Raumakustik
Kurzer Überblick über die wichtigsten Fakten
1. Was ist Lärm?
Lärm ist Schall, der den Menschen belästigt oder gefährdet. Schall entsteht durch Schwingungen gasförmiger, flüssiger oder fester Körper. Man unterscheidet somit zwischen Luftschall und Körperschall. Beim Luftschall treten Schwingungen als Druckschwankungen in der Luft auf.
Die Größe der Druckschwankungen ist der Schalldruck. Es gilt: je lauter ein Schallereignis, desto stärker ist die Druckschwankung und desto höher ist der Schalldruck. Er wird in Dezibel (dB) angegeben und stellt das logarithmische Verhältnis des wirksamen Schalldrucks zur Hörschwelle bei 1000 Hertz dar. Die Schwingungszahl pro Sekunde, die Frequenz, wird in Hertz (Hz) gemessen. Wobei das menschliche Ohr Luftschall im Bereich von etwa 20 bis 20.000 Schwingungen pro Sekunde wahrnimmt.
Die Beurteilung einer Lärmquelle soll dem subjektiven Empfinden des menschlichen Ohres nachkommen. Dieses erfolgt durch die Angabe des bewerteten Schallpegels (dB(A)), der die frequenzabhängige Schallempfindung des Ohres berücksichtigt.
Beispiel
Man kann folgende Faustregeln aufstellen:
- Die Zunahme des Schallpegels um 10 dB entspricht etwa einer Verdoppelung der Lautstärkewahrnehmung. Eine Abnahme um 10 dB entspricht etwa einer Halbierung.
- Eine Verdoppelung der Anzahl von Schallquellen bedeutet immer eine Pegelerhöhung um 3 dB, eine Verzehnfachung um 10 dB und eine Verhunderfachung um 20 dB, z.B.:
Mit akustischen Wandelementen kann in Arbeitsräumen eine Schalldämpfung von bis zu 10 dB erreicht werden. Sie ergibt sich durch die Schallabsorption an der Wandoberfläche sowie der Unterbrechung des direkten Schallweges von einer Quelle zum Immissionsort.
Die Wahrnehmung des Schalldrucks erfolgt als Lautstärke. Geräusche sind Schallereignisse mit unterschiedlichen Frequenzen. Das menschliche Gehör reagiert besonders empfindlich auf Sprache, was sinnvoll ist, wenn man dem Sprechenden zuhören, aber auch lästig, wenn man sich konzentrieren möchte. Sprache hat einen Frequenzbereich von 250 – 2000 Hz. Der in der Raumakustik betrachtete Frequenzbereich geht von 100 – 5000 Hz. Eine 100 Hz Welle hat eine Ausdehnung von ca. 3,4 m, eine 5000 Hz Welle dagegen nur ca. 7 cm.
Wahrnehmung und Einschätzung eines Geräusches sind auch immer subjektiv geprägt und hängen von Faktoren wie der persönlichen Einstellung, den Erwartungen und Erfahrungswerten ab.
2. Akustische Größen
Es gibt eine Vielzahl von raumakustischen Parametern, von denen die nachfolgenden Kenngrößen aufgrund ihrer hohen Bedeutung exemplarisch dargestellt werden.
2.1. Nachhall
Eine subjektiv als schlecht empfundene Akustik ist zumeist mit einem unangemessenen Wert für die Nachhallzeit verbunden. Die Nachhallzeit gibt die Zeitdauer an, die ein Schallereignis benötigt, um im Raum unhörbar zu werden. Sie ist in der Akustik definiert als Zeitdauer für die Abnahme des Schalldrucks im Raum um 60 dB und stellt eine wesentliche Kenngröße der Raumakustik dar. Anhand des subjektiven Eindrucks kann selbst ein Laie Hinweise auf die Nachhallzeit in unterschiedlichen Frequenzbereichen erhalten:
Man kann folgende Faustregeln aufstellen:
- Je größer ein Raum ist, desto länger ist in der Regel die Nachhallzeit.
- Je mehr Absorption im Raum vorhanden ist, desto kürzer ist die Nachhallzeit.
2.2. Schallabsorption
Zu Einstellung von Nachhallzeiten werden schallabsorbierende Materialien eingesetzt.
Ein Werkzeug für die Planung stellt der Schallabsorptionsgrad α dar. Er beschreibt die Eigenschaft eines Materials, auftreffenden Schall z.B. in Wärmeenergie umzuwandeln. Ein α von 1,0 entspricht dabei einer vollständigen Absorption, ein α von 0 einer vollständigen Reflektion. Der Schallabsorptionsgrad α ist frequenz-abhängig und wird im Hallraumverfahren ermittelt. Hier wird aus der Veränderung der Nachhallzeit mit und ohne Materialprobe der Schallabsorptionsgrad αs ermittelt, der über 18 Werte eindeutig beschreibt, bei welchen Frequenzen das Material den Schall in welchem Maß absorbiert. Die schallabsorbierende Wirkung im Raum hängt allerdings nicht nur vom eingesetzten Material ab, sondern entscheidend ist auch dessen Fläche.
Die vorletzte Größe, die eingeführt werden soll ist daher die äquivalente Schallabsorptionsfläche, die sich aus dem Produkt des Schallabsorptionsgrad αs und dessen Fläche ergibt.
Problematisch an der Kenngröße der äquivalenten Schallabsorptionsfläche ist, dass sie sich in einem eingerichteten Raum aus einer Vielzahl von Materialien ergibt (Akustikdecke, Fenster, Lamellen, Teppich, Putz, Möbeloberfläche etc.).
Man kann folgende Faustregeln aufstellen:
- Je höher der Schallabsorptionsgrad eines Materials ist, desto stärker reduziert es die Nachhallzeit. • Auch hoch schallabsorbierende Materialien erzielen nur durch den Einsatz einer bestimmten Fläche ihre gewünschte Wirkung. Umgekehrt kann ein schwach absorbierendes Material den gewünschten Effekt erzielen, wenn seine Fläche groß genug ist.
- Es ist ohne Belang, ob man nur einen Absorber verwendet oder eine Kombination aus verschiedenen.
- Für die Nachhallzeit entscheidend ist stets die gesamt erzielte Summe der äquivalenten Schallabsorptionsflächen.
Schallabsorber lassen sich grob klassifizieren und damit vergleichbar machen. Dies geschieht über den bewerteten Schallabsorptionsgrad αw. Dieser wird – vereinfacht ausgedrückt – durch eine Mittelwertbildung der Frequenzbereiche errechnet und ermöglicht eine Einordnung in die folgenden Absorberklassen:
Tipp
Der αw-Wert kann die Zusätze L (niedrige), M (mittlere), H (hohe) enthalten. Diese verdeutlichen dann, dass im entsprechenden Frequenzbereich die normative Bezugskurve deutlich überschritten wird. Das Produkt absorbiert dann deutlich mehr als der αw.
3. Gesetze der Schallausbreitung
Soll in einem Raum eine gute Akustik erzielt werden, muss man wissen, wie Schallwellen reflektiert, gebrochen und absorbiert werden.
3.1. Reflektion und Brechung
Der Schall breitet sich gradlinig aus. Trifft er auf ein Hindernis, das größer als seine kleinste Wellenlänge ist, so wirft dieses einen Schatten in den der Schall nicht eindringt (akustische Schattenzone). Kleinere Hindernisse werden dagegen umgangen. Treffen Schallwellen auf eine große, nicht absorbierende Wand werden sie von diesen reflektiert. Da Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel ist, wird senkrecht auf eine Wand fallender Schall unmittelbar zum Schallgeber zurückgeworfen (diese Erscheinung ist das Echo). Bei akustischen Planungen darf nicht aus dem Auge gelassen werden, dass sich der Schall in alle Dimensionen ausbreitet.
3.2. Absorption
Bei der Ausbreitung von Wellen nimmt deren Intensität in einem immer größer werdenden Raumbereich ab; je weiter man von einer Schallquelle entfernt ist, desto weniger laut hört man diese. Dieses Phänomen wird unter anderem durch die Umwandlung von Schallenergie in Wärmeenergie bewirkt und der Vorgang als Absorption bezeichnet. Besonders stark ist die Abnahme der Schallintensität in porösen Stoffen, wie z.B. Tuch, Watte, Mineralwolle. Hier wird der Schall bereits auf kurzen Strecken völlig absorbiert, weil die Luftteilchen in den Poren der Stoffe zum Schwingen angeregt werden und dadurch die auftretende Reibung die Schallenergie in Wärme umwandeln.
4. Einflussfaktoren auf den Schall
4.1. Die Raumgröße
Während die Form eines Raums nur bei akustisch sehr anspruchsvollen Planungen eine Rolle spielt, sind Größe und Bestückung entscheidend. In kleinen Räumen, Einzelbüros, kommt es speziell darauf an, dass sich keine glatten Wände gegenüber liegen, da diese (unabhängig von der Raumgröße) zu sogenannten Flatterechos führen können, was zu unangenehmen Effekten in der Geräuschwahrnehmung führen und die Nutzung eines Raumes sehr einschränken kann. Die Unterbrechung von größeren zusammenhängenden reflektierenden Flächen ist durch die Einrichtung mit Schränken, Vorhängen und Lamellen, Garderoben, Zimmerpflanzen möglich. Wandabsorber sind sehr gut für den Einsatz im Einzelbüro geeignet und müssen bei einem Einzelbüro üblicher Größe nicht gezielt positioniert werden.
Im 2-Personen-Büro sollten zur Erzielung einer optimalen Nachhallzeit auch abschirmende Maßnahmen ergriffen werden. Bei sich gegenüberliegenden Arbeitsplätzen sollten Stellwände oder Tischaufsatz-Elemente eingeplant werden um den Direktschall zwischen Sprechendem und Hörendem zu unterbrechen. Zudem bieten sich auch hier beispielsweise Wandabsorber an, wenn sich größere glatte Wandabschnitte gegenüberliegen.
Was für 2-Personen-Büros gilt ist größten Teils auch im Gruppenbüro zu berücksichtigen. Hier sollten allerdings neben der Direktschallunterbrechung innerhalb der einzelnen Arbeitsplatzkonfigurationen auch Arbeitsbereiche voneinander abgeschirmt werden. Bei der diesbezüglichen Planung sind die Raumhöhe, der Abstand zur Geräuschquelle und die Konfiguration zu berücksichtigen.
Man kann folgende Faustregeln aufstellen:
- Ein Verhältnis von Stellwandhöhe zu Raumhöhe von mehr als ist 0,5 am effektivsten.
- Stellwände sind bei kurzen Entfernungen zwischen Schallquelle und Empfänger am sinnvollsten, da sich gerade bei kurzen Entfernungen eine Pegelminderung von bis zu 10 dB erreichen lässt; sie sollten möglichst dicht an der Schallquelle positioniert werden.
- H – oder L – Aufsichten, mithin Wände, die Ihre Raumrichtung ändern und ggf. die Schallquelle zumindest teilweise umschließen sind gegenüber geraden Verkettungen (I-Aufsichten) vorzugswürdig.
- Bei der Positionierung sollten möglichst die benachbarten Raumbegrenzungsflächen ebenfalls absorbierend sein. Der Effekt einer Stellwand fällt relativ gering aus, wenn sie unterhalb einer stark reflektierenden Decke oder z.B. seitlich neben einem unverkleideten Fenster aufgestellt wird. Zudem sollten die Stellwände möglichst bündig an Raumbegrenzungen und Einrichtungsgegenstände anschließen, da Ritze und Spalten die Wirksamkeit deutlich herabsetzen.
5. Aussagen eines Prüfzeugnisses
1.
Stellt den Wandaufbau dar.
2.
αs = Frequenzabhängige Schallabsorption: Ist die genauste Zahl, da sie den Grad der Absorption im kleinsten Frequenzbereich angibt: z:B. bei 250 Hz 0,48 %, bei 500 Hz 0,70 %, bei 1000 Hz 0,86 % und bei 2000 Hz 0,70 % des auftreffenden Schalls werden absorbiert αp = Mittelwert über drei Oktaven
3.
Der αw Wert wird aus den Werten αs(=Terzwert) und dem αp(praktischer Schallabsorptionsgrad) und unter Zuhilfenahme einer senkrecht verschobenen Bezugskurve gebildet und dann bei 500 Hz abgelesen. Der αw Wert kann die Zusätze L (niedrig), M (mittel), H (hoch) enthalten. Diese Zusätze verdeutlichen dann, dass im entsprechenden Frequenzbereich die normale Bezugskurve deutlich überschritten wird. Das Produkt absorbiert dann deutlich mehr als der αw Wert ausweist.
4.
NRC – Wert „Noise Reduction Coefficient“
Er bündelt die Einzelwerte der Schallabsorptionskurve und gibt als Einzelzahl gemäß dem amerikanischen Standard ASTM 423 den Durchschnitt der Absorptions-werte von 250 Hz, 500 Hz, 1000 Hz und 2000 Hz mit anschließender Rundung auf 0,05 an. SAA – Wert „Sound Absorption Average“
Er stellt ebenfalls einen Mittelwert das, bezieht aber nicht nur 4 sondern alle Terzwerte von 250 bis 2500 Hz ein und wird auf 0,01 gerundet.
Die Wertetabelle enthält die Nachhallzeiten im Hallraum mit und ohne Prüfgegenstand sowie den Schallabsorptionsgrad, jeweils in Abhängigkeit der Terzmittenfrequenzen f:
5.
Hohe Töne sind hohe Frequenzen, niedrige Töne sind mittlere Frequenzen. Sprache bewegt sich zwischen 250 – 2000 Hz wobei die hauptsächliche Informationsübertragung in den Konsonanten stattfindet, die über 1000 Hz liegen
6.
Bei 1000 Hz verkürzt sich die Nachhallzeit von 7,04 auf 2,42 Sekunden. In diesem Frequenzbereich werden 85 % des auftreffenden Schalls absorbiert
6. Glossar – Wichtige Begriffe der Raumakustik
Äquivalente Schallabsorptionsfläche
Die äquivalente Schallabsorptionsfläche A ist definiert als das Produkt aus dem Schallabsorptionsgrad α eines Materials und dessen Fläche S.
Beugungsschall
Trifft eine Schallquelle auf ein Hindernis, so erfährt sie an den Rändern eine Richtungsänderung. Ein Teil der Schallenergie gelangt dadurch in den Schattenbereich hinter dem Hindernis. Dieser an der Kante umgelenkte Schall wird als Beugungsschall bezeichnet.
Beurteilungspegel
Mittelpegel bei 8stündiger Arbeitszeit der die Schallwirkung auf das Gehör widerspiegelt. Schädigungen entstehen bei mehr als 90 dB (A) Dauereinwirkung.
dB (A)
Bewerteter Schallpegel, entsprechend der Wahrnehmungsfähigkeit des Ohres nach genormtem Verfahren.
Dezibel
Internationales Maß für die Stärke des Schalls, dem Schallpegel.
Flatterecho
Ein Flatterecho kann dadurch Zustand kommen, dass sich ein Schallsignal zwischen mindestens zwei stark reflektierenden Flächen mehrfach hin und her bewegt.
Frequenz
Die Frequenz bezeichnet die Anzahl der Schalldruckänderungen pro Sekunde. Hohe Frequenzen werden als hohe Töne wahrgenommen, niedrige Frequenzen als tiefe Töne. Die Maßeinheit ist Hertz (Hz). Die menschliche Sprache bewegt sich zwischen 250 – 2.000 Hz, der Hörbereich zwischen 20 und 20.000 Hz.
Irrelevante Spracheffekte
Akustische Wahrnehmung von irrelevanter, zu ignorierender Sprache. Dadurch wird das Kurzzeitgedächtnis z.B. für visuell präsentierten Zahlen beeinträchtigt. Der Effekt ist unabhängig von der gesprochenen Sprache. Bei nicht sprachlichen Stimuli tritt er nicht auf.
Lärm
Unter Lärm versteht man Schwingungen, die sich überlagern und unregelmäßig auftreten. Das Lärmempfinden hängt neben physikalischen Größen auch vom persönlichen Befindlichen und Empfinden ab. Von Lärmbelästigung spricht man, wenn eine Aktivität unterbrochen bzw. behindert wird.
Lombard Effekt
Bei lauter Umgebung erhöht ein Sprecher neben der Lautstärke unbewusst auch die Tonhöhe seiner Stimme, um sich dem Gesprächspartner mitzuteilen. Dies resultiert daraus, dass sich hohe Frequenzen über Distanz besser ausbreiten und gegen die Störquelle durchsetzen.
Nachhallzeit
Sie gibt die Zeitdauer an, die ein Schallereignis benötigt um unhörbar zu werden. Technisch ist sie definiert als die Zeitdauer für die Abnahme des Schalldrucks im Raum um 60 dB.
NRC – Wert „Noise Reduction Coefficient“
Er bündelt die Einzelwerte der Schallabsorptionskurve und gibt als Einzelzahl gemäß dem amerikanischen Standard ASTM 423 den Durchschnitt der Absorptionswerte von 250 Hz, 500 Hz, 1000 Hz und 2000 Hz mit anschließender Rundung auf 0,05 an.
SAA – Wert „Sound Absorption Average“
Er stellt ebenfalls einen Mittelwert das, bezieht aber nicht nur 4 sondern alle Terzwerte von 250 bis 2500 Hz ein und wird auf 0,01 gerundet.
Schallabsorptionsgrad α
Der Schallabsorptionsgrad eines Materials gibt an, wie groß der absorbierte Anteil des gesamten einfallenden Schalls ist. α = 0 bedeutet eine vollständige Reflektion, α = 1 bedeutet eine vollständige Absorption.
Schalldämpfung
Die Schalldämpfung beschreibt die Fähigkeit eines Materials, den Schall zu absorbieren (= die Schallenergie in andere Energieformen umzuwandeln).
Schalldämmung
Die Schalldämmung bezeichnet die Einschränkung der Schallausbreitung durch Raumbegrenzungen. Die Schalldämmung ist eine Maßnahme zur akustischen Abschirmung von Räumen gegen nicht erwünschten Schall von Nachbarräumen oder von draußen.
Schallwellen
Schallwellen sind Schwankungen des Luftdrucks, die durch Schallereignisse ausgelöst werden. Die Länge der Schallwelle definiert die Frequenz, die Höhe der Schallwelle den Pegel. Eine 100 Hz Welle hat in der Luft eine Ausdehnung von 3,4 Metern, eine 5000 Hz Welle eine Ausdehnung von ca. 7 cm.