DE102015012760B4

DE102015012760B4 - Akustisches Modul und Verfahren zum Beeinflussen von Schall

Info

Publication number: DE102015012760B4
Application number: DE102015012760.8A
Authority: DE
Inventors: Linda Weisheit; Christoph Eppler; André Bucht; Björn Knöfel
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2015-09-30
Filing date: 2015-09-30
Publication date: 2017-09-14
Anticipated expiration: 2035-10-01
Also published as: DE102015012760A1

Abstract

Akustisches Modul (1) zum Beeinflussen von Schall in einem Raum oder einer akustischen Umgebung im Freien, umfassend einen Schallabsorber (2), der an der zum Rauminneren oder zur freien Umgebung gerichteten Oberfläche mit einer schallreflektierenden Oberflächenstruktur (3) versehen ist, wobei die Oberflächenstruktur (3) durch mindestens einen Aktor (4) aus einer Formgedächtnislegierung zwischen einer – geschlossenen Stellung, in der der Schallabsorber (2) durch die Oberflächenstruktur (3) verdeckt ist und die Oberflächenstruktur (3) eine den auftreffenden Schall reflektierende Fläche bildet, und – einer geöffneten Stellung, in der der auftreffende Schall in den Schallabsorber (2) eindringt, stufenlos verstellbar ist, um die Schallabsorptionsfläche des akustischen Moduls (1) und somit raumakustische Parameter variabel einzustellen, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstruktur (3) aus mehreren Segmenten (8) zusammengesetzt ist, die sich in der geöffneten Stellung der Oberflächenstruktur (3) jeweils in einem blütenartig zusammengeklappten Zustand und in der geschlossenen Stellung der Oberflächenstruktur (3) jeweils in einem blütenartig auseinandergeklappten Zustand befinden.

Description

Die Erfindung betrifft ein akustisches Modul zum Beeinflussen von Schall in einem Raum oder einer akustischen Umgebung im Freien. Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Raum oder eine akustische Umgebung im Freien mit zumindest einem solchen akustischen Modul sowie ein entsprechendes Verfahren zum Beeinflussen von Schall in einem Raum.
Ziel der Raumakustik ist es, optimale Hörverhältnisse in einem Raum zu gewährleisten. Für die akustische Wahrnehmung in Räumen resultiert dies vor allem in einer ausgewogenen Mischung des Raumeindruckes, der Klarheit, der Sprachverständlichkeit sowie der Klangfarbe und Lautstärke.
Die Beschreibung von raumakustischen Eigenschaften erfolgt anhand unterschiedlichster raumakustischer Parameter. Als Maß für die Halligkeit eines Raumes ist die frequenzabhängige Nachhallzeit eine der wichtigsten physikalischen Größen. Sie beschreibt die Zeit, die nach einem Schallereignis vergeht, bis der Schallpegel im Raum um 60 dB abgefallen ist. Weitere wichtige Größen sind das Klarheitsmaß, das Bassverhältnis, sowie die Early Decay Time EDT als eine Art Anfangsnachhallzeit. Wird ein Raum für Sprachdarbietungen genutzt, kommt noch der Sprachübertragungsindex als indirektes Raumkriterium hinzu. Dieser beschreibt die Eignung, Sprache in einem Raum (an einer bestimmten Position) hinreichend genau zu verstehen.
Raumakustische Eigenschaften sind primär abhängig von der Form, dem Volumen und der Größe des Raums sowie der Anordnung von Bühnenbereichen und Zuhörerbereichen im Raum. Erst danach erfolgt die raumakustische Auslegung in der Wahl der akustisch wirksamen Oberflächen der Raumbegrenzungsflächen. Je nach verwendeten Materialien wird der Schall bei den verschiedenen Frequenzen unterschiedlich stark reflektiert oder absorbiert.
In vielen Fällen besteht nicht nur der Wunsch, sondern auch die Notwendigkeit, ein und denselben Raum sowohl für Sprach- als auch für unterschiedlichste Musikaufführungen zu nutzen. Oft muss mit einer vorherrschenden Akustik im Raum gelebt werden, da aus konstruktiven Gesichtspunkten eine veränderliche Raumakustik noch nicht durchgängig zum Stand der Technik gehört. Um jedoch den heterogenen Anforderungen von Mehrzweckräumen gerecht zu werden, ist es notwendig die akustischen Eigenschaften der jeweiligen Veranstaltung entsprechend anzupassen.
Die derzeitigen Lösungen für eine variable Raumakustik bestehen vor allem in der Beeinflussung der akustischen Raumbegrenzungsflächen z. B. durch Vorhänge oder im Raum positionierte Akustikelemente oder der Änderung des Raumvolumens.
Ein Lösungsansatz sieht die Verwendung von Schallschutzrollos (Akustikrollos) vor, die beispielsweise im Internet unter http://www.schallschutzrollo.de beworben werden. Diese werden an den Wänden der Akustikräume montiert und je nach akustischem Bedarf herunter- bzw. heraufgefahren. Schallschutzrollos sind aus einem schallabsorbierenden Gewebe hergestellt, welches den Schall absorbiert und somit die Nachhallzeit verkleinert. Ein solcher Lösungsansatz wird beispielsweise auch bei dem in der EP 2 801 678 A1 beschriebenen adaptiven akustischen System verfolgt, mittels dessen eine akustische Zonierung in Büroumgebungen erfolgt. Durch bewegte Akustikelemente, wie z. B. dem Ablassen einer akustischen Wand, werden Räume optisch und akustisch untergliedert, wobei eine Sensor-Aktor-Einheit (z. B. Elektromotor) zur Steuerung der Elemente eingesetzt werden kann. Mobile akustische Trennwände sind ebenfalls bekannt aus der DE 20 2013 104 545 U1 oder der DE 197 39 432 A1 . In der DE 20 2009 015 058 U1 werden austauschbare Schallmodule auf Trägern montiert.
Ein weiterer Lösungsansatz, welcher heutzutage vor allem bei tiefen Frequenzen eingesetzt wird, ist die zeitweise Veränderung der Raumgeometrie. Hierbei werden an den eigentlichen Hauptraum zusätzliche (Neben-)Räume ”angekoppelt”. In der Praxis wird dies durch Öffnen von Türen oder Verschieben von Wänden realisiert. Aufgrund der angekoppelten Nachhallkammern wird eine Erhöhung der Nachhallzeit erreicht. Dieses Prinzip wurde beispielsweise im Konzertsaal des Kongresszentrums in Luzern (KKL) verwirklicht (siehe https://www.kkl-luzern.ch/de/ueber-uns/das-kkl-luzern/akustik/). Die Nachhallkammern (Echokammern) bilden beim KKL einen großen zusammenhängenden Hohlraum, der den Konzertsaal in den oberen Rängen umschließt. Dieser wird mittels 50 elektronisch steuerbaren Betontüren geöffnet. Damit lässt sich das Raumvolumen des Saales von 19000 m³ um weitere 6000 m³ vergrößern. Durch den Öffnungsgrad der Türen kann der Klang variiert, die Nachhallzeit eingestellt und bis auf 3 s verlängert werden.
Gemäß einem dritten Lösungsansatz, der zur Veränderung der akustischen Eigenschaften angewandt wird, sind Akustiklamellen vorgesehen, die mittels elektromotorischer Stellantriebe variabel einstellbar sind. Solche Akustiklamellen werden beispielsweise in dem aus der DE 20 2007 006 877 U1 bekannten Akustikraum eingesetzt, um die akustischen Eigenschaften der Wände und des Raumes zu verändern. An einer tragenden Wand dieses vorbekannten Akustikraumes ist ein Schallabsorber fest montiert. Mehrere schwenkbar gelagerte Lamellen, welche vor dem Schallabsorber sitzen, sind jeweils mithilfe eines elektromotorischen Stellantriebs und einer Verbindungskinematik von einer geöffneten in eine geschlossene Stellung und umgekehrt überführbar. Im geschlossenen Zustand bilden die Lamellen eine reflektierende Oberfläche, wodurch die Nachhallzeit vergrößert wird. Werden die Lamellen hingegen geöffnet, kann der Schall in den Schallabsorber eindringen, wodurch die Nachhallzeit verringert wird. Die Realisierung in Form drehbarer Würfel mit akustisch unterschiedlichen Oberflächen ist aus der DE 20 2008 013 424 U1 bekannt. In Verbindung mit einem aktiven Material werden zudem im Stand der Technik (vgl. DE 10 2013 200 192 A1 und DE 10 2013 209 913 A1 ) sehr allgemein variable faltbare Strukturen beschrieben, die durch ihre Strukturierung physikalische Parameter, u. a. Geräusche, verändern sollen.
Wie vorangehend beschrieben, gibt es bereits einige adaptive Lösungen (wie Schallschutzrollos, mobile akustische Trennwände, Nachhallkammern oder variabel einstellbare Akustiklamellen) zur Anpassung der raumakustischen Eigenschaften. Die vorbeschriebenen Lösungen/Produkte besitzen neben dem Vorteil, die raumakustischen Eigenschaften anpassen zu können, allerdings einige offenkundige Nachteile, die deren verbreitete Anwendung bisher verhindert haben.
Schallschutzrollos werden meist für einen stationären akustischen Zustand ausgelegt. Eine stufenlose Anpassung der Nachhallzeit ist mit diesem Lösungsansatz nur schwer realisierbar. Ein weiterer Nachteil, der mit diesem Lösungsansatz einhergeht, besteht darin, dass für jeden Raum ein neues Schallschutzrollo aus einem neuen Gewebe gefertigt werden muss, da jeder Raum hinsichtlich seiner Raumabmessungen und seiner grundakustischen Eigenschaften anders beschaffen ist. Als textile Flächenabsorber dämpfen Schallschutzrollos den Schall aus allen Einfallsrichtungen gleich. Eine gezielte Beeinflussung der Raumakustik kann daher nur dadurch erfolgen, dass die Rollos an bestimmten Stellen und in bestimmter Größe im Raum positioniert werden. Dabei werden Schallschutzvorhänge (Akustikvorhänge) in der Regel aus einem sehr schweren und dicken Gewebe (häufig Molton, aber auch Samt und Satin) hergestellt. Es ist daher noch ein zusätzlicher erheblicher Montageaufwand für die funktionssichere Aufhängung und Führung solcher Vorhänge erforderlich.
Beim Lösungsansatz der Ankopplung von Nachhallräumen zur Anpassung der akustischen Eigenschaften eines Raumes besteht – genau wie bei den Schallschutzrollos – der grundsätzliche Nachteil, dass dieses System der Nachhallräume (Echoräume) ebenfalls nur für einen stationären akustischen Zustand ausgelegt ist. Ein weiterer Nachteil, den diese Lösung mich sich bringt, ist der, dass die Nachhallräume bei einer Gebäudeplanung bereits im Voraus berücksichtigt werden müssen, wodurch zusätzlicher Bauraum benötigt und somit zusätzliche Kosten für das Gebäude verursacht werden. Werden die Nachhallräume nicht mehr benötigt und vom Hauptraum getrennt, ist zudem ein hervorragender und üblicherweise aufwendiger Schallschutz erforderlich. Das System der Nachhallräume ist daher bislang ausschließlich in besonders exklusiven Konzerthäusern verwirklicht.
Das in DE 20 2007 006 877 U1 vorgestellte System für einen Akustikraum ist hinsichtlich seiner Abmessungen und seines Aufbaus genau an die vorliegenden Raumabmessungen angepasst. Eine Erweiterung des Systems bei baulichen Veränderungen ist daher mit einem erheblichen zusätzlichen Material- und Kostenaufwand verbunden. Ein weiterer Nachteil bei diesem System besteht darin, dass die eingesetzten elektromotorischen Stellantriebe einschließlich der Verstellkinematik nicht geräuschlos sind, wodurch es beim Verstellvorgang der Lamellen zu unerwünschten Störgeräuschen kommen kann. Demzufolge wird auch hier zur Vermeidung von Störungen der Akustikraum (zum Beispiel Konzertsaal) nur vor einer Aufführung bzw. Komposition verändert, sodass das Einbeziehen eines variablen Raumes und einer variablen Raumakustik während einer stattfindenden Aufführung bzw. Komposition nicht möglich ist. Weiterhin ist für die Unterbringung der zum Verschwenken der Lamellen benötigten elektromotorischen Stellantriebe und Verstellkinematik ein relativ großer Bauraum erforderlich. Demzufolge sind diese Lamellen nicht ohne Weiteres für die Nachrüstung bestehender Räume geeignet. Außerdem besitzen der Stellantrieb und die Verstellkinematik ein – wenn auch geringes – Spiel, das sich allerdings durch Abnutzung noch erhöhen kann. Dies hat zur Folge, dass die Ausrichtung der Lamellen nicht im linearen Zusammenhang mit der Winkellage der Motorwelle steht. Dadurch wird es außerordentlich schwierig, eine einmal gefundene optimale Einstellung für eine Nachhallzeit exakt zu reproduzieren. Vielmehr sind zeitraubende Neujustierungen notwendig.
In der US 5 816 306 A wird ein Betätigungsmechanismus zum automatischen Öffnen und Schließen von Jalousien vorgestellt, um die Menge an einfallendem Licht stufenlos zu regulieren. Zu diesem Zweck kommen Federn aus einer Formgedächtnislegierung (FGL) zum Einsatz, die über ein Ritzel-Zahnstangen-Getriebe jeweils mit vertikalen Lamellen der Jalousie verbunden sind, sodass durch Anlegen einer bestimmten elektrischen Spannung an die FGL-Federn die Lamellen in die gewünschte Neigungsstellung gedreht werden können.
Die US 2014/0199930 A1 beschreibt einen Kühlergrill für ein Fahrzeug, welcher eine Grundplatte mit in regelmäßiger Struktur angeordneten Öffnungen sowie eine rückseitige Grundplatte mit entsprechend den Öffnungen regelmäßig angeordneten Erhebungen aufweist. Diese Erhebungen sind mit ihrer äußeren Kontur an die Kontur der Öffnungen derart angepasst, dass sie von der Rückseite in die Öffnungen formschlüssig eingreifen. Mit einer Stellvorrichtung kann der Abstand der rückseitigen Grundplatte so verändert werden, dass dadurch zwischen den Erhebungen und dem Rand der Öffnungen Luftdurchlässe unterschiedlicher Größe entstehen.
Schließlich ist es aus der GB 1 398 330 A bekannt, die Wände eines Studios oder Saals zumindest teilweise mit schallabsorbierenden Platten auszulegen, wobei motorisch verschiebbare Mittel über der Oberfläche von zumindest einigen dieser Platten angeordnet sind, um eine gewünschte Nachhallzeit zu erhalten. Die Platten umfassen ein durch eine perforierte Decklage bedecktes schallabsorbierendes Material, wobei die Perforationen in der perforierten Decklage durch die vorgenannten Mittel selektiv okkludiert werden können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein akustisches Modul und ein Verfahren zum Beeinflussen von Schall in einem Raum bereitzustellen, welche die Nachteile bekannter Systeme hinsichtlich Variabilität und Flexibilität vermeiden und welche eine einfache und reproduzierbare Steuerung und Veränderung der raumakustischen Eigenschaften zulassen. Das akustische Modul soll außerhalb geschlossener Räume ebenfalls zum Einsatz kommen können.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein akustisches Modul zum Beeinflussen von Schall in einem Raum oder einer akustischen Umgebung im Freien mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein entsprechendes Verfahren zum Beeinflussen von Schall in einem Raum oder einer akustischen Umgebung im Freien mit den Merkmalen des Anspruchs 12.
Ein erfindungsgemäßes akustisches Modul zum Beeinflussen von Schall in einem Raum oder einer akustischen Umgebung im Freien umfasst einen Schallabsorber oder einen Schalldiffusor (im Folgenden allgemein als ”Schallabsorber” bezeichnet), der an der zum Rauminneren oder zur freien Umgebung gerichteten Oberfläche mit einer schallreflektierenden Oberflächenstruktur versehen ist. Diese Oberflächenstruktur ist durch mindestens einen Aktor aus einer Formgedächtnislegierung zwischen einer

– geschlossenen Stellung, in der der Schallabsorber durch die Oberflächenstruktur verdeckt ist und die Oberflächenstruktur eine den auftreffenden Schall reflektierende Fläche bildet, und
– einer geöffneten Stellung, in der der auftreffende Schall in den Schallabsorber eindringt,

Mithilfe des akustischen Moduls wird es insbesondere ermöglicht, die Akustik in Mehrzweckräumen, zum Beispiel großen Konzertsälen, die sowohl für Musikaufführungen großer Ensembles als auch für Solodarbietungen und Lesungen genutzt werden, adaptiv an die entsprechenden akustischen Anforderungen anzupassen. Dies erfolgt durch die Variation der Schallabsorptionsfläche und der damit verbundenen raumakustischen Parameter (z. B. Nachhallzeit) aufgrund der Verstellung der Oberflächenstruktur der (zum Beispiel an Wand, Boden oder Decke des Akustikraumes montierten) Module. Diese Verstellung wird erfindungsgemäß durch mindestens einen Aktor auf Basis einer Formgedächtnislegierung (kurz: Formgedächtnisaktor) bewirkt. Ein solcher Formgedächtnisaktor zeigt bei Aktivierung eine reversible Formänderung, die dazu genutzt wird, die erwünschte Verstellbewegung der Oberflächenstruktur zu erzeugen, um so die akustischen Pfade zum dahinterliegenden Schallabsorber ganz freizugegeben, teilweise freizugeben oder ganz zu verschließen.
Aufgrund des hohen Arbeitsvermögens von Formgedächtnisaktoren ist es möglich, diese sehr klein zu dimensionieren und in kleinsten Bauraumabmessungen zu verbauen bzw. zu integrieren, sodass das Modul (infolge des kompakten Verstellmechanismus) sehr flexibel, zum Beispiel als Wand- oder Deckenpaneel, Kachel oder Vorhang, gestaltbar ist. Trotz ihrer hohen Leistungsfähigkeit arbeiten Formgedächtnisaktoren (im Gegensatz zu elektromotorischen Stellantrieben) nahezu geräuschlos wodurch die Möglichkeit eröffnet wird, auch während einer laufenden Musik- oder Sprachaufführung eine akustische Optimierung des Raumes vorzunehmen, ohne dabei das akustische Wohlbefinden des Publikums zu beeinträchtigen.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist der Aktor unmittelbar oder über ein Bewegungsübertragungsmittel mit der Oberflächenstruktur verbunden. Eine durch Aktivierung und Deaktivierung des Aktors hervorgerufene Formänderung des Aktors wird somit in eine Verstellung der Oberflächenstruktur umgesetzt.
In besonders kompakter, bauraum- und gewichtssparender Weise kann der Formgedächtnisaktor (ohne Zwischenschaltung einer zusätzlichen Verbindungskinematik) unmittelbar an die Oberflächenstruktur angeschlossen sein, um bei Aktivierung/Deaktivierung die gewünschte Verstellbewegung der Oberflächenstruktur zu bewirken. Um eine aus mehreren Einzelelementen (zum Beispiel Lamellen) aufgebaute Oberflächenstruktur gleichzeitig durch einen gemeinsamen Formgedächtnisaktor verstellen zu können, kann es jedoch von Vorteil sein, zur Übertragung der Stellbewegung vom Aktor auf diese Einzelelemente ein einfaches Bewegungsübertragungsmittel einzusetzen. In jedem Fall wird aber durch die Verwendung eines Formgedächtnisaktors eine sehr kleine und leichte Antriebseinheit zum Verstellen der Oberflächenstruktur geschaffen, die problemlos in ein beliebig gestaltetes Modul auch in nächster räumlicher Nähe zur Oberflächenstruktur verbaut oder integriert werden kann.
Eine andere besonders bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Aktor zwischen dem Schallabsorber und der Oberflächenstruktur angeordnet ist.
NiTi-Formgedächtnisdrähte mit einem Durchmesser von nur 0.3 mm sind bereits in der Lage, ein Gewicht von ca. 6 kg anzuheben. Eine Anordnung solcher Formgedächtnisdrähte auf der vom Rauminneren abgewandten Rückseite der Oberflächenstruktur zwischen Oberflächenstruktur und Schallabsorber führt daher zu einer unerheblichen Zunahme der Moduldicke und des Modulgewichtes. Im Gegensatz zu den groß und schwer bauenden elektromotorischen Stellantrieben kann die Formgedächtnisaktorik unsichtbar (ohne Störung des visuellen Gesamteindrucckes) in die Modulstruktur integriert werden. Somit ist es möglich, das Modul in seiner Gestaltung derart an bestehende z. B. historische Gebäude anzupassen, dass das Erscheinungsbild des Gebäudes nicht beeinträchtigt wird.
In noch einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Aktor in einen elektrischen Stromkreis geschaltet und zur Aktivierung einer Formänderung durch den hindurchfließenden elektrischen Strom aufheizbar.
Der durch den Formgedächtnisaktor hindurchfließende elektrische Strom wird gemäß der Gleichung Q = R × I² in Wärme umgewandelt. Der hierdurch hervorgerufene Temperaturanstieg im Formgedächtnisaktor führt bei Über- bzw. Unterschreiten einer Grenztemperatur zu der als Formgedächtniseffekt (Memory-Effekt) bezeichneten Gefügeumwandlung der Formgedächtnislegierung. Infolge dieser Gefügeumwandlung ändern Bauelemente aus Formgedächtnislegierungen ihre Abmessungen im Bereich der Grenztemperatur um bis zu 5%. Dadurch werden erhebliche Stellkräfte aktiviert, die vorliegend in die Verstellbewegung zum Schließen und Öffnen der Oberflächenstruktur umgesetzt werden.
In noch einer Weiterbildung der Erfindung umfasst das akustische Modul eine Ansteuerelektronik zur Regelung des durch den Aktor fließenden elektrischen Stroms, um eine stufenlose Formänderung des Aktors und Verstellung der Oberflächenstruktur zu ermöglichen.
Durch eine stufenlose Einstellbarkeit der Formänderung des Formgedächtnisaktors kann die Verstellung der Oberflächenstruktur relativ zum feststehenden Schallabsorber genau festlegt werden. Folglich kann die Oberflächenstruktur nicht nur die beiden Extremstellungen (nämlich die geschlossene Stellung, in der der auftreffende Schall vollkommen reflektiert wird, und die geöffnete Stellung, in der der Schall vollkommen absorbiert wird), sondern auch jede andere beliebige Zwischenstellung zwischen diesen beiden Extremstellungen einnehmen. Durch die mittels der Ansteuerelektronik verwirklichte Regelung des am Formgedächtnisaktor anliegenden elektrischen Stroms kann somit das akustische Verhalten des Moduls im Hinblick auf seine Schallabsorptionsfläche genau eingestellt werden. Dadurch lässt sich wiederum die Nachhallzeit im Raum auf einfache Weise stufenlos regulieren und an die jeweilige Nutzung des Raumes anpassen. Die weiteren akustischen Parameter wie Klarheitsmaß, Bassverhältnis, Early Decay Time EDT oder Sprachübertragungsindex können durch die stufenlose Einstellung der Raumakustik ebenfalls an die jeweilige Nutzung optimal angepasst werden.
In bevorzugter Weise ist im erfindungsgemäßen akustischen Modul der Aktor aus mindestens einem Formgedächtnisdraht gebildet. Dieser Formgedächtnisdraht ist vorzugsweise bei Aktivierung gegen den Zug einer Rückstellfeder kontrahierbar und bei Deaktivierung von der Rückstellfeder wieder zu einer Ausgangslänge expandierbar.
Formgedächtnisdraht und Rückstellfeder bilden eine äußerst einfache nach dem extrinsischen Zweiwegeffekt arbeitende Aktorik. Durch Anlegen eines elektrischen Stroms zieht sich der Draht gegen den Widerstand der Rückstellfeder zusammen. Um den Draht in seine Ausgangskonfiguration zurückzubringen, sobald der Strom ausgeschaltet wird, ist eine Rückstellfeder vorgesehen.
Bei entsprechender Auslegung und Konstruktion des Moduls kann allerdings auch die eigene Steifigkeit bzw. die Gewichtskraft der beweglichen Oberflächenstruktur als Rückstellmechanismus für den Formgedächtnisaktor dienen.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden anhand zweier Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
1 ein akustisches Modul gemäß einem ersten, nicht von der Erfindung umfassten Ausführungsbeispiel mit geschlossener Oberflächenstruktur bei deaktivierter Formgedächtnisaktorik;
2 das akustische Modul aus 1 mit geöffneter Oberflächenstruktur bei aktivierter Formgedächtnisaktorik;
3 ein akustisches Modul gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung mit geöffneter Oberflächenstruktur bei deaktivierter Formgedächtnisaktorik;
3a eine Detailansicht des akustischen Moduls der 3 im Bereich eines zur Abdeckung der Lochplatte verwendeten Segments; und
4 das akustische Modul aus 3 mit geschlossener Oberflächenstruktur bei aktivierter Formgedächtnisaktorik.
Die Erfindung eröffnet durch den Einsatz von akustischen Modulen 1 mit integrierter Formgedächtnisaktorik die Möglichkeit zur stufenlosen Veränderung raumakustischer Parameter (insbesondere der Nachhallzeit) in einem Akustikraum oder im Freien (z. B. Freilichtbühnen etc.).
In 1 und 2 und 3 und 4 sind zwei Ausführungsbeispiele für ein akustisches Modul 1 in Form eines Wandpaneels jeweils in einer Seitenansicht und in einer Ansicht auf die dem Rauminneren zugewandte Vorderseite dargestellt. Beiden Ausführungsbeispielen gemein ist, dass das akustische Modul 1 jeweils ein annähernd quaderförmiges Gehäuse 9 umfasst, in dessen Innenraum ein Schallabsorber 2 aufgenommen ist. Der Schallabsorber 2 ist aus einem porösen Absorber, zum Beispiel aus Mineralfasern oder Schäumen, gebildet, sodass der in die Poren des Schallabsorbers 2 eindringende Schall durch Reibung in Wärmeenergie umwandelbar ist. Daher verfügt der Schallabsorber 2 über einen Schallabsorptionsgrad von annähernd 1.
Weiter ist in beiden Ausführungsbeispielen nach 1 bis 4 das Gehäuse 9 auf der zum Rauminneren hin gerichteten Vorderseite jeweils von einer Lochplatte 11 begrenzt. Diese Lochplatte 11 weist mehrere vertikal übereinander angeordnete Lochreihen 13 auf, wobei jede Lochreihe 13 aus mehreren in horizontaler Richtung gleichmäßig durch einen dünnen Steg 10 voneinander beabstandeten Löchern 12 gebildet ist. Die Lochplatte 11 dient zum einen dem mechanischen Schutz des Schallabsorbers 2 und sorgt zum anderen gleichzeitig für eine ausreichende Schalldurchlässigkeit, sodass die Schallwellen durch die Löcher 12 in den Schallabsorber 2 eindringen können. Von Lochreihe 13 zu Lochreihe 13 sind die Löcher 12 in horizontaler Richtung um eine halbe Lochbreite versetzt, sodass die Fläche der Lochplatte 11 zur Verwirklichung einer hohen Schalldurchlässigkeit optimal von Löchern 12 ausgefüllt ist.
Auf der dem Rauminneren zugewandten Vorderseite der Lochplatte 11 ist wiederum jeweils eine Oberflächenstruktur 3 angebracht. Die Oberflächenstruktur 3 ist aus einem glatten, schallharten (das heißt den gesamten Schall reflektierenden) Material gefertigt. Zur variablen Einstellung der Schallabsorptionsfläche und somit zur variablen Einstellung der raumakustischen Parameter (z. B. Nachhallzeit) im Akustikraum ist die Oberflächenstruktur 3 relativ zur Lochplatte 11 in unterschiedliche Stellungen bewegbar.
1 und 4 zeigen die Oberflächenstruktur 3 jeweils in einer geschlossenen Stellung, bei der die zum Rauminneren hin gerichtete Oberfläche des Moduls 1 nur von der glattflächigen, den auftreffenden Schall reflektierenden Oberflächenstruktur 3 gebildet wird. Die Löcher 12 der Lochplatte 11 sind dabei durch die Oberflächenstruktur 3 vollständig abgedeckt, sodass der Schall nicht durch diese Löcher 12 in den Schallabsorber 2 eintreten kann. Der Schallabsorptionsgrad des Moduls 1 beträgt demzufolge in dieser geschlossenen Stellung annähernd 0. Aufgrund der (nahezu) vollständigen Schallreflexion durch das Modul 1 wird die Nachhallzeit im Akustikraum erhöht. Ein ausgeprägter Nachhall ist insbesondere für eine im Akustikraum stattfindende klassische Musikdarbietung wünschenswert, um für die Mitwirkenden und Zuhörer eine optimale Klangqualität zu erzeugen.
In 2 und 3 befindet sich die Oberflächenstruktur 3 des Moduls 1 hingegen jeweils in einer geöffneten Stellung. In dieser geöffneten Stellung sind die Schallpfade durch die Löcher 12 der Lochplatte 11 in den dahinterliegenden Schallabsorber 2 freigegeben. Demzufolge werden die Schallwellen nicht wie in der geschlossenen Stellung nach 1 und 4 reflektiert, sondern durch den dahinterliegenden Schallabsorber 2 annähernd vollständig absorbiert. Der Schallabsorptionsgrad des Moduls 1 beträgt demzufolge in dieser geöffneten Stellung der Oberflächenstruktur 3 nach 2 und 3 nahezu 1. Die gesamte zum Rauminneren gerichtete Oberfläche des Moduls 1 stellt somit eine Schallabsorptionsfläche dar, wodurch zu einer Reduzierung der Nachhallzeit im Akustikraum beigetragen wird. Nach Sabine gilt für die Nachhallzeit T = 0.163 × V/A, wobei V das Raumvolumen und A die äquivalente Absorptionsfläche bezeichnen. Folglich verhält sich die Nachhallzeit T umgekehrt proportional zu der äquivalenten Absorptionsfläche A. In Räumen, in denen bei Sprachdarbietungen (Vorlesungen, Vorträge) die Sprachverständlichkeit nicht durch eine zu hohe Nachhallzeit beeinträchtigt werden soll, ist es daher wünschenswert, die Schallabsorptionsfläche durch ein Öffnen der Oberflächenstruktur 3 gemäß 2 und 3 zu vergrößern.
In beiden Ausführungsbeispielen wird die Verstellung der Oberflächenstruktur 3 dadurch bewerkstelligt, dass die Oberflächenstruktur 3 mit mindestens einem aus einer Formgedächtnislegierung (zum Beispiel einer NiTi-Formgedächtnislegierung) bestehenden Aktor 4 unmittelbar oder mittelbar (über ein Bewegungsübertragungsmittel 5) verbunden ist. Nach der Aktivierung des Aktors 4 kommt es zu einer kristallografischen Gefügeumwandlung der Formgedächtnislegierung und damit zu einer Formänderung des Aktors 4. Diese Formänderung wird als Stellbewegung vom Aktor 4 an die Oberflächenstruktur 3 übertragen, um diese von einer geschlossenen in eine geöffnete Stellung (gemäß 1 und 2) oder von einer geschlossenen in eine geöffnete Stellung (gemäß 3 und 4) zu überführen.
Die Formgedächtnislegierung des Aktors 4 wird dabei jeweils über eine Temperaturerhöhung aktiviert. Die Temperaturerhöhung der Formgedächtnislegierung erfolgt durch direkten Stromfluss durch den Aktor 4. Der Aktor 4 ist hierzu jeweils in einen elektrischen Stromkreis geschaltet. Allerdings sind auch andere Möglichkeiten zur Temperaturerhöhung, beispielsweise durch induktives Heizen oder durch ein elektrisches Feld, vorstellbar.
In den beiden Ausführungsbeispielen nach 1 bis 4 ist der Aktor 4 als Formgedächtnisdraht ausgebildet. Die bei Aktivierung eintretende Formänderung des Aktors 4 erfolgt daher als eine Kontraktion des Formgedächtnisdrahts in axialer Richtung. Diese Kontraktion wird als Stellbewegung zum Freigeben bzw. Blockieren der Schallpfade im Modul 1 genutzt. Weiterhin wird in beiden Ausführungsbeispielen nach 1 bis 4 der Formgedächtnisdraht 4 jeweils mit einer Rückstellfeder 7 gekoppelt. Wird ein Strom I ≠ 0 in die Anordnung eingespeist, dann führt der Stromfluss durch den Draht 4 infolge des elektrischen Eigenwiderstands zu dessen Erwärmung. Nach Überschreiten einer Grenztemperatur T_grenz beginnt der Formgedächtnisdraht 4 mit seiner Längenkontraktion. Die lineare Kontraktion des Formgedächtnisdrahts 4 wird unmittelbar oder mittelbar über ein Bewegungsübertragungsmittel 5 an die Oberflächenstruktur 3 übertragen, um diese relativ zur darunterliegenden Lochplatte 11 in eine geöffnete oder in eine geschlossene Stellung zu bewegen.
Durch die entsprechende Rückstellfeder 7, welche eine Zugkraft auf den Formgedächtnisdraht 4 ausübt, wird der Draht 4 in die entgegengesetzte Richtung bewegt, sobald die Temperatur des Drahts 4 nach Abschalten des Stroms absinkt und sich dieser durch die Federkraft der Rückstellfeder 7 wieder expandieren lässt. Im Ergebnis bilden der Formgedächtnisdraht 4 und die Rückstellfeder 7 einen äußerst einfach und kompakt aufgebauten bidirektionalen Stellantrieb zur aktiven Verstellung der Oberflächenstruktur 3. Ein solcher Stellantrieb beansprucht ein geringes Volumen und kann daher platzsparend in die Modulstruktur integriert werden. Zudem bietet ein solcher Stellantrieb aufgrund der geringen Teileanzahl eine ausgezeichnete Dynamik im Aufbringen der Stellbewegung.
Um eine stufenlose Formänderung des Aktors 4 und Verstellung der Oberflächenstruktur 3 zu ermöglichen, wird der durch den Aktor 4 fließende Strom in den beiden Ausführungsbeispielen nach 1 bis 4 jeweils durch eine Ansteuerelektronik 6 geregelt. Diese Ansteuerelektronik 6 ist in die obere Begrenzungswand des Gehäuses 9 integriert. Es ist damit vorteilhafterweise für die Ansteuerelektronik 6 kein zusätzlicher Gehäuseraum erforderlich, da hier lediglich die obere Begrenzungswand des ohnehin für die Aufnahme des Schallabsorbers 2 benötigten Gehäuses 9 genutzt wird. Damit lässt sich auf sehr einfache, jedoch effektive Weise ein sehr kompaktes Modul 1 bereitstellen, welches als zusätzliche Funktionalität eine Ansteuerelektronik 6 zur geregelten Bestromung des Aktors 4 enthält. Infolgedessen kann die Oberflächenstruktur 3 unabhängig und zusätzlich zu den beiden in 1 und 4 und 2 und 3 gezeigten Extremstellungen (geschlossene und geöffnete Stellung) auch jede andere beliebige Zwischenstellung einnehmen. Je nach Stellung der Oberflächenstruktur 3 kann somit die Schallabsorptionsfläche des Moduls 1 variabel eingestellt werden, um somit die Nachhallzeit im Akustikraum entsprechend fein zu justieren.
Versteht man die in 2 und 4 dargestellte Längenkontraktion des Formgedächtnisdrahts 4 jeweils als Maximalkontraktion, die durch die im Draht 4 bei einer Stromstärke I_max vorliegenden Temperatur T_max erzeugt wird, so führt auch eine weitere Temperaturerhöhung durch eine größere Stromstärke I > I_max nicht zu einer weiteren Kontraktion des Drahts 4. Demzufolge stellt die in 2 und 4 gezeigte Stellung der Oberflächenstruktur 3 die maximale Öffnungsstellung (2) bzw. die maximale Schließstellung (4) dar. Durch eine gezielte von der Ansteuerelektronik 6 geregelte Zuführung eines Stroms 0 ≤ I ≤ I_max aus einer Stromquelle kann der Draht 4 auf eine beliebige Temperatur T_grenz ≤ T ≤ T_max zwischen der Grenztemperatur T_grenz und der Maximaltemperatur T_max erwärmt werden, sodass die Oberflächenstruktur 3 auch jede beliebige Zwischenstellung zwischen der geschlossenen und geöffneten Stellung einnehmen kann.
Auch andere Bauweisen, bei welchen ein stromloses Halten jeglicher Zwischenpositionen sowie der beiden Extrempositionen (offen und geschlossen) z. B. durch Rastvorrichtungen realisiert wird, sind denkbar und Gegenstand der Erfindung.
Der vorerläuterte prinzipielle Aufbau des Moduls 1 aus einem Schallabsorber 2 und einer mittels einer Formgedächtnisaktorik stufenlos verstellbaren Oberflächenstruktur 3 ist in den beiden Ausführungsbeispielen nach einerseits 1 und 2 und andererseits 3 und 4 gleich. Die beiden Ausführungsbeispiele unterscheiden sich jedoch in der Art und Weise, wie die Formgedächtnisaktorik und die damit verbundene Oberflächenstruktur 3 im Einzelnen aufgebaut sind. Diese Unterschiede werden im Folgenden ausführlicher beschrieben.
1 und 2 zeigen ein erstes nicht von der Erfindung umfasstes Ausführungsbeispiel des Moduls 1 in einer geschlossenen Ausgangstellung der Oberflächenstruktur 3 (1) und in einer maximal geöffneten Endstellung der Oberflächenstruktur 3 (2). In diesem ersten Ausführungsbeispiel ist die Oberflächenstruktur 3 aus mehreren jalousieartig vertikal übereinander angeordneten Lamellen 15 gebildet. Die Lamellen 15 erstrecken sich dabei jeweils großflächig über die gesamte Breite der Lochplatte 11. In vertikaler Richtung sind die Lamellen 15 gleichmäßig so weit voneinander beabstandet, dass sich bei der (in 1 gezeigten) geschlossenen Stellung die vertikal benachbarten Lamellen 15 teilweise überlappen, wodurch ein schalldichter Verschluss der darunterliegenden Löcher 12 der Lochplatte 11 sichergestellt und somit ein Eindringen von Schall in den Schallabsorber 2 ausgeschlossen wird.
Die Lamellen 15 sind jeweils mit einem Ende an einer Verstellstange 5 um eine Schwenkachse schwenkbar befestigt. Die Verstellstange 5 ist auf der vom Rauminneren abgewandten Rückseite der Lamellen 15 in einem freien Zwischenraum zwischen Schallabsorber 2 und Lochplatte 11 angeordnet. Durch eine translatorische Verlagerung dieser Verstellstange 5 können die Lamellen 15 um ihre Schwenkachse gedreht und somit der Neigungswinkel der Lamellen 15 relativ zur Lochplatte 11 geändert werden. Bei einer vertikal nach unten gerichteten Bewegung der Verstellstange 5 werden alle Lamellen 15 gleichzeitig und gleichsinnig entgegen der Uhrzeigerrichtung um ihre Schwenkachse von der vertikalen (in 1 gezeigten) Position in die horizontale (in 2 gezeigte) Position gedreht. Bei einer entgegengesetzten, vertikal nach oben gerichteten Bewegung der Verstellstange 5 werden alle Lamellen 15 gleichzeitig und gleichsinnig in Uhrzeigerrichtung um ihre Schwenkachse von der horizontalen (in 2 gezeigten) Position wieder zurück in die vertikale (in 1 gezeigte) Position gedreht.
Um die vorgeschilderte Öffnungs- und Schließbewegung der Lamellen 15 zu erzeugen, ist die Verstellstange 5 durch einen Antriebsmechanismus in eine translatorische Bewegung versetzbar. Erfindungsgemäß kommt als Antriebsmechanismus ein Formgedächtnisaktor 4, also ein Aktor 4 aus einer Formgedächtnislegierung zum Einsatz. Die Verstellstange 5 bildet ein Bewegungsübertragungsmittel, um die bei Aktivierung/Deaktivierung eintretende Formänderung des Formgedächtnisaktors 4 in eine Stellbewegung für die Lamellen 15 umzuwandeln.
Im ersten Ausführungsbeispiel nach 1 und 2 ist der Formgedächtnisaktor 4 als Formgedächtnisdraht ausgebildet, der sich in vertikaler Richtung parallel zur Verstellstange 5 und zur Oberfläche der Lochplatte 11 erstreckt. Bereits dünne NiTi-Formgedächtnisdrähte sind in der Lage, hohe Stellkräfte zu erzeugen. Demzufolge kann der Formgedächtnisdraht 4 – wie bereits die Verstellstange 5 – problemlos im eng begrenzten Zwischenraum zwischen Schallabsorber 2 und Lochplatte 11 untergebracht werden. Außerdem ist gemäß 1 und 2 eine Rückstellfeder 7 koaxial oberhalb mit dem Formgedächtnisdraht 4 verbunden. Diese Rückstellfeder 7 bildet zusammen mit dem Formgedächtnisdraht 4 einen bidirektionalen Stellantrieb, um die Verstellstange 5 in eine translatorische Auf- und Abbewegung zu versetzen.
Im deaktivierten (unbestromten) Zustand des Formgedächtnisdrahts 4 gemäß 1 nimmt dieser seine maximale Länge ein. Die Verstellstange 5 wird dabei in der obersten Position gehalten, sodass die damit schwenkbar verbundenen Lamellen 15 in einer vertikalen Position einander teilweise überlappend aufeinander liegen. Die Lamellen 15 bilden in dieser Position eine geschlossene Oberflächenstruktur 3, die die akustischen Pfade zu dem dahinterliegenden Schallabsorber 2 vollkommen blockiert. Die auf das Modul 1 treffenden Schallwellen werden daher in der geschlossenen Stellung gemäß 1 durch die von den Lamellen 15 gebildete geschlossene Oberflächenstruktur 3 annähernd vollständig reflektiert, wodurch die Nachhallzeit im Akustikraum erhöht wird.
Eine Aktivierung des Formgedächtnisdrahts 4 durch die verbaute Ansteuerelektronik 6 führt zu einer Kontraktion des Formgedächtnisdrahts 4 entsprechend dem Übergang von 1 nach 2. Infolge dieser Kontraktion werden die Lamellen 15 von der vertikalen (liegenden) Position gemäß 1 jeweils zu einer horizontalen (stehenden) Position gemäß 2 aufgeklappt. Durch dieses Aufklappen der Lamellen 15 werden die akustischen Pfade durch die Löcher 12 der Lochplatte 11 in den dahinterliegenden Schallabsorber 2 vollkommen freigegeben. Somit werden die Schallwellen nicht wie im Ausgangszustand nach 1 reflektiert, sondern nun durch den Schallabsorber 2 absorbiert, was eine Verringerung der Nachhallzeit im Akustikraum zur Folge hat.
Bei Deaktivierung, also nach Abschalten des durch den Formgedächtnisdraht 4 fließenden elektrischen Stroms erfolgt durch die unter Zug stehende Rückstellfeder 7 ein Rückstellen des Drahts 4, indem dieser von der Rückstellfeder 7 wieder auf seine in 1 gezeigte Ausgangslänge gezogen wird. Die durch die Rückstellfeder 7 bereitgestellte (vertikal nach oben gerichtete) Rückstellbewegung wird an die Verstellstange 5 und somit an die schwenkbaren Lamellen 15 übertragen und bewirkt, dass die Lamellen 15 jeweils wieder in ihre zugeklappte vertikale Ausgangsposition gemäß 1 gebracht werden.
Neben den beiden in 1 und 2 gezeigten Extrempositionen (vertikale Ausgangsposition und horizontale Endposition) der Lamellen 15 sind die Lamellen 15 über eine bedarfsgerechte Bestromung des als Aktor 4 fungierenden Formgedächtnisdrahts in jede beliebige Winkelposition gegenüber der Oberflächenebene der Lochplatte 11 verschwenkbar. In Abhängigkeit von der jeweiligen Winkelposition der Lamellen 15 kann für das Modul 1 somit stufenlos eine beliebige Schallabsorptionsfläche zwischen einer minimalen Schallabsorptionsfläche von 0 m² (bei geschlossener Stellung der Schallabsorptionsstruktur 3) bis zu einer die Gesamtoberfläche der Löcher 12 umfassenden maximalen Schallabsorptionsfläche (bei geöffneter Stellung der Schallabsorptionsstruktur 3) eingestellt werden. Je größer der Neigungswinkel der Lamellen 15 gegenüber der Horizontalen ist, desto mehr werden die darunterliegenden Löcher 12 der Lochplatte 11 von den Lamellen 15 verdeckt und der Schall dadurch an einem Eindringen in den Schallabsorber 2 gehindert. Umgekehrt werden die Löcher 12 der Lochplatte 11 immer mehr freigegeben und somit das Eindringen der Schallwellen in den Schallabsorber 2 erleichtert, je kleiner der Neigungswinkel zwischen den Lamellen 15 und der Horizontalen gewählt ist. Mithilfe der vorbeschriebenen Variation des Neigungswinkels der Lamellen 15 kann daher für das Modul 1 eine stufenlose Einstellung der Schallabsorptionsfläche erreicht und die damit verbundene Nachhallzeit im Akustikraum zu jedem beliebigen Zeitpunkt optimal angepasst werden. Auf diese Weise kann je nach Nutzungsart des Akustikraumes (zum Beispiel als Konzert- oder Vortragssaal) ein optimales akustisches Raumklima geschaffen werden.
Im zweiten Ausführungsbeispiel nach 3 und 4 ist die Oberflächenstruktur 3 anstatt aus großflächigen Lamellen 15 aus mehreren beweglichen Segmenten 8 zusammengesetzt. Dabei ist in weiterem Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel jedem beweglichen Segment 8 ein eigener Formgedächtnisdraht 4 zugeordnet. Der Formgedächtnisdraht 4 und das Segment 8 sind in einer senkrecht zur Oberfläche der Lochplatte 11 verlaufenden Längsrichtung über ein Kopplungselement 14 miteinander verbunden. Eine Baugruppe bestehend aus Formgedächtnisdraht 4 und daran angeschlossenem Segment 8 ist dabei jeweils an einem zwischen horizontal benachbarten Löchern 12 gebildeten Steg 10 der Lochplatte 11 angebracht.
Das Blockieren und Freigeben der akustischen Pfade im Modul 1 des zweiten Ausführungsbeispiels nach 3, 3a und 4 wird dadurch bewerkstelligt, dass sich die Segmente 8 in radialer Richtung blütenartig auseinander- und wieder zusammenklappen lassen. Im deaktivierten (unbestromten) Ausgangszustand der Formgedächtnisdrähte 4 gemäß 3 und 3a nehmen die Segmente 8 jeweils ihre maximal zusammengeklappte Ausgangsstellung ein.
Entsprechend der Detailansicht nach 3a sind die Segmente 8 in dieser Ausgangsstellung dabei jeweils annähernd stabförmig ausgebildet und fluchten in Längsrichtung jeweils mit einem entsprechenden auf dem Steg 10 zwischen den Löchern 12 der Lochplatte 11 angebrachten Führungsstift 16. Das Segment 8 sitzt auf einem Ring 14, der wiederum auf dem Führungsstift 16 verschiebbar gelagert ist. Um diesen Führungsstift 16 verläuft eine konventionelle Druckfeder als Rückstellfeder 7. Sie ist am unteren Ende des Führungsstiftes 16 sowie am Ring 14 befestigt und schiebt diesen nach oben, wodurch sich das Segment 8 gemäß 3a blütenartig schließt. Der Formgedächtnisdraht 4 ist senkrecht zur Stiftachse so angebracht, dass seine Enden auf der Lochplatte 11 fixiert sind und er in der Mitte am Ring 14 befestigt ist, sodass er im deaktivierten, also langen Zustand in einer Dreiecksform aufgespannt ist. Bei Aktivierung verkürzt sich der Draht und zieht dabei den Ring 14 gegen die Federkraft der Rückstellfeder 7 (Druckfeder) arbeitend entlang des Führungsstiftes 16 in Richtung der Lochplatte 11. Dadurch werden die Segmente 8 aufgespannt und bilden in ihrer Gesamtheit eine geschlossene Fläche.
Im deaktivierten Ausgangszustand gemäß 3 und 3a (d. h. im Zustand, in dem keine Spannung oder kein Strom auf die Formgedächtnisdrähte 4 einwirkt und diese ihre maximale Länge annehmen) sind die akustischen Pfade durch die Löcher 12 der Lochplatte 11 zu dem dahinterliegenden Schallabsorber 2 freigegeben. Beim Auftreffen von Schallwellen auf das Modul 1 mit den (gemäß 3 und 3a) zusammengeklappten Segmenten 8 können die Schallwellen daher ungehindert durch die Löcher 12 der Lochplatte 11 in den dahinterliegenden Schallabsorber 2 eindringen und vollkommen absorbiert werden, sodass die Nachhallzeit im Akustikraum gesenkt wird.
Eine Aktivierung und nachfolgende Kontraktion des Formgedächntisdrahts 4 hat zur Folge, dass auf den Ring 14 des entsprechenden Segments 8 eine den Ring 14 in Längsrichtung des Führungsstiftes 16 verschiebende Kraft ausgeübt wird. Durch diese Kraftausübung wird der Ring 14 axial in Richtung der Lochplatte 11 gegen die Kraft der Rückstellfeder 7 (Druckfeder) arbeitend verschoben und so das Segment 8 blütenartig auseinandergeklappt. Erreicht der Formgedächtnisdraht 4 gemäß 4 seine maximal kontrahierte Länge, so bildet das Segment 8 eine maximal auseinandergeklappte, zur Oberfläche der darunterliegenden Lochplatte 11 parallele sechseckförmige Flächenstruktur. Durch diese Flächenstruktur werden die Löcher 12, die sich links, rechts, oberhalb und unterhalb des Stegs 10 befinden, an dem das Segment 8 befestigt ist, teilweise abgedeckt. Aufgrund der regelmäßigen sechseckförmigen Flächenstruktur ergänzen sich dabei die benachbarten Segmente 8 im maximal auseinandergeklappten Zustand gemäß 4 in einer Richtung parallel zur Oberfläche der Lochplatte 11 mosaikartig entlang des gesamten Moduls 1 zu einer geschlossenen Oberflächenstruktur 3. Somit werden alle Löcher 12 der darunterliegenden Lochplatte 11 schalldicht verschlossen und ein Eindringen von Schall in den Schallabsorber 2 unterbunden. Infolge der nahezu vollständigen Schallreflexion durch das Modul 1 wird die Nachhallzeit im Akustikraum erhöht.
Im zweiten Ausführungsbeispiel nach 3, 3a und 4 ist jeder Formgedächtnisdraht 4 mit einer Rückstellfeder 7 gekoppelt, die zwischen dem Steg 10 der Lochplatte 11 und einem zwischen Formgedächtnisdraht 4 und Segment 8 angeordneten Ring 14 eingespannt ist. Erfährt der Formgedächtnisdraht 4 durch Aufheizung infolge des angelegten elektrischen Stroms eine Kontraktion, so führt dies zu einer entsprechenden Kontraktion der Rückstellfeder 7. Bei Deaktivierung des Formgedächtnisdrahts 4 durch Unterbrechung des jeweiligen Stromkreises übt die kontrahierte Rückstellfeder 7 eine Zugkraft auf den Formgedächtnisdraht 4 aus, die diesen zurück auf seine Ausgangslänge expandiert. Dementsprechend wird auch auf das zu einer sechseckförmigen Flächenstruktur auseinandergeklappte Segment 8 gemäß 4 eine zum Rauminneren gerichtete expandierende Längskraft ausgeübt, die dafür sorgt, dass diese Flächenstruktur zusammengeklappt wird und das Segment 8 somit wieder die in 3 und 3a gezeigte stabförmige Ausgangsstellung einnimmt. Aufgrund dieses blütenartigen Zusammenklappens der Segmente 8 werden die akustischen Pfade zu dem dahinterliegenden Schallabsorber 2 wieder freigegeben, sodass die Schallwellen durch die Löcher 12 der Lochplatte 11 in den Schallabsorber 2 eindringen können, um somit ohne Schallreflexion in Form von Reibung in Wärme umgewandelt zu werden. Infolge der fast vollständigen Schallabsorption durch das Modul 1 wird somit die Nachhallzeit im Akustikraum verringert.
Unabhängig von den in 3, 3a und 4 gezeigten (maximal zusammengeklappten und maximal auseinandergeklappten) Extremstellungen der Segmente 8 kann durch eine bedarfsgerechte Bestromung der Formgedächtnisdrähte 4 jedes der Segmente 8 in eine beliebige Zwischenstellung zwischen diesen beiden Extremstellungen gesteuert werden. So kann mittels der Ansteuerelektronik 6 der Stromfluss durch den Formgedächtnisdraht 4 derart eingestellt werden, dass der Draht 4 ausgehend von der in 3 gezeigten Ausgangslänge auf eine Zwischenlänge kontrahiert wird, die das angeschlossene Segment 8 nicht vollständig (wie in 4), sondern nur teilweise auseinanderklappt. Auf diese Weise verbleiben zwischen den Segmenten 8 noch freie, von den Segmenten 8 nicht verdeckte Lochanteile. Dementsprechend wird nur ein Teil des auftreffenden Schalls (nämlich der auf die teilweise auseinandergeklappten Segmente 8 treffende Schall) vom Modul 1 reflektiert, wohingegen der übrige Teil des Schalls durch die unverdeckten Lochanteile in den Schallabsorber 2 eindringt und somit vom Modul 1 absorbiert wird. Das Auseinanderklappen der Segmente 8 kann durch Regulierung des entsprechenden Aktorstroms genau eingestellt werden, um für das Modul 1 eine beliebige Schallabsorptionsfläche zu erhalten.
Da jedes Segment 8 eine eigenständige Aktorik besitzt, kann jedes Segment 8 zudem separat angesteuert werden. Somit können entlang der Oberfläche des Moduls 1 lokal unterschiedlich große Schallabsorptionsflächen realisiert werden. Durch diese im zweiten Ausführungsbeispiel eröffnete Möglichkeit zur Variation der Schallabsorption entlang der Moduloberfläche wird ein weiterer Freiheitsgrad für die Anpassung der Nachhallzeit im Akustikraum gewonnen.
Der vorbeschriebene Lösungsansatz für eine adaptive Einstellung der Raumakustik durch Module 1 mit einer mittels einer Formgedächtnisaktorik aktiv verstellbaren Oberflächenstruktur 3 bietet im Vergleich zu derzeit bekannten Produkten deutliche Vorteile. Bedeutendster Vorteil, der mit diesem Lösungsansatz realisiert werden kann, ist die variable und kontinuierliche Veränderung der Nachhallzeit durch aktive Verstellung der Oberflächenstruktur 3 mittels der Formgedächtnisaktorik. Somit ist es möglich, in Reaktion auf jedes beliebige akustische Ereignis eine optimale akustische Feinabstimmung zu erreichen. Ein weiterer Vorteil, der mit dem erfindungsgemäßen adaptiven akustischen Modul 1 erzielt werden kann, ist die flexible Anpassung an jeden beliebigen Veranstaltungsort/-raum durch die Modulbauweise.
Das erfindungsgemäße Modul 1 kann in beliebiger Größe als Einzelmodul oder im Verbund mit weiteren erfindungsgemäßen Modulen 1 eingesetzt werden. Die Veränderung der Oberflächenstruktur 3 des Moduls 1 kann entweder (wie in 1 und 2) durch einen gemeinsamen Aktor 4 über die gesamte Moduloberfläche gleichmäßig erfolgen oder (wie in 3 und 4) durch getrennte Aktoren 4 segmentweise über die Moduloberfläche erfolgen. Aufgrund des hohen Arbeitsvermögens der Formgedächtniskatoren 4 ist es möglich, diese sehr kompakt auf kleinsten Bauraumabmessungen zu verbauen bzw. zu integrieren.
Die Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Moduls 1 sind aufgrund der Kompaktheit des Verstellmechanismus sehr flexibel gestaltbar. Die Module 1 können sowohl als Wände als auch als Kacheln oder Vorhänge hergestellt und eingesetzt werden. In den beiden in 1 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispielen haben die Module 1 jeweils die Form von rechteckigen, länglichen Tafeln (Paneelen). Anstelle der rechteckigen Tafeln (Paneele) kommen aber auch andere Formen in Betracht. Dabei ist es unerheblich, ob nur die Wände des Akustikraumes, der Boden, die Decke oder ob andere Raumteile mithilfe von in ihren Schallabsorptionsflächen stufenlos einstellbaren Modulen 1 entsprechend der vorstehend genannten Ausführungen ausgerüstet werden. Durch diese unterschiedlichsten Ausführungsformen ist es möglich, neben Neubauten z. B. auch historische Gebäude, in denen eine Musik- oder Sprachaufführung stattfinden soll, akustisch zu optimieren, ohne das Erscheinungsbild des Gebäudes zu zerstören. Weiterhin kann mithilfe des beschriebenen Lösungsansatzes Design und Technik vereint werden, wodurch das Wohlbefinden des Publikums zusätzlich verbessert wird.
Bezugszeichenliste

1: Akustisches Modul
2: Schallabsorber
3: Oberflächenstruktur
4: Aktor aus Formgedächtnislegierung/Formgedächtnisaktor/Formgedächtnisdraht
5: Bewegungsübertragungsmittel (Verstellstange)
6: Ansteuerelektronik
7: Rückstellfeder (Druckfeder)
8: Segment
9: Gehäuse
10: Steg
11: Lochplatte
12: Loch
13: Lochreihe
14: Ring
15: Lamelle
16: Führungsstift

Claims

Akustisches Modul (1) zum Beeinflussen von Schall in einem Raum oder einer akustischen Umgebung im Freien, umfassend einen Schallabsorber (2), der an der zum Rauminneren oder zur freien Umgebung gerichteten Oberfläche mit einer schallreflektierenden Oberflächenstruktur (3) versehen ist, wobei die Oberflächenstruktur (3) durch mindestens einen Aktor (4) aus einer Formgedächtnislegierung zwischen einer – geschlossenen Stellung, in der der Schallabsorber (2) durch die Oberflächenstruktur (3) verdeckt ist und die Oberflächenstruktur (3) eine den auftreffenden Schall reflektierende Fläche bildet, und – einer geöffneten Stellung, in der der auftreffende Schall in den Schallabsorber (2) eindringt, stufenlos verstellbar ist, um die Schallabsorptionsfläche des akustischen Moduls (1) und somit raumakustische Parameter variabel einzustellen, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstruktur (3) aus mehreren Segmenten (8) zusammengesetzt ist, die sich in der geöffneten Stellung der Oberflächenstruktur (3) jeweils in einem blütenartig zusammengeklappten Zustand und in der geschlossenen Stellung der Oberflächenstruktur (3) jeweils in einem blütenartig auseinandergeklappten Zustand befinden.
Akustisches Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (4) unmittelbar oder über ein Bewegungsübertragungsmittel (5) mit der Oberflächenstruktur (3) verbunden ist, um eine durch Aktivierung und Deaktivierung des Aktors (4) hervorgerufene Formänderung des Aktors (4) in eine Verstellung der Oberflächenstruktur (3) umzusetzen.
Akustisches Modul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (4) zwischen dem Schallabsorber (2) und der Oberflächenstruktur (3) angeordnet ist.
Akustisches Modul nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (4) in einen elektrischen Stromkreis geschaltet ist und zur Aktivierung einer Formänderung durch den hindurchfließenden elektrischen Strom aufheizbar ist.
Akustisches Modul nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Ansteuerelektronik (6) zur Regelung des durch den Aktor (4) fließenden elektrischen Stroms umfasst, um eine stufenlose Formänderung des Aktors (4) und Verstellung der Oberflächenstruktur (3) zu ermöglichen.
Akustisches Modul nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (4) aus mindestens einem Formgedächtnisdraht gebildet ist, der bei Aktivierung gegen den Zug einer Rückstellfeder (7) kontrahierbar und bei Deaktivierung von der Rückstellfeder (7) wieder zu einer Ausgangslänge expandierbar ist.
Akustisches Modul nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Gehäuse (9) umfasst, in dem der Schallabsorber (2) aufgenommen ist und das zum Rauminneren hin von einer Lochplatte (11) mit mehreren gleichmäßig voneinander beabstandeten Löchern (12) begrenzt ist, wobei die Oberflächenstruktur (3) auf der dem Rauminneren zugewandten Oberfläche der Lochplatte (11) angebracht ist, sodass die Löcher (12) der Lochplatte (11) je nach Stellung der Oberflächenstruktur (3) vollständig oder teilweise freigegeben oder verschlossen sind.
Akustisches Modul nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass an einem zwischen horizontal benachbarten Löchern (12) der Lochplatte (11) gebildeten Steg (10) jeweils ein Aktor (4) angebracht ist, der zum Rauminneren hin jeweils mit einem Segment (8) verbunden ist, sodass eine bei Aktivierung und Deaktivierung eintretende Formänderung des Aktors (4) zu einem stufenlos einstellbaren blütenartigen Auseinander- und Zusammenklappen des jeweiligen Segments (8) führt.
Akustisches Modul nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Aktor (4) jeweils mit einer Rückstellfeder (7) gekoppelt ist, die einen Führungsstift (16) umgibt und zwischen dem Steg (10) der Lochplatte (11) und einem zwischen Aktor (4) und Segment (8) angeordneten Ring (14) eingespannt ist, wobei der Aktor (4) mit seinen beiden Enden auf dem Steg (10) der Lochplatte (11) und in der Mitte am Ring (14) befestigt ist, sodass bei Aktivierung und Deaktivierung des Aktors (4) der Ring (14) auf dem Führungsstift (16) verschiebbar und das auf dem Ring (14) sitzende Segment (8) blütenartig auseinander- und zusammenklappbar ist.
Akustisches Modul nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente (8) in ihrem blütenartig auseinandergeklappten Zustand jeweils eine regelmäßig sechseckige Form annehmen, die es ermöglicht, dass sich benachbarte Segmente (8) in einer Richtung parallel zur Oberfläche der Lochplatte (11) bündig ergänzen, um die Löcher (12) der darunterliegenden Lochplatte (11) zu verschließen und ein Eindringen von Schall in den Schallabsorber (2) zu unterbinden.
Akustisches Modul nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Schallabsorber (2) aus einem porösen Absorber gebildet ist, sodass der eindringende Schall in den Poren des Absorbers durch Reibung in Wärmeenergie umwandelbar ist.
Raum, gebildet von mehreren zumindest teilweise als Tragkonstruktion wirkenden Wänden und einer Decke, sowie einem Boden, gekennzeichnet durch ein akustisches Modul (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 11, wobei das akustische Modul (1) an der Tragkonstruktion befestigbar ist oder das akustische Modul (1) frei im Raum angeordnet ist.
Akustische Umgebung im Freien bei Freiluftkonzerten, Freilichtbühnen, Volksfesten oder in Freizeit- und Vergnügungsparks, gekennzeichnet durch ein akustisches Modul (1) nach zumindest einer der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 11.
Verfahren zum Beeinflussen von Schall in einem Raum oder einer akustischen Umgebung im Freien, wobei eine Schallabsorptionsfläche mindestens eines an Wand, Decke oder Boden des Raumes befestigten oder frei im Raum angeordneten akustischen Moduls (1) und somit raumakustische Parameter variabel eingestellt werden, indem eine schallreflektierende Oberflächenstruktur (3) des akustischen Moduls (1) in ihrer Stellung zwischen einer – geschlossenen Stellung, in der ein Schallabsorber (2) des akustischen Moduls (1) in Richtung auf das Rauminnere oder die freie Umgebung durch die Oberflächenstruktur (3) verdeckt ist und die Oberflächenstruktur (3) eine den auftreffenden Schall reflektierende Fläche bildet, und – einer geöffneten Stellung, in der der auftreffende Schall in den Schallabsorber (2) des akustischen Moduls (1) eindringt, durch mindestens einen Aktor (4) aus einer Formgedächtnislegierung stufenlos verstellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstruktur (3) aus mehreren Segmenten (8) zusammengesetzt ist, die sich in der geöffneten Stellung der Oberflächenstruktur (3) jeweils in einem blütenartig zusammengeklappten Zustand und in der geschlossenen Stellung der Oberflächenstruktur (3) jeweils in einem blütenartig auseinandergeklappten Zustand befinden.