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Schallschluckeinrichtung aus einer porösen Schluckstoffschicht und
einer dünnen Abdeckschicht Bei bestimmten Räumen, z. B. bei Konzertsälen und Rundfunkstudios,
wird gefordert, daß die bei mittleren Frequenzen vorhandene Nachhallzeit bis zu
möglichst hohen Frequenzen konstant bleibt. Die Verwirklichung dieser Forderung
macht besonders bei Räumen mit großem Rauminhalt und verhältnismäßig langer Nachhallzeit
Schwierigkeiten, da die unvermeidliche, mit dem Rauminhalt anwachsende Schallschluckung
der Luft bei hohen Frequenzen die Nachhallzeit bestimmt. Sofern in einem Raum außer
dem etwa vorhandenen Publikum oder dem Polstergestühl noch zusätzliche Schluckstoffe
vorhanden sind, muß man deren Schallschluckung bei hohen Frequenzen., d. h. über
etwa 2 kHz, abfallen lassen, um die Schallschluckung der Luft ganz oder zum Teil
zu kompensieren.
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Nun werden in der Raumakustik seit langer Zeit zur Schallschluckung
bei tiefen und mittleren Frequenzen Resonatorschallschlucker verwendet, deren Schluckgrad
bei hohen Frequenzen sehr gering ist. Sie bestehen entweder aus unporösen Platten
(z. B. Sperrholz-, Hartfaser- oder Gipskartonplatten) bzw. wenig porösen Platten
(z. B. Weichfaserplatten) vor einem geschlossenen Hohlraum, der mit porösen Schluckstoff
gefüllt sein kann, oder aus unporösen, dicken oder auch dünnen Folien (z. B. Wachstuch
oder. Kunststoffolien) vor porösere Schluckstoff. Die Schluckgrädfrequenzkurven
aller dieser Einrichtungen haben die Gestalt einer schmalen Resonanzkurve, die um
so schmaler ist, je größer das Flächengewicht der Platten bzw. Folien, je geringer
die Hohlraumtiefe und je geringer der Dämpfungswiderstand der Anordnung ist.
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Die Resonatorschallschlucker sind aber für den erwähnten Zweck deshalb
nicht geeignet, weil der Abfall des Schluckgrades oberhalb der Frequenz der maximalen
Schallschluckung bei zu tiefen Frequenzen beginnt. Außerdem benötigt man bei -der
geringen Breite der Resonatorkurven für die Schällschduckung in einem breiten Frequenzbereich
mehrere Resonatoren mit verschiedenen Resonanzfrequenzen. Dies ist aber aus wirtschaftlichen
Gründen unerwünscht.
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Um den Schluckgrad bei hohen Frequenzen abfallen zu lassen, sind auch;.
besonders in Rundfunkstudios, andere Schluckanordnungen üblich,. nämlich perforierte
Abdeckungen in Verbindung mit porösen Schluckstoffen. Solche Abdeckungen-in Form
von dünnen, mit Schlitzen oder Löchern versehenen Sperrholz-, Hartfaser-, Metall-
oder Gipsplatten oder von schmalen Leisten mit geringem gegenseitigem Abstand werden
in mehr oder weniger großer Entfernung vor porösen Schluckstoffen angebracht. Die
mitschwingende Luft in den Schlitzen oder Löchern der. Abdeckung wirkt dabei für
den Schall als Massenwiderstand, der bedingt, daß solche Abdeckungen bei tiefen
bis mittleren Frequenzen praktisch schalldurchlässig sind., bei hohen Frequenzen
aber in zunehmendem Maße schallundurchlässig werden und dadurch die Schallschluckung
der porösen Schluckstoffe hinter den Abdeckungen unterbinden. Außer einem Massenwiderstand
haben solche Abdeckungen einen reellen Widerstandsanteil auf Grund der inneren Reibung
der in den Löchern oder Schlitzen schwingenden Luft, die durch eine etwa vorhandene
Rauhigkeit der Loch- bzw. Schlitzleibungen noch erhöht wird. Dieser Widerstandsanteil
hat einen mit der Frequenz zunehmenden .Schluckgrad zur Folge, der eine starke .Abnahme
des Schluckgrades der Gesamtanordnung bei hohen Frequenzen verhindert und den erreichbaren
kleinsten Schluckgrad bedingt.
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Die Aufgabe, eine große Schallschluckung in einem breiten Frequenzbereich
mit starkem Abfall des Schluckgrades bei hohen Frequenzen, insbesondere bei solchen
über 2 kHz, zu erreichen, löst die Erfindung in einer Weise,. welche die Mängel
der bekannten Schallschluckanordnungen vermeidet. Sie bezieht sich dabei auf eine
solche Anordnung, die aus einer porösen Schluckstoffsrhicht und einer dünnen, fast
oder ganz unporösen Abdeckschicht besteht, wie sie bisher. nur als Resonatoranordnung
bekannt war< Der Grundgedanke der Erfindung liegt darin, da&
der
Imiginärteil (Federungsanteil) des Schluckstoffwi.derstandes schon bei einer mittleren
Frequenz gleich seinem Realteil (Reibungsanteil) isst und daß der Massenwiderstand
der Abdeckschicht bei derjenigen Frequenz, bei der er mit dem Imiginärteil des Schluckstoffwiderstandes
übereinstimmt, noch kleiner als dessen Realteil ist. Eine diesen Bedingungen entsprechende
Sehallschluckeinrichtung hat vor allem den Vorteil, daß die Breite des Bereichs
hoher Schallschluckung nicht mehr so gering ist, wie bei den bekannten Folienresonatoren.
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In den Fig. 1 und 2 der Zeichnung ist dieser Erfindungsgedanke erläutert
und seine Wirkung derjenigen bekannter Schallschluckanordnungen gegenübergestellt.
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Fig. 1 stellt den akustischen Widerstand der Schallschluckanordnungen,
bezogen auf den Wellenwiderstand der Luft in A_ bhängigkeit von der Frequenz, dar;
Fig.2 zeigt den Schallschluckgrad derselben Anordnungen an, und zwar ebenfalls in
seinem von der Frequenz abhängigen Verlauf.
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Zur Erklärung der physikalischen Wirkungsweise der bisher bekannten
Schluckeinrichtungen mit bei hohen Frequenzen leicht abfallendem Schluckgrad geht
man am besten von den Eigenschaften eines porösen Schluckstoffes aus. Der Widerstand
und der Schluckgrad eines solchen Schluckstoffes, z. B. einer Fasermatte oder Faserplatte
von etwa 5 cm Dicke, ist gestrichelt gezeichnet. Der Widerstand hat einen nur wenig
von der Frequenz abhängigen Realteil (Reibungsanteil) R und einen Imiginärteil (Federungsanteil)
X, der bei tiefen Frequenzen negativ und groß ist und bei hohen Frequenzen mehr
oder weniger verschwindet. Der dem gezeichneten Widerstandsverlauf entsprechende
Schluckgrad für allsaitigen Schalleinfall wird mit abnehmender Frequenz sehr klein
und schließlich Null und erreicht bei hohen Frequenzen einen konstanten Wert, der
fast Eins beträgt.
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Die physikalische Wirkungsweise eines bekannten Folienresonators mit
vernachlässigbarer Biegesteifigkeit und einem Flächengewicht von M1 = 0,05 g/om2,
der vor denn porösen Schluckstoff mit dem Widerstand R -f- jX angebracht sei, ist
durch strichpunktierte Kurven angegeben. Bei etwa 400 Hz sind der Massenwiderstand
der Folie und der Federungswiderstand des Schluckstoffes gleich. Dort tritt die
maximale Schallschluckung für senkrechten Schalleinfall ein, deren resonanzkurvenartigen
Verlauf die Fig. 2 zeigt. Da der Massen- und der Federungswiderstand dem Betrag
nach viel größer sind als der reelle Widerstand des Schluckstoffes, ist die Schluckgradkurve
so schmal.
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Die ausgezogenen Kurven gelten für eine Schallschluckanordnung nach
der Erfindung. Als Abdeckschicht ist eine Folie mit dem Flächengewicht 0,002 g/cm2
gewählt. Sie hat beispielsweise ein spezifisches Gewicht von 1,0 g/cm3 bei einer
Dicke von 20 [. Im Gegensatz zu den bisher bekannten Folienresonatoren ist der Massenwiderstand
dieser Folie so gering, daß er und der imiginäre (Federungs-) Anteil des Schluckstoffwiderstand.es
(gestrichelte Kurve) bei der Frequenz von ungefähr 2 kHz, bei denen sie gleich sind,
kleiner als der Realteil des Schluckstoffwiderstandes sind. Die (ausgezogene) Schluckgradkurve
für diesen Fall in F-i,g.2 zeigt infolgedessen einen ganz anderen Verlauf als die
für die bisher bekannten Resonatorschallschlucker mit terhältnismäßig dicker Folie.
Der Schluckgrad ist unterhalb des Maximums gegenüber denn nicht abgedeckten Schluckstoff
(gestrichelte Kurve) nur wenig erhöht, und der Abfall oberhalb des Maximums ist
in den gewünschten Frequenzbereich verschoben. Die Breite des Bereiches großer Schallschluckung
ist nicht mehr so gering wie bei einem Resonator, sondern ist wesentlich vergrößert,
und zwar schon bei einer verhältnismäßig geringen Schluckstoffdicke. Mit größer
werdender Dicke des Schluckstoffs verschiebt sich der linke Kurvenast zu tiefen
Frequenzen hin, der Frequenzbereich großer Schallschluckung wird also noch größer.
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Noch klarer wird die Wirkungsweise einer Einrichtung nach der Erfindung,
wenn man die Schluckgradkurven in Fig.3 betrachtet. Sie gelten für den Fall, daß
ein Schluckstoff in sehr großer Dicke verwendet wird. Kurve A zeigt die Wirkung
des Schluckstoffs ohne Abdeckung, Kurve B abgedeckt mit einer Folie vom Flächengewicht
20 g/m2, Kurve C abgedeckt mit einer Folie vom Flächengewicht 40 g/m2. Man erkennt,
daß sich durch Veränderung des Flächengewichts der Abfall des Schluckgrades bei
hohen Frequenzen regeln läßt. Die Kurven für den Schluckgrad gelten übrigens für
allseitigen Schalleinfall, also für den in der Praxis interessierenden Schluckgrad.
Bei der Berechnung der Kurven von Fig.3 ist angenommen, .daß der reelle akustische
Widerstand R des porösen Schluckstoffes großer Schichtdicke oberhalb von 300 Hz
konstant und der imi.giniäre Widerstand fast Null ist.
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Durch die Anordnung der Folie mit der Masse M je Flächeneinheit wird
also vor den reellen Widerstand R des porösen Schluckstoffes ein Massenwiderstand
geschaltet. Die Grenzfrequenz f". der Anordnung, die Frequenz, bei der der Betrag
des Massenwiderstandes gleich dem reellen akustischen Widerstand der porösen Schicht
ist, läßt sich aus der Formel
errechnen. Oberhalb der Grenzfrequenz nimmt der Schluckgrad der Anordnung mit wachsender
Frequenz stark ab.
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Als Werkstoff für die Folien kommen z. B. verschiedene Kunststoffe
in Frage, die in letzter Zeit bis zu 20 [, Dicke herunter erhältlich sind, oder
Spezialpapiere mit sehr geringer Porosität, z. B. Kondensatorpapiere, die in noch
geringerer Dicke gefertigt werden, oder weiche Metallfolien. Diese und 1>estimmte
Kunststoffolien haben vor gelochten Sperrholz- oder Hartfaserplatten den Vorteil,
daß sie unbrennbar sind. Außerdem sind sie bedeutend billiger als die gelochten
Platten. Auch bestimmte Gewebe (z. B. Nylongewebe), die durch eine besondere Webtechnik
oder durch Imprägnieren oder eine geeignete Nachbehandlung einen extrem hohen Strömungswiderstand
bekommen haben, sind geeignet. Indem man Platten aus porösem Schluckstoff auf einer
Seite und an den Kanten in .die Folien, die man beliebig färben kann, einschlägt,
kann man vorgefertigte Schluckeinheiten schaffen, die mit der Rückseite unmittelbar
auf die Decke oder die Wände oder im Abstand davon auf Leisten geklebt oder auf
eine andere Weise befestigt werden können.
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Folienabdeckungen haben ein schöneres Aussehen als Faserstoffe ohne
Abdeckung oder als zur Abdeckung verwendete Gewebe- oder Lochplatten. Eine Abdeckung
mit Folien hat außerdem gegenüber porösen oder gelochten Abdeckungen den Vorteil,
daß
sie das Abrieseln von Fasern des Schluckstoffes verhindert.
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Die Folie muß entweder mit Abstand vor dem porösen Schluckstoff angebracht
oder auf diesem schwingungsfähig aufliegen. Ein Befestigen der Folie, z. B. durch
Kleben, Schweißen, Nähen oder mittels Knöpfen, Nägeln oder Niete, an, einigen Punkten
oder an parallel oder kreuzweise verlaufenden Streifen mit einem gegenseitigen Abstand
von größenordnungsmäßig 10 cm ist noch zulässig. Dagegen darf die Folie nicht vollflächig
aufgeklebt werden. Falls der Schluckstoff vollständig von der Folie umhüllt frei
im Raum hängt, gilt diese Einschränkung für alle Flächen, die in der angegebenen
Weise schallschluckend wirken sollen. Für viele Fälle sind Kombinationen der beschriebenen
Anordnung mit Abdeckungen aus perforierten Platten, Leistengittern oder schalldurchlässigen
Geweben zweckmäßig, und zwar aus akustischen Gründen, um das Abnehmen des Schluckgrades
der Gesamtanordnung bei hohen Frequenzen zu vergrößern, aus architektonischen Gründen,
um einen gewünschten optischen Eindruck zu erzielen, und aus mechanischen Gründen
als Schutz gegen Beschädigungen.
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In den Fig. 4 bis 7 sind einige Ausführungsbeispiele von Schallsch-luckeinrichtungen
nach der Erfindung im Querschnitt schematisch dargestellt.
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Gemäß Fig. 4 liegt die Folie oder das sehr wenig poröse Gewebe 1 lose
auf dem porösen Schluckstoff 2. Es wird mechanisch z. B. dadurch gehalten, daß es
in größeren Abständen in irgendeiner Weise an Leisten 3 geheftet wird, deren Höhe
gleich der Dicke des Schluckstoffes ist. Die Leisten 3 und der Schluckstoff 2 sind
an der Wand oder Decke 4 befestigt.
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Bei der in Fig.5 dargestellten Einrichtung wird der Schluckstoff 2
durch Leisten. 5 gehalten, auf deren Außenseite die Folie 1 mit Abstand von der
Oberfläche des Schluckstoffs 2 angebracht ist.
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Nach Fig. 6 umhüllt die Folie 1 die einzelnen Sehluckstoffelemente
2 auch an den Seitenflächen und teilweise auf der Rückseite. Hier und unter Umständen
an einigen Punkten oder Streifen auf der Vorderseite ist sie an den Schluckstoff
geheftet. Das Heften geschieht bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel durch Nägel
6 mit Zierköpfen, die auch die Aufgabe haben, die ganze Einrichtung mit der Wand
4 zu verbinden, sofern die Einrichtung nicht aufgeklebt ist.
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Die Fig. 7 entspricht der Fig. 5 mit der einen Ausnahme, daß die Leisten
3 eine größere Höhe haben und eine weitere Abdeckung 7, z. B. aus dünnen Stäben
bestehend, tragen. Die gezeichneten Ausführungsbeispiele gelten sinngemäß auch dann,
wenn der Schluckstoff allseitig schallschluckend frei im Raum angebracht ist.