3).

3.3 Pegelsenkung im Raum

Bei Schallquellen mit konstant angenommenem Schallleistungspegel L W lässt sich der mittlere Schalldruckpegel $$ \bar{L}$$ durch schallabsorbierende Einbauten und Verkleidungen senken:

$$ \bar{L}={{L}_{\mathrm{W}}}-10\,\lg A+6\,\mathrm{dB}. $$

(3.12)

Dabei ist es in diesem Fall natürlich wichtig, dass das Absorptionsspektrum A(f) in m² möglichst gut an das der jeweiligen Quelle(n) L W(f) angepasst wird. Innerhalb des Hallabstands nach Gl. 3.14 sind die raumakustischen Maßnahmen allerdings wirkungslos. Trotzdem betreffen die meisten Investitionen solche Maßnahmen, bei denen gemäß

$$ \Updelta \bar{L}\ = -10\,\lg \frac{{{A}_{2}}}{{{A}_{1}}} = -10 \lg \frac{{{T}_{1}}}{{{T}_{2}}} $$

(3.13)

eine Verdopplung von A nur eine Absenkung des Raumpegels um gerade einmal 3 dB bewirkt und z. B. Arbeitsplätze in der Nähe lauter Maschinen davon kaum profitieren.

Es sei an dieser Stelle aber ausdrücklich darauf hingewiesen, dass ein bei tiefen Frequenzen nicht richtig bedämpfter kleiner Raum sehr stark bei seinen niedrigsten Eigenresonanzen angeregt wird (s. Kap. 2) und dies auch durch Quellen, die in diesem Spektralbereich eigentlich nur einen verhältnismäßig geringen Energieanteil produzieren, wie z. B. die menschliche Stimme (s. Abschn. 11.​3.​2). Wenn es aber gelingt, die zehn Resonanzspitzen z. B. in einem 5 × 4 × 3 m großen Raum zwischen etwa 35 und 90 Hz (Abb. 2.​1) durch die Installation von einigen Verbundplattenresonatoren (VPR; Fuchs et al. 1996), wie in Abb. 3.2 dargestellt, abzubauen, so wird daraus deutlich, dass man mit den richtigen Absorbern in einem Raum auch einmal erheblich mehr als die in der Praxis der Lärmbekämpfung nach Gl. 3.12 und 3.13 in Werkhallen üblicherweise für erreichbar gehaltenen 3 bis 6 dB Pegelsenkung erzielt. Dieser Ansatz wird natürlich besonders attraktiv, wenn zumindest 2 gegenüber liegende Flächen schallhart und nur wenige Meter voneinander entfernt sind, z. B. Decke und Boden einer Fabrikhalle oder eines Großraumbüros.

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Abb. 3.2

Vergleich der Übertragungsfunktionen im Raum nach Abb. 2.​1 vor (dünn) und nach Einbau (fett) von sechs Verbundplattenresonatorenmodulen nach Abschn. 5.​3

Manchmal gelingt es durch entsprechend vorsorgliche Planung, besonders lärmintensive Maschinen bzw. Bearbeitungsprozesse in separate, meist sehr kleine Räume zu verbannen. Der Schallpegel in dieser Einhausung kann erheblich ansteigen, wenn man nicht für die notwendige Bedämpfung (A) gemäß Gl. 3.12 sorgt. Als Schallabsorber kommen in vielen Fällen nur sehr robuste Decken- und Wandverkleidungen infrage, z. B. der in Abschn. 4.​3 beschriebene offenporige, aus Altglas gewonnene Schaum. Wenn man die 4,5 × 4,3 × 2,9 m große, massiv gebaute Kabine einer Steinsäge zunächst nur an der Decke mit 19 m² Glasschaum, mit einer Dicke von nur 50 mm im Abstand von 50 mm von der Decke, einbringt, dann wird der Pegel im Raum bei Frequenzen zwischen 125 und 250 Hz um gut 6 dB abgesenkt. Offenbar können so die Raummoden bedämpft werden – stärker als man es durch die bloße Erhöhung der Absorptionsfläche durch diesen Mittenschlucker erwarten würde. Bringt man zusätzlich noch 40 m² derselben Absorber ohne Abstand an einem Großteil der Wände an, so wird eine Pegelsenkung von breitbandig um 8 dB von 160 Hz bis in den Kilohertzbereich hinein möglich (Abb. 3.3). Dabei sinkt die Nachhallzeit im Raum durch diese beiden Maßnahmen (Abb. 3.4).

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Abb. 3.3

Mittlere Pegelminderung in einem kleinen schallharten Raum durch Anbringung von 50 mm dickem Glasschaum in 50 mm Abstand von der Decke und zusätzliche Belegung von 80 % seiner Wandflächen mit demselben Absorber ohne Wandabstand

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Abb. 3.4

Nachhallzeit vor (dünne Kurve) und nach (fette Kurve) der Belegung des etwa 55 m³ großen Raums mit Schaumglas gemäß Abb. 3.3

3.4 Vermeidung des Lombard-Effekts

In Versammlungsarenen, Besprechungsräumen und Mehrpersonenbüros , Restaurants, Klassenzimmern, Kassenhallen usw., wo viele Menschen gleichzeitig ihre Stimme erheben, kann die Unterhaltung zu einer Tortur werden, wenn die Absorptionsfläche A gemäß Gl. 3.11 nicht groß genug oder in ihrem Spektrum nicht richtig an die Quellen angepasst ist. Dies kann man aus dem Hallabstand r H in m ablesen, der mit

$$ {{r}_{\mathrm{H}}}=0{,}14\sqrt{A\frac{\nu \,{{P}_{1}}}{{{P}_{\mathrm{ges}}}}} $$

(3.14)

den Abstand von der Quelle markiert, bei dem der Schallpegel des für die Verständigung besonders wertvollen Direktschallfelds gerade dem des aus Vielfachreflexionen sich ergebenden Diffusfelds entspricht. Man kann zwar die Bedingungen für einen einzelnen Redner (P 1), sich verständlich zu machen, dadurch etwas erhöhen, dass man ihn nicht inmitten des Raums frei sprechen lässt (ν = 1), sondern vor einer großen reflektierenden Wand (ν = 2), in einer Kante (ν = 4) oder gar in einer Ecke (ν = 8) des Raums aufstellt. Ähnliche Verbesserungen erreicht man bekanntlich mit Lautsprechern mit einem hohen Bündelungsmaß  ν, die auf bestimmte Raumbereiche, auf die es bei der Beschallung besonders ankommt, ausgerichtet werden (Cremer et al. 1978, dort Kap. 7).

Es scheint nach Gl. 3.14 zwar so, dass mit der Anzahl der sich gleichzeitig artikulierenden Personen (P ges) auch die von ihnen ja mitgebrachte Absorptionsfläche (A) gemäß Fasold et al. (1987, dort Tafelanhang 9) gleichzeitig proportional zunimmt. Die Erfahrung lehrt aber, dass man sein Gegenüber immer schlechter versteht, je mehr Personen sich z. B. zu einem Stehempfang versammeln und unterhalten wollen. Dies liegt daran, dass die Diskussionsteilnehmer Absorber leider nur für Frequenzen oberhalb etwa 250 Hz mitbringen. Wenn aber die tiefen Frequenzen unbedämpft bleiben und die Nachhallzeit hier stark ansteigt, füllt ein Dröhnen den Raum, das durch eine Art Maskierung die für die Verständigung so wichtigen höheren Frequenzanteile verdeckt. Dies wiederum führt dazu, dass alle Redner gemäß dem sog. Lombard-Effekt (Lazarus et al. 2007, Abschn. 5.​3) zum lauteren Sprechen neigen (∆L S und ∆L T in Gl. ), wodurch sich die Kommunikation weiter verschlechtert, s. Abschn. 13.​1.​4–13.​1.​6. Um diesem Problem zu begegnen, müssen, insbesondere in kleineren Räumen, spezielle Tiefenschlucker für Frequenzen mindestens bis 63 Hz, nach Möglichkeit bis 50 Hz herunter, zum Einsatz kommen, wie zahlreiche raumakustische Sanierungsmaßnahmen – oft zur Überraschung der Nutzer – nachgewiesen haben (s. Kap. 14; Fuchs et al. 2014).

3.5 Herstellung akustischer Transparenz

In kleinen bis mittelgroßen Räumen zum Ensemblemusizieren oder Musikunterrichten tritt sowohl für die Musiker untereinander wie für den Dirigenten oder den Lehrer ein ähnliches Kommunikationsproblem auf. In Übungsräumen , Orchesterprobensälen , aber ganz besonders in den engen, teilweise überdachten Orchestergräben der Opernhäuser, in denen sich bis über 100 qualifizierte Künstler auf engstem Raum (in nur 3–20 m³ Volumen bzw. auf 1,0–1,5 m² Fläche je Musiker!) ihrer nervenzehrenden Arbeit widmen, bewirkt der die Klarheit der Musik vernebelnde tieffrequente „Mulm" , dass die für das Ensemblespiel so wichtigen Bassinstrumente schlecht durchzuhören sind. Stärker gerichtet abstrahlende Blechblasinstrumente sind zwar (mit in bestimmter Richtung bedeutend größerem Hallabstand) nach Gl. 3.14 und  in einer vergleichsweise besseren Position am hinteren Rand des Orchesters. Da aber das gegenseitige Hören unter den hier weltweit vorherrschenden schlechten raumakustischen Bedingungen nicht richtig funktionieren kann, tendieren auch die Musiker dazu, lauter als dem Gesamtergebnis zuträglich zu spielen, weil sie meinen, sich anders selbst nicht mehr hören und ihr eigenes Spiel kontrollieren zu können.

Das Ergebnis solcher unzureichenden Arbeitsbedingungen ist erfahrungsgemäß ein unausgeglichener, schwer zu dirigierender und oftmals viel zu lauter Orchesterklang, der auch die Balance zwischen den Stimmen auf der Bühne und im Graben in vielen Häusern schwierig macht. Bei Maximalpegeln weit über 100 dB(A) und Mittelungspegeln bis 90 dB(A) nach Barron (1993) verwundert es nicht, dass der Arbeitgeber persönlichen Gehörschutz beim Eintreten in diese akustischen Folterkammern offeriert und viele betroffene Musiker trotzdem frühzeitig gravierende Hörverluste erleiden. Dass es auch an diesen sehr hochwertigen Arbeitsplätzen gelingt, mit speziellen, kostbarsten raumsparenden Tiefenabsorbern ein eklatantes Schallproblem zu mildern, wird ebenfalls in einigen Sanierungsprojekten demonstriert (s. Abschn. 13.​8 und 14.​4).

3.6 Konditionierung akustischer Messräume

Die in Kap. 2 beschriebenen Phänomene bei tiefen Frequenzen stellen ein besonderes Problem an der unteren Messgrenze aller genormten akustischen Prüfverfahren in geschlossenen Messräumen dar: Wenn z. B. der Leistungspegel L W einer stationären Schallquelle, etwa nach Gl. 3.12, aus dem mittleren Schallpegel L bestimmt werden soll, den diese in einem Raum mit der äquivalenten Absorptionsfläche A erzeugt, dann setzt dies die Ausbildung eines einigermaßen gleichmäßigen (diffusen) Schallfelds voraus. Auch bei der nach Norm vorgeschriebenen Mittelung über mehrere Mikrofonpositionen im Raum führt die Anregung der Moden gemäß Gl.  und z. B. Abb. 2.​2 zu einer geringen Wiederholgenauigkeit (im selben Prüfraum bei derselben Schallquelle) und schlechten Reproduzierbarkeit (einer und derselben Quelle in verschieden dimensionierten Prüfräumen) der Messergebnisse. Es wäre eine Illusion anzunehmen, dass Hallräume mit nicht parallelen Begrenzungsflächen etwa keine ausgeprägte Modenanregung aufwiesen (s. Abschn. 15.​1). Gerade erfahrenere Messtechniker sind sich vielmehr bewusst, dass ihre Hallräume im und unterhalb des in Abb. 2.​6 angedeuteten Graubereichs nur mit einiger Vorsicht und Erfahrung, z. B. was die Positionierung des Prüflings im Raum angeht, zu interpretieren und weiter zu benutzen sind. Dies gilt noch mehr für die Bestimmung des Absorptionsgrads α s aus den Nachhallzeiten T m in s mit und T o in s ohne Prüfling mit seiner meist auf dem Boden ausgelegten Absorberfläche S A in m² und dem Raumvolumen V in m³ nach

$$ {{\alpha }_{\mathrm{s}}}=0{,}16\,\frac{V}{{{S}_{\mathrm{A}}}}\left( \frac{1}{{{T}_{\mathrm{m}}}}-\frac{1}{{{T}_{0}}} \right). $$

(3.15)

Da Absorberprüflinge, je nach ihrer Lage im Raum und damit ihrer Auswirkung auf das jeweilige Modenfeld, den Abklingvorgang des letzteren, nach dem Abschalten der Testschallquelle sehr unterschiedlich beeinflussen können, tritt dieses Problem bei Absorptionsgradmessungen nach EN ISO 354-2003 noch stärker als bei Schallleistungsmessungen nach ISO 3742-1988 auf. Erst recht macht es sich bei den viel kleineren Quaderräumen störend bemerkbar, die man gemäß ISO 140-1997 zur Bestimmung des Schalldämmmaßes R in dB aus der (wiederum gemittelten) Pegeldifferenz zwischen Sende- und Empfangsraum , ∆L = L 1 − L 2 sowie der Prüffläche S R in m² und der äquivalenten Absorptionsfläche A 2 in m² im Empfangsraum nach

$$ R=\Updelta L+10\,\lg {{S}_{\mathrm{R}}}-10\,\lg {{A}_{2}} $$

(3.16)

routinemäßig verwendet. Um alle diese Mess- und Prüfverfahren bei tieferen Frequenzen verlässlicher zu machen sowie ihre Reproduzierbarkeit und Wiederholgenauigkeit zu erhöhen, empfiehlt es sich, die in den zitierten Richtlinien ausdrücklich zugelassenen Absorptionsflächen der leeren Messräume durch Einbringen geeigneter Absorbermodule, bevorzugt in ihren Ecken, zur Vergleichmäßigung der Schallfelder einzusetzen – auch als sehr wirksame Ergänzung bereits installierter Diffusoren (Abb. 3.5). Dafür eignen sich die breitbandig wirksamen, dabei sehr kompakten Resonatoren, die in Abschn. 5.​3 ausführlich beschrieben werden. Es versteht sich von selbst, dass man auch und gerade in Freifeldräumen nach ISO 3745-2003 sich wegen der hier oft besonders wichtigen Bedämpfung der tieffrequenten Raummoden nicht allein auf eine passiv wirksame poröse oder faserige Raumauskleidung verlassen, sondern, wiederum bevorzugt in den Raumecken und -kanten, reaktive Absorber zum Einsatz bringen sollte (s. Abschn. 15.​3).

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Abb. 3.5

Hallräume mit Plexiglasdiffusoren und Verbundplattenresonatorenmodulen nach Abschn. 5.​3 zur Vergleichmäßigung des Schallfelds

3.7 Schutz gegenüber Außenlärm

Im gleichen Zusammenhang sei auf ein weiteres bisher zu wenig beachtetes Problem des Schallschutzes gegenüber von außen in einen geschlossenen Raum eindringendem Lärm hingewiesen, dem man u. U. sehr wirksam mit geeigneten Absorptionsmaßnahmen begegnen kann:

$$ {{L}_{\mathrm{i}}}={{L}_{\mathrm{e}}}-R+10\,\lg S-10\,\lg A. $$

(3.17)

Die Flächen S in m² mit kleinem Schalldämmmaß  R (z. B. Fenster und Glasfassaden) nehmen in den Gebäuden ständig zu, was selbst bei konstant angenommenen Außengeräuschpegeln L e zu höheren Innenpegeln L i führt. Die gängige Beurteilung aller Bauteile nach Einzahlangaben (R w) hat dazu geführt, dass mehrschalige Konstruktionen scheinbar besonders gut abschneiden. Ihre imposanten Dämmwerte steigen nach Lotze 2006 für senkrechten Schalleinfall gemäß

$$ R = 20\, \lg f + 40 \lg \frac{f}{{{f}_{\mathrm{R}}}} + 20\, \lg {\rho }_{\mathrm{W}} + 20\, \lg d - 105\,\mathrm{dB} $$

(3.18)

wegen der in ihnen angelegten Zwei-Massen (m 1 und m 2 in kg/m²)-Feder-Resonanz bei

$$ {{f}_{\mathrm{R} }}= 60 \sqrt{\frac{{{m}_{1}}+{{m}_{2}}}{{{m}_{1}}\,{{m}_{2}}\,{d}^{\prime}}} $$

(3.19)

in Hz außer mit dem spezifischen Gewicht der Wandschalen $$ {{\rho }_{\mathrm{W}}}$$ in kg/m³ und deren Dicke $$ d$$ in mm sowie Abstand $$ {d}^{\prime}$$ in m oberhalb $$ {{f}_{\mathrm{R}}}$$ besonders stark mit der Frequenz in Hz an. Diese sehr imposante Dämmung bei hohen Frequenzen wird aber oftmals mit einem Dämmungseinbruch unter 100 Hz (also außerhalb des genormten Bewertungsbereichs!) erkauft (Abb. 3.6). Deshalb tritt bei geschlossenen Türen und Fenstern typischerweise der tieffrequente Teil z. B. des Verkehrslärms , des Lärms von Diskotheken oder auch von industriellen Abluftanlagen als eigentliche Störung in Erscheinung. Auch relativ leichte biegeweiche Schalen, wie sie hier und da im Hochbau wie im Maschinenbau vorkommen, verlieren gemäß dem reinen Massegesetz (Lotze 2006),

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Abb. 3.6

Schalldämmmaß  R nach ISO 140-1997 eines Türblatts allein (gestrichelt) und mit Vorsatzschale. (Verbundplattenresonatoren nach Abschn. 5.​3 und 1 mm Stahlblech, 40 mm Weichschaum; nach Fuchs et al. 1998)

$$ R = 20\, \lg f+ 20\, \lg {{\rho }_{\mathrm{W}}} + 20\, \lg d - 105\,\mathrm{dB}, $$

(3.20)

zu den tiefen Frequenzen hin um 6 dB pro Oktave an der sonst nur durch ihre flächenbezogene Masse bestimmten Dämmung.

Manche Menschen reagieren aber auf tieffrequente Geräusche und Töne besonders empfindlich. Gerade von Schwerhörigen wird tieffrequentes Dröhnen oft als starke Belastung empfunden. Es liegt daher nahe, in dem Frequenzbereich, wo R und A nur selten gemessen werden, diese aber erfahrungsgemäß meistens nur sehr klein sind, durch den Einbau spezieller Tiefenabsorber den Schallpegel L i nach Gl. 3.17 zu reduzieren. Sie könnten hier im günstigsten Fall auf dreierlei Art der Lärmminderung dienen durch

a)

Abbau der Raumeigenresonanzen,

b)

Verhinderung der Einkopplung von Bauteilresonanzen und

c)

Bedämpfung der in den Raum dringenden Außengeräusche.

Üblich ist dies bisher allerdings nicht, weil die geltenden Anforderungen, Richtlinien und Messvorschriften die Emission, Transmission und Immission von Schall betreffend, dem Frequenzbereich unter 100 Hz generell noch zu wenig Beachtung schenken und es vor einiger Zeit auch an hierfür wirklich geeigneten Schallabsorbern fehlte.

3.8 Schalldämpfer in Strömungskanälen

Das ist bei der Auslegung von Schalldämpfern für Lüftungskanäle ganz anders: Hier ist es seit Langem selbstverständlich, ihre Wirksamkeit auf das jeweils durch die Anlage, z. B. ihre Strömungsmaschine, vorgegebene Schallleistungsspektrum L W anzupassen. Dabei wird zwar oft bei hohen Frequenzen stark übertrieben. Bei der Ausbreitung über große Entfernungen s in m im Gelände bleibt nämlich gemäß

$$ {{L}_{\mathrm{i}}}={{L}_{\mathrm{W}}}-{{D}_{\mathrm{e}}}+\mathrm{DI}-20\,\lg s-\sum\limits_{i}{{{D}_{i}}-11\,\mathrm{dB}} $$

(3.21)

im Immissionspegel L i, wie bereits anhand von Gl.  diskutiert, wiederum nicht selten v. a. die tieffrequenten Geräuschanteile übrig, weil alle Dämpfungseinflüsse auf dem Ausbreitungsweg und auch eventuell vorhandene Abschirmungen D i grundsätzlich bei hohen Frequenzen viel höhere Werte erreichen als bei tiefen. Die Absorption z. B. bei der Schallausbreitung im Freien,

$$ {{D}_{\mathrm{a}}}={{\alpha }_{\mathrm{a}}} s $$

(3.22)

beträgt nach Tab. 3.2 oberhalb 2,5 kHz bereits mehr als 10 dB/km, ist aber unterhalb 250 Hz vernachlässigbar. Auch die Richtwirkung („directivity index ", DI) an der Kanalmündung ins Freie bewirkt gemäß Abschn. 15.5.4 oftmals eine Abschwächung nur der hohen Frequenzen. Die Einfügungsdämpfung D e in dB der regelmäßig in die Kanäle oder Schornsteine einzubauenden Dämpfer verlangt daher von den darin eingesetzten Absorbern sehr häufig einen möglichst hohen Absorptionsgrad α gerade bei den tiefen Frequenzen, um nach der Piening-Formel (Piening 1937) gemäß

$$ {{D}_{\mathrm{e}}}=1{,}5\, \alpha \frac{U}{{{S}_{\mathrm{s}}}} L $$

(3.23)

weit unterhalb der Durchstrahlungsfrequenz (s. Abschn. 17.​3.​1) bei vorgegebener Länge L in m sowie absorbierender Berandung U in m und freiem Querschnitt S s in m² des Schalldämpferaufbaus wirksam werden zu können.

Aus dem geschilderten Bedarf für Schallabsorption v. a. bei den tiefen (< 250 Hz) bis sehr tiefen (unter 100, bis 50 oder 31 Hz herunter) Frequenzen folgt, dass passive (faserige/poröse) Schallabsorber allein die vielfältigen Probleme auch in diesem Bereich des Lärmschutzes nicht lösen können. Dicke Kulissen würden in Strömungskanälen und Schornsteinen unnötig hohe Druckverluste und Energiekosten verursachen (s. Kap. 17).

3.9 Kapselung von Maschinen und Anlagen

Auch in Maschinen und Anlagen oft sehr eng umschließenden Schallkapseln bleibt meist nur wenig Platz für eine absorbierende Auskleidung, die nicht nur bei hohen, sondern auch bei mittleren und tiefen Frequenzen wirken könnte. Außerdem spricht hier ihre gleichzeitig hohe Wärmedämmung gegen den Einsatz von dickeren porösen oder faserigen Dämpfungsschichten. Eine hohe Schalldämmung R der meist geschlossenen Stahlpaneele als außen liegende Wandelemente einer Schallschutzhaube allein hilft nicht viel, wenn nicht im selben Frequenzbereich auch ausreichend Absorption in ihrem Inneren installiert ist. Nur so kann verhindert werden, dass die gedämmte und in der Kapsel eingeschlossene Schallenergie nicht zum Aufbau entsprechend höherer Innenpegel führt. Die Einfügungsdämmung D e einer Kabine als Lärmschutz für Personen oder einer Kapsel als Maßnahme an der Quelle nach Abb. 3.7 hängt gemäß

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Abb. 3.7

Einhausung von Menschen (a) oder Lärmquellen (b) als Schallschutzmaßnahme. (Nach Gruhl et al. 2006)

$$ {{D}_{\mathrm{e}}}=R-10\lg \frac{{{S}_{\mathrm{K}}}}{{{A}_{\mathrm{K}}}}=R-10\lg \frac{1}{\bar{{{\alpha }_{\mathrm{K}}}}} $$

(3.24)

nicht von der Größe S K der geschlossenen Einhausung, aber stark von der äquivalenten Absorptionsfläche A K bzw. dem mittleren Absorptionsgrad $$ \bar{{{\alpha }_{\mathrm{K}}}}$$ ihrer Auskleidung ab.

In kräftig durchströmten oder stark verschmutzenden Räumen sind mechanisch und