Akustik

• Was ist Schall?
• Was unterscheidet Ton, Klang und Geräusch
• Schallpegel, Lautstärke und Schallmessung
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Raumakustik

Raumakustik im Alltag

Sie ziehen in eine neue Wohnung um. Die leeren Räume hören sich hell an und hallen beim Sprechen. Nachdem Möbel, Vorhänge etc. im Zimmer sind, hat sich auch die Akustik im Raum verändert. Es hallt nicht mehr so stark und die Sprachverständlichkeit ist besser geworden. Die Einrichtungsgegenstände haben also einen bedeutenden Einfluss auf die Raumakustik. Sie wirken als Absorber und Diffusoren des Schalls. Was hinter dieser typischen Situation steckt, erfahren Sie beim Weiterlesen.

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Zielsetzung der Raumakustik

Ziel der Raumakustik ist es, die sog. Hörsamkeit in einem Raum zu optimieren. Je nach Verwendungszweck eines Raumes betrifft dies insbesondere folgende Anliegen:

• Gewährleistung einer guten Sprachverständlichkeit
• Optimale Übertragung von Musik
• Verminderung von störenden Geräuschen im Raum

Mit gezielten Massnahmen lassen sich die akustischen Eigenschaften eines Raumes beeinflussen.
Störende Geräusche können mit Hilfe der akustischen Raumgestaltung gemildert werden. Sowohl bei bestehenden als auch bei geplanten Räumen gibt es zahlreiche Möglichkeiten, eine gute Akustik zu erzielen.
Meistens wird die Planung und Gestaltung der Akustik eines Raumes dem Zufall überlassen. Im Gegensatz zur Optik eines Raumes wird die Akustik bei der Planung trotz vorhandener Möglichkeiten häufig nicht berücksichtigt. Erst bei Beschwerden über die akustischen Gegebenheiten im fertigen Raum wird ein entsprechender Fachplaner zur dann notwendigen Sanierung hinzugezogen.
Jeder Raum kann akustisch optimal gestaltet werden. Mit Hilfe moderner Computerprogramme ist es möglich, die Akustik eines geplanten Raumes detailliert zu berechnen. Insbesondere für Räume mit hohen akustischen Anforderungen ist eine derartige Planung empfohlen.

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Wie verändert ein Objekt die Schallausbreitung?

An der Grenze zwischen zwei Medien (z.B. Luft-Glas, Luft-Mauer) treten Reflexion, Brechung, Absorption, Beugung und Transmission des Schalls auf. In der klassischen Raumakustik ist vor allem der reflektierte und der absorbierte Anteil von Bedeutung. Der Anteil des reflektierten Schalls ist winkelabhängig: Senkrecht zur Wand wird am meisten reflektiert, parallel dazu nichts. Für die Reflexion von Schallwellen gelten die gleichen Gesetze wie bei Lichtstrahlen in der geometrischen Optik. Daher treten auch in der Akustik Streuungs- und Fokussierungseffekte auf, die gebührend berücksichtigt werden müssen.

Schallausbreitung mit Hindernis (z.B. Wand)
	1 Eintreffender Schall 2 Reflektierter Schall 3 Im Medium weitergeleiteter Schall 4 Absorbierter Schall 5 Durchgehender Schall
Quelle: http://www.buero-forum.de/content/  con1/ergonomie/ arbeitsumfeld/akustik/, 08.2004

Die Absorption ist immer frequenzabhängig! Tiefe Töne mit grosser Wellenlänge sind durch (dünne) Festkörper schwieriger zu absorbieren als hohe Töne.

Die folgenden Skizzen erläutern den Einfluss einer räumlichen Begrenzung auf die Ausbreitungswege des Schalls.

Quelle: http://rst.et.htwk-leipzig.de/kontakte/Fechner/projekte/pwoche/natur/raum/grund.htm

Schallausbreitung als Kugelwelle und der Einfluss von Hindernissen. a) Die Personen unterhalten sich im unbegrenzten Raum. Dieser Fall ist in der Praxis unbedeutend. b) Im Freien gibt es mindestens eine Begrenzung: den Boden. Die Person hört sowohl den direkten als auch den einfach reflektierten (indirekten) Schall. c) Eine zusätzliche Wand erzeugt Mehrfachreflexionen. Die auftretenden Reflexionen können auch als Schall einer sog. Spiegelquelle betrachtet werden. Wie beim Billard gilt für die Schallwelle: Einfallswinkel gleich Auswinkel.

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Zeitdifferenz durch Reflexionen

Weil der indirekte Schall einen längeren Weg bis zum Empfänger zurücklegen muss, trifft er später ein als der Direktschall. Ist die Intensität des reflektierten Schalls genügend hoch und die Zeitdifferenz gross (> 50 ms), so wird der indirekte Schall als Wiederholung erkennbar und man spricht von einem Echo. Ist die Laufzeitdifferenz geringer und die Intensität stärker abgeschwächt, so wird der reflektierte Schall nicht als Wiederholung des Schallsignals wahrgenommen: Man spricht dann von der Halligkeit resp. vom Nachhall. Als Hall bezeichnet man den diffusen Schall in einem Raum. Hall hat keine ausgeprägte Richtung, er scheint von überall her zu kommen.

5 ms 20 ms 40 ms 80 ms 160 ms

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Nachhallzeit eines Raumes

Die wichtigste und älteste Grösse der Raumakustik ist die Nachhallzeit. Sie gibt einfach ausgedrückt die Zeitdauer an, die ein Schallereignis benötigt, um im Raum unhörbar zu werden. Die optimale Nachhallzeit orientiert sich an der Nutzung des Raumes. Frühe Reflexionen sind wichtig, um in einem Hörsaal gute akustische Eigenschaften zu erhalten. Sie unterstützen die Verständlichkeit, ohne ein Echo zu erzeugen. Es werden deshalb Zeitverzögerungen von 20 bis 30 ms angestrebt. Zu wenig Absorption und somit ein zu langer Nachhall vermindert die Sprachverständlichkeit, was zwangsläufig durch eine Erhöhung der Sprechlautstärke kompensiert wird.

Eine Messung der Nachhallzeit deckt die vorhanden Mängel objektiv auf und bildet eine gute Ausgangsbasis für Sanierungsvorschläge. Dabei sind nicht nur die Nachhallzeit, sondern auch der zeitliche Verlauf des Schalldrucks und die für den Raum charakteristischen Reflexionen von Interesse. Anhand der Messergebnisse können detaillierte Vorschläge mit bestimmten Materialien und benötigten Flächengrössen zur optimalen Gestaltung der Raumakustik erstellt werden. Die Reflexionseigenschaften eines Materials sind frequenzabhängig, daher wird ein Geräusch durch die Reflexionen auch "gefärbt". Offenliegende Steinwände färben dumpf, eine längere Nachhallzeit im Mittenbereich ergibt eine angenehme, warme Klangfärbung (Holzverkleidung).

Bild: Andreas-Franz-Borchert, flickr.com (CC-BY-SA 2.0)

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Resonanzen und stehende Wellen

Stehende Wellen zeichnen sich durch Schwingungsknoten und -bäuche aus, die immer am selben Ort sind. Diese Art von Wellen ist bei der Klangerzeugung aller Saiteninstrumente beteiligt. Ist eine Saite an beiden Enden festgemacht, so kann sie sich dort nicht bewegen. Die Enden stellen also Schwingungsknoten dar. Die maximale Wellenlänge, die sich auf der Saite ausbilden kann, sieht aus wie eine halbe Sinusschwingung mit der Wellenlänge der doppelten Saitenlänge (vgl. Abbildung).

Schwingungsmuster einer stehenden Welle mit Grundschwingung und Obertönen. Die Farben bezeichnen verschiedene Zeitpunkte der Saitenbewegung (die Auslenkung der Saitenbewegung ist stark übertrieben gezeichnet). Im Bild a) gibt es zwei "Knoten", bei denen die Saite stets in der Ruhelage ist und einen "Bauch", der sich auf und ab bewegt. In Bild b), dem ersten Oberton, gibt es drei Knoten und zwei Bäuche. Die Wellenlänge entspricht dort genau der Saitenlänge. Bild c) zeigt den zweiten Oberton mit drei Bäuchen, also drei halben Wellenlängen. Somit ergibt sich dort die Wellenlänge von 2/3 L.

Zwischen zwei festen Enden können nur Schallwellen mit ganz bestimmten Wellenlängen (resp. Frequenzen) bestehen, andere Wellen werden stark gedämpft. Diese Wellenlängen sind ganzzahlige Teiler der Wellenlänge des Grundtones.

Eigentlich handelt es sich bei stehenden Wellen um zwei gleichartige Wellen, eine läuft beispielsweise von links nach rechts, die andere von rechts nach links. Die eine Welle ist demnach jeweils die reflektierte der anderen Welle. Dadurch überlagern sich die Wellen und die Auslenkungen addieren sich. Dort, wo die Wellen eine gegensätzliche Auslenkung aufweisen, löschen sie sich aus: Es entsteht ein Schwingungsknoten. Zeigt die Auslenkung in die gleiche Richtung verstärken sich die Wellen zu einer mächtigeren Welle.

Zusammensetzung einer stehenden Welle. Eine Welle läuft von links nach rechts, wo sie quasi reflektiert wird und von rechts nach links zurück läuft. Die beiden Wellen erzeugen dann eine Welle, die sich nicht fortbewegt - eine stehende Welle.

Eine stehende Welle kann sich auch ohne eine Saite in der Luft ausbilden. Die festen Enden werden dann zum Beispiel durch zwei Wände gebildet, bei welchen die Bewegungsgeschwindigkeit der Luftmoleküle zwangsläufig (näherungsweise) Null ist. Deshalb passen nur bestimmte Frequenzen zwischen zwei feste Wände. Man nennt diese Frequenzen deshalb die Eigenfrequenzen oder Resonanzfrequenzen des Raumes. Wird in einem Raum eine dieser Frequenzen angeregt (z.B. durch Vibrationen oder Musik), kann sich diese Frequenz besonders lange halten, da die Dämpfung sehr gering ist. Die Nachhallzeit wird dadurch für einzelne Klänge erheblich verlängert. Hiermit ist klar, dass jeder Raum, entsprechend seiner Geometrie, ganz bestimmte Wellenlängen unterstützt.

Ein Tonstudio wird meistens so konzipiert, dass die Raumwirkung möglichst verschwindet. Also werden dort die Wände (auch Decke und Boden) schiefwinklig zueinander gebaut und zusätzlich mit stark schallabsorbierenden Materialien ausgekleidet.

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Schalltoter Raum und Echokammer

Quelle: http://www.nd.edu/~ame/facilities/AnechoicTunnel.html, 05.2004

Bizarre Wandelemente in einem "schalltoten Raum". Dieser Raum zeichnet sich durch eine minimale Nachhallzeit aus und wird deshalb auch als "echolos (engl. anechoic)" bezeichnet. Die keilförmigen Elemente reflektieren den Schall mehrheitlich in die Zwischenräume und nicht zurück zur Quelle. Dadurch wirken sie schallabsorbierend. Ihre Wirkung nimmt zu den tiefen Frequenzen hin ab.

Bei der Planung von akustisch sensiblen Räumen ist es wichtig, die Absorptionseigenschaften von verschiedenen Oberflächen und Objekten zu kennen. Damit können die akustischen Eigenheiten einer bestimmten Einrichtung und Geometrie im Voraus berechnet werden. Bahnhofhallen und ähnlich grosse Volumen hallen oft zu stark, weil sie eine geringe Absorption aufweisen. Kennt man die Absorptionsstärke von Bauteilen, so können solche Konstruktionsmängel vermieden werden. Deshalb werden in speziell ausgestatteten Echokammern Werte und internationale Standards ermittelt.

Quelle: http://www.acoustics.salford.ac.uk/enterprise/  transmission_suite.htm, 05.2004

Ein Blick in die Echokammer der Universität Salford (GB) mit Mikrophonen und Diffusoren. In solchen Räumen werden die akustischen Eigenschaften von Produkten wie Lärmschutzwänden, Teppichen, Theaterstühlen, akustischen Absorbern usw. gemessen. Mit den im Bild erkennbaren, hängenden Diffusoren kann die Nachhallzeit des Raumes beeinflusst werden

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Schallabsorber und Schallabsorptionsgrad

Auch wenn es eine Vielzahl von schallabsorbierenden Materialien gibt, so existieren grundsätzlich nur zwei Arten von (passiven) Schallabsorbern: poröse und schwingungsabhängige. Bei den porösen Absorbern dringt der auftreffende Schall in den Absorber ein. Die Schallenergie wird in den Poren des Materials durch Reibung in Wärmeenergie umgewandelt. Dadurch wird der vom Material reflektierte Schall verringert. Schwingungsabhängige Schallabsorber werden auch als Resonanzabsorber bezeichnet. Die auftreffende Schallwelle bringt das Material zum Schwingen.

Die akustische Wirkung eines Materials (oder eines Gegenstandes) kann mit Hilfe des Schallabsorptionsgrades beschrieben werden. Diese Grösse liegt zwischen 0 (keine Absorption) und 1 (vollständige Absorption) und ist für nahezu alle Materialien in hohem Masse von der Frequenz abhängig. Man kann jedoch nicht prinzipiell davon ausgehen, dass ein hoher Schallabsorptionsgrad des Materials vorteilhaft gegenüber einem niedrigeren Wert ist. Erst das Produkt aus Fläche und Absorptionsgrad legt die Schallabsorption fest. Eine grössere Fläche mit geringerem Absorptionsgrad kann damit durchaus besser zur Erzielung einer guten Raumakustik geeignet sein als eine kleine, hochabsorbierende Fläche. Insbesondere auch sollte die Absorption in einem Raum möglichst gleichmässig verteilt sein.

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