DE19506511A1 - Plattenresonator - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Plattenresonator zur breitbandigen Bedämpfung
von Räumen, insbesondere geschlossenen, relativ kleinen Räumen, z.B: 4×5
m² und 3 m Höhe.
Schalldämpfende Maßnahmen in geschlossenen Räumen dienen bisher vor
allem zwei ganz unterschiedlichen Zielen:
- - möglichst guter Übertragung zwischen Schallquellen und auf diese fixierten Zuhörern ("Raumakustik"),
- - möglichst geringer Einwirkung von Schallquellen auf durch diese belastete Arbeitsplätze ("Lärmbekämpfung").
Während es im ersten Fall darauf ankommt, Schallereignisse im Raum so
unverfälscht, natürlich und effektvoll wie möglich stattfinden zu lassen, geht
es im zweiten Fall darum, diese so stark wie möglich in ihrem
Geräuschspektrum zu verändern, wenn dabei nur ihre Lautstärke genügend
reduziert werden kann. Neben dieser traditionellen Aufgabe für Akustiker wird
einem dritten Problembereich bei Bauherren und Planern zunehmend
Aufmerksamkeit geschenkt:
- - der Rückwirkung kleiner Räume auf das Schallereignis (vor allem bei
tiefen Frequenzen) und einer damit verbundenen ganz anderen Art von
Belastungen an besonders hochwertigen Arbeitsplätzen:
Schlechte Sprachverständlichkeit und starke Klangverfärbung können die Arbeitsbedingungen von z. B. Sprechern, Musikern, Lehrern und Ton ingenieuren sehr nachhaltig beeinträchtigen. Da diese "Raumrückwirkung" es Musikern in der Gruppe massiv erschwert, sich selbst zu hören und zu kontrollieren, animiert sie zum lauten Spielen. In nicht richtig bedämpften kleineren Räumen (z. B. in Kellergewölben, aber auch in teilweise überdachten Orchestergräben) können so durchaus gehörschädigende Schallpegel weit über 100 dB(A) aufgebaut werden.
Die Übertragungsfunktion eines Rechteckraumes mit den Abmessungen von
z. B. 5×4×3 m³ weist im ungedämpften Rohbau-Zustand bei konstanter
Luftschall-Anregung Pegelunterschiede bis zu 40 dB zwischen den Maxima
und Minima für beliebige Sende- und Empfangspunkte auf. Wenn man
bedenkt, daß sich in einer realen Situation die Übertragungsfunktion des
Raumes, wie in Bild 1 dargestellt, mit derjenigen eines Baß-Instruments
überlagert, wird deutlich, daß der Raum kräftig mitspielen kann, wenn man
seine Eigenresonanzen unbehandelt läßt. So ungleichförmig wie die
Frequenzabhängigkeit des ganzen Raumes ist, so ungleichmäßig ist die
räumliche Intensitätsverteilung des Schallfeldes bei einer bestimmten
Frequenz (s. Bild 2). Aber auch das Abklingverhalten des Raumes während
einer Sendepause wird bei Frequenzen zwischen zwei Resonanzspitzen von
empfindlichen Ohren als sehr unangenehm schwankend empfunden. Den
Klang verfälschende "Verzerrungen" bis hin zum bekannten "Dröhnen" bei
Sprache wie Musik machen so anspruchsvollen Künstlern und
Toningenieuren ihre qualifizierte Arbeit allzuoft unnötig schwer.
Das Problem ist aber, in abgeschwächter Form, auch in Hörsälen,
Sitzungsräumen und Wohnzimmern weit verbreitet, wenn diese nur schwach
möbliert sind; nur wissen die Nutzer mit weniger geschulten Ohren den Grund
für ihr Unwohlsein in solchen Räumen oft nicht zu artikulieren. Die Tatsache,
daß in manchen Räumen an Teilen der Decke hinter Lochplatten eine dünne
Schicht aus z. B. Mineralfasern in gut gemeinter Absicht installiert wurde,
kann das Problem übrigens nicht lösen; auch die nachträgliche Anbringung
absichtsvoll strukturierter Weichschaumplatten hilft nicht richtig weiter, läßt
manchmal die Problematik bei tiefen Frequenzen sogar noch deutlicher
hervortreten.
Im Bereich des Studiobaus ist es seit langem üblich, bei Bedarf spezielle
Tiefen-Absorber in kleine Aufnahme- und Wiedergaberäume einzubauen.
Allerdings beanspruchen diese bisher viel Raum und erfordern den Einsatz
großer Mengen künstlicher Mineralfasern (KMF). Mit den bekannten
"Kassetten-Decken", "Baß-Fallen" und "Kanten-Absorbern" ist es allerdings
noch relativ teuer und raumverschwendend, bei tieferen Frequenzen die
unbedingt notwendige Absorption zu besorgen [2] ([2] Fuchs, H.V.: Zur
Absorption tiefer Frequenzen in Tonstudios. Rundfunktechnische Mitteilungen
36 (1992), H. 1, S. 1-11). Anstelle glatter Raumbegrenzungen entsprechend
dem jeweiligen architektonischen Entwurf springen diese Absorber förmlich
aus der Wand oder Decke heraus. Bei späteren Nachbesserungen weiß man
sich im allgemeinen nur mit ebenfalls ziemlich voluminösen "Ecken-Stehern"
mehr schlecht als recht zu helfen. Seit Jahren beschäftigt sich die Anmelderin
mit der Entwicklung verschiedener Alternativer/Faserfreier Absorber für den
technischen Schallschutz [3] ([3] Fuchs, H.V.; Ackermann, U.; Rambausek,
N.: Schallschutz: Schallabsorber für einen breiten Frequenzbereich.
Deutsches Architektenblatt 22 (1990), H. 7, S. 1129-1132). Mit dem
sogenannten "Membran-Absorber" nach [2] (Bild 3) konnten bereits einige
Nachteile konventioneller Absorber abgebaut werden:
- 1. er kommt ohne den Einsatz der als gesundheitsgefährdend verdächtigen KMF aus,
- 2. er kann bei einer Bautiefe von nur 100 mm z. B. auf Frequenzen unter 100 Hz abgestimmt werden,
- 3. er zeichnet sich durch eine rundum hermetisch abgeschlossene Bauweise aus,
- 4. er läßt sich mit seinen allseitig völlig glatten Oberflächen und seiner innen angebrachten Wabenstruktur ganz aus nur einem Material, z. B. Stahl oder Aluminium, herstellen,
- 5. er läßt sich als selbständiges, stabiles Bauteil äußerst mobil und vielseitig einsetzen.
Bei zahlreichen Anwendungen in der Raumakustik wurden aber auch einige
Nachteile des MA deutlich:
- 1. seine relativ schmalbandig auf tiefe Frequenzen abgestimmte Wirksamkeit erfordert in vielen Fällen die Anbringung zusätzlicher poröser oder faseriger Absorber neben oder vor dem MA zur Bedämpfung mittlerer und hoher Frequenzen,
- 2. seine eigenständige, kompakte und kantige Bauweise läßt sich nicht in jedes architektonische Konzept einfügen,
- 3. Seine Herstellung ist im Vergleich zu allen herkömmlichen raumakustischen Verkleidungen von Decken und Wänden sehr teuer.
In den meisten raumakustischen Anwendungen kommt die außerordentliche
Robustheit der MA, die durch ihren äußeren "Rahmen", ihre (bei einseitiger
Auslegung) rückseitige "Wanne" sowie ihre inneren "Waben" bedingt wird,
gar nicht zur Geltung. Dagegen will man die Absorber häufig viel lieber hinter
einer großflächig tapezierten Fläche (z. B. auch einer "Vorsatzschale")
verschwinden lassen. Manchen Architekten und Bauherren sehen irgendwie
hervortretende Tiefen-Absorber auch zu technisch aus.
Herkömmliche Mitschwinger als Schallabsorber, auch die sogenannten
Folien-, Membran- und Platten-Resonatoren (s. z. B. Tafel 7, S. 409-420 in
[4] (Fasold, W.; Sonntag, E.; Winkler, H.: Bau- und Raumakustik. Verlag
Bauwesen, Berlin, 1987.)) weisen zwar oft eine mehr oder weniger ebene
Oberfläche auf. Die Platten aus z. B. Holzspan, Hartfaser, Sperrholz oder
Gipskarton werden aber üblicherweise auf einer Unterkonstruktion aus
Holzbalken und -leisten montiert, die naturgemäß immer etwas "arbeitet".
Deswegen lassen sich solche "Vertäfelungen" zwar streichen, aber kaum
dauerhaft übertapezieren. Man meint (s. S. 207 in [5]: Biehn K.; Gruhl, S.:
Absorptionsschalldämpfer. In: Lärmbekämpfung. Hrsg. W. Schirmer, Verlag
Tribüne, Berlin 1989), daß die Schalldämpfung bei und in der Nähe der aus
Masse der Platte und Federsteife des zwischen Platte und schallharter
Rückwand eingeschlossenen Luftkissens definierten Resonanzfrequenz durch
die inneren Verluste bestimmt wird. Zusätzlich z. B. in der Form einer losen
porösen Absorberfüllung im Luftvolumen eingebrachte "Strömungswider
stände" können nach dieser weit verbreiteten Vorstellung die Bandbreite
dieser Resonanz-Schalldämpfer etwas vergrößern. Es lag daher nahe, den
Luftraum aus diesen und einigen hygienischen und praktischen Gründen
heraus stets rundum durch Leisten oder Rahmen mehr oder weniger dicht
abzuschließen. In [6] ([6] Fasold, W.: Schallabsorber und ihr Einsatz in
Wohn- und Gesellschaftsbauten. In: Taschenbuch Akustik, Teil II. Hrsg. W.
Fasold et al., Verlag Technik, Berlin, 1984) heißt es hierzu explizit: "Der
Schallabsorptionsgrad bei der Resonanzfrequenz beträgt etwa 0,5 bis 0,8,
ohne Dämmstoff im Luftraum nur 0,3 bis 0,5. Voraussetzung ist dabei, daß
die Platte tatsächlich frei schwingen kann; der Dämmstoff darf deshalb
keinesfalls fest zwischen Wand und Platte eingestopft werden . . . Günstig
wirkt sich eine Kassettierung des Luftvolumens aus, weil dadurch die
Schallausbreitung im Luftraum unterbunden wird."
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Absorber zu schaffen, der einfach
aufgebaut ist und ohne künstliche Mineralfasern auskommt. Dies wird
erfindungsgemäß durch den Schallabsorber nach Anspruch 1 gelöst,
vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Demgegenüber verzichtet das erfindungsgemäße Bauteil gemäß Bild 4 auf
- - den umlaufenden Rahmen
- - die rückseitige Wanne
- - die streifenförmige Unterkonstruktion,
- - jegliche Kassettierung im Luftzwischenraum
- - den losen Strömungswiderstand daselbst.
Statt dessen kennzeichnet das erfindungsgemäße Bauteil
- 1. eine dünne Frontplatte (1) mit extrem niedriger innerer Reibung aus Metall (z. B. 0,5 bis 2,0 mm St oder AL),
- 2. eine den gesamten Zwischenraum zwischen Frontplatte und Rohbauteil einnehmende dicke Rückenplatte (2) mit extrem hoher innerer Reibung (z. B. 50 bis 200 mm eines feinzellig geschäumten Elastomers, wie es als Polyurethan oder Polyäthylen auch für die Schwingungsisolierung von Maschinen und Gebäuden Verwendung findet),
- 3. eine dauerhafte, vollflächige, feste Verbindung (3) zwischen Front- und Rückenplatte, so daß jede durch Luftschall vom Raum her angeregte Schwingung der Frontplatte vollständig auf die Rücken platte übertragen wird, beide also stets gemeinsam als komplexes Masse/Feder/Reibung-Schwingsystem in Resonanz geraten und so dem Schallfeld Energie entziehen,
- 4. eine großflächig (0,5 bis 2,0 m²) in Raumecken mit besonders hoher Schallenergiedichte nach Art eines Trampolins aufspannbare, in allen ihren Elementen frei nachgiebige, ebene, bis zu ihren Rändern homogen aufgebaute, wand- oder deckenparallele Struktur,
- 5. eine allseitig zwar durch die Elastomer-Platte geschlossene, aber den seitlichen Schalleintritt in die Rückenplatte nicht behindernde Berandung.
Dabei kann die Befestigung des erfindungsgemäßen Bauteils, z. B. an der
Decke, punktförmig, streifenförmig oder ganzflächig mit Hilfe von Klebstoff,
Klebstreifen oder sogenannten Klettverbindungen (4) geschehen. Für
Montage und Demontage sowie Rückführung oder Entsorgung des e.B. wäre
es jedenfalls von Vorteil, wenn die Verbindungen (3) von Front- und
Rückenplatte ebenso wie die von e.B. und Baukörper (5) ohne schlecht
entfernbare oder zu entsorgende Rückstände jederzeit wieder gelöst werden
könnten. Hierfür stehen zahlreiche in der Textil- und Verpackungsindustrie
verwendete Materialien und Verbindungstechniken zur Verfügung. Man kann
aber auch Befestigungselemente, die zur Montage von Fassadenelementen
(außen) und Vorsatzschalen (innen) in vielfältiger Ausführungsform zum
Einsatz kommen, so verwenden, daß das an das inhomogene Schallfeld in
kleinen Räumen angepaßte erzwungene Mitschwingen der innig verbundenen
Front- und Rückenplatten so wenig wie möglich durch diese behindert wird.
Ein solches Beispiel, wie es sich z. B. zur Wandauskleidung empfiehlt, zeigt
Bild 5: die schmalen Winkelschienen (8), die z. B. mittels kleiner Platten (9) im
Rohbauteil verdübelt werden und dem e.B. Halt und Fixierung geben, bleiben
hinter der Frontplatte unsichtbar. Die Arretierung der Frontplatte kann z. B.
formschlüssig durch an der Rückseite der Frontplatte angebrachte
Hartgummi-Zapfen nach Bild 6 geschehen, die in vorbereitete Löcher in den
Platten (10) der Eckprofile nach Art von Druckknöpfen (11) einrasten. In
jedem Falle empfiehlt sich die Anbringung einer dauerelastisch nachgiebigen
Schicht (3) aus einem Elastomer auch zwischen der Frontplatte und den
Eckprofilen. Aber auch eine Verschraubung ohne (12) oder mit (13) einer
gewissen Einsenkung an den Durchgangslöchern der Frontplatte nach Bild 6
ist denkbar. Man kann bei sichtbarer Kantenbefestigung, wie in Bild 7
skizziert, auch die Kanten-Überdeckungen als Stilmittel zur Gestaltung der
Oberfläche mit einsetzen. Jedenfalls kann die Befestigung so gestaltet
werden, daß der Innenarchitekt oder Dekorateur eine statisch gut fixierte,
stabile, glatte Oberfläche vorfindet, die er nach Belieben
- - überstreichen
- - bedrucken
- - beschichten
- - bespannen
- - strukturieren
kann, ohne seine schalltechnischen Eigenschaften wesentlich zu verändern.
Der Schallabsorber steht damit dem Innenausbau nicht im Wege, sondern
bietet sich als zusätzliches Gestaltungselement (z. B. auch als Spiegel) an,
wenn das Bauteil an der Wand befestigt ist oder im Raum steht.
Wie alle vom einfallenden Luftschall zum Mitschwingen anzuregenden
Schallabsorber muß auch das erfindungsgemäße Bauteil auf den
gewünschten Frequenzbereich abgestimmt werden. Für Räume unter ca. 200
m³ ist der Frequenzbereich von 125 bis 63 oder gar 50 Hz von besonderem
Interesse [1] ([1] Fuchs, H.V.; Hunecke, J.: Der Raum spielt mit bei tiefen
Frequenzen. Das Musikinstrument 42 (1993), H. 8, S. 40-46.). Wenn in der
Literatur überhaupt Absorptionsgrade unter 125 Hz zu finden sind (s. Tafel 7
in [4]), so werden Zahlenwerte von kaum mehr als 0,6 bei 100 Hz und selten
mehr als 0,3 bei 63 Hz angegeben. Dies hat wohl 3 Ursachen:
- (a) Zum einen beginnen auch in genormten Hallräumen unter 125 unüberwindliche meßtechnische Probleme, die genau mit den hier im Vordergrund stehenden Raum-Resonanzen zusammenhängen, gegen welche die so tief abgestimmten Absorber später bevorzugt eingesetzt werden sollen.
- (b) Zum anderen fällt es offenbar schwer, Platten-Resonatoren herkömmlicher Bauart so tief mit ausreichender Bandbreite abzustimmen. Man nimmt daher manchmal zu ziemlich voluminösen und zerklüfteten "Kassettendecken" (Bild 8), "Baßfallen" (Bild 9) und "Kantenabsorbern" Zuflucht, deren Bautiefe D dann allerdings bei einem Viertel der Wellenlänge λ liegen sollte, mit der Frequenz f [Hz].
- (c) Schließlich erscheint es nach dem heutigen Stand des Wissens gar nicht sinnvoll, den hier anvisierten Tiefenabsorber in der herkömmlichen Art und Weise durch den Absorptionsgrad, gemessen in einem möglichst diffusen Schallfeld wie im Hallraum nach DIN 52 212 zu kennzeichnen. Ein an die spätere Anordnung in den Ecken oder Kanten eines Rechteckraumes besser angepaßtes Meß-, Prüf- und Beurteilungsverfahren läßt die Wirksamkeit dieser speziellen Resonanzabsorber viel deutlicher erkennen. Ähnlich der zur Ermittlung der Nachklingzeiten bei tiefen Frequenzen erfolgreich eingeführten Methode [7] ([7] Oelmann, J.; Zha, X.: Zur Messung der "Nachhallzeiten" bei geringer Eigenmodendichte. Rundfunktechnische Mitteilungen 30 (1986), H. 6, S. 257-268) wird dabei das Abklingen an einer Mikrofonposition in einer Raumecke bei den verschiedenen Eigenresonanzen des Raumes bestimmt. Aus der Differenz der so sauber meßbaren Abklingzeiten t₀ ohne bzw. tm mit den ebenfalls in den Ecken angebrachten Absorbern kann man dann, wie üblich, eine auf die Bauteiloberfläche S bezogene (oder "effektive") Absorptionsfläche Ae als "äquivalenten" Absorptionsgrad definieren und so verschiedene Absorber für diese spezielle Anwendung gezielt miteinander vergleichen.
Bild 10 zeigt ein Beispiel einer solchen αe-Messung: ab 100 Hz aufwärts mit
Terzrauschen und unterhalb 100 Hz mit Sinus-Anregung bei den
Eigenresonanzen (bis 35 Hz herunter) gemessen. Wenn man mit diesem
Prototyp nur etwa 10% der gesamten Raumbegrenzungsfläche in den Ecken
und Kanten belegt, so läßt sich seine Übertragungsfunktion (vgl. Bild 1)
gemäß Bild 11 auf kaum mehr als 10 dB Pegelschwankung unter 100 Hz
glätten. Mit dem erfindungsgemäßen Bauteil steht damit ein sehr effektives
Mittel zur Verfügung, um in kleinen Räumen das "Dröhnen" zu vermeiden
bzw. zu beseitigen. Bild 12 zeigt die mit verschiedenen Prototypen (alle mit
nur 100 mm Bautiefe und einem Flächengewicht von 7-20 kg/m²) optimierte
Nachhallzeit eines Tonstudios: bei einer ca. 30%-igen Belegung steigt die
Nachklingzeit erst unterhalb 63 Hz auf etwas höhere Werte an.
Als "Tiefenschlucker" ist der Platten- oder Paneele-Resonator gem. Tafel 7 in
[4] in vielen Konzertsälen anzutreffen. Seine Resonanzfrequenz läßt sich
nach [8] ([8] Cremer, L.; Müller, H.A.: Die wissenschaftlichen Grundlagen der
Raumakustik, Band 1, Hirzel Verlag, Stuttgart, 1978) (§ 29 bis 31) durch
mit c₀; ρ₀ Schallgeschwindigkeit und Dichte der Luft im Zwischenraum der
Dicke D[cm] zwischen der Platte mit der Dicke t, der Dichte St sowie dem
Flächengewicht m′′ [kg/m²] verläßlich abschätzen. Man weiß zwar, daß die
innere Reibung der in der Nähe der Randeinspannung verformten Platte nicht
ausreicht, um eine brauchbare Absorption zu erreichen. Wie hoch und breit
diese aber durch zumindest teilweise "Hinterfüllung" des Luftraumes mit
"Schluckstoff", in dem die Luftbewegung durch Scherkräfte in den
Grenzschichten des als starr angenommenen Poren- oder Fasergerüsts
bedämpft wird, tatsächlich ausfällt, bliebt stets Messungen, bevorzugt im
Hallraum, vorbehalten. In [6] heißt es auf S. 921 hierzu: "Die Vielzahl von
Einflüssen auf die Schallabsorption, die insbesondere von der Art der
Befestigung (der Platte) herrührt, macht die Bemessung von
Plattenschwingern etwas unsicher. Es ist daher empfehlenswert, sich auf
Meßergebnisse zu stützen." (s.a. Tafel 6.29 in [6]). Außerdem führten
Betrachtungen wie diejenigen unter Ziffer 7 in [9] ([9] Fuchs, H.V.; Zha, X.:
Transparente Vorsatzschalen als Schallabsorber im Plenarsaal des
Bundestages. Bauphysik 16 (1994), H. 3, S. 69-80) immer wieder dahin, daß
zur Erzielung kleiner Kennwiderstände und damit großer Bandbreite relativ
leichte Platten und große Bautiefen bei tiefen Frequenzen unausweichlich
schienen. Diesem Dilemma versuchte der unter Ziffer 7.2 in [9] beschriebene
Membran-Absorber mit der zusätzlich unterhalb der Platten-Resonanz nach
Gl. (3) anschließenden Helmholtz-Resonanz mit einigem Erfolg zu begegnen.
Auch mit verhältnismäßig schweren Loch- und Deckmembranen ließen sich
recht breitbandige Schallabsorber entwickeln [10] ([10] Hunecke, J.; Zhou, X.:
Resonanz- und Dämpfungsmechanismen in Membran-Absorbern. VDI
Berichte 938, Düsseldorf: VDI-Verlag, 1992, S. 187-196). Aber auch der
Membran-Absorber bleibt mit seiner relativ engen Kassettierung dem lokal
wirksamen Feder/Masse-System mit konzentrierter Masse und Luftfeder
verhaftet. Allerdings wurde in [10] schon deutlich, daß man die
Deckmembran, in Anpassung an die Geometrie der Kassettierung, auch in
ihren Eigenfrequenzen anregen kann.
Bei Plattenabmessungen in der Größenordnung von 1 bis 2 m kann sich die
Frontplatte des e.B. mit ihren Schwingungen in gewisser Weise an die
räumliche und zeitliche Struktur der Raummoden "anpassen" und so wegen
ihrer rundum freien Beweglichkeit optimal verformen und mitschwingen. Am
stärksten wird dieses erzwungene Mitschwingen natürlich in den Ecken und
Kanten der Rechteckräume, in denen sich die Luftschall-Energie bei den
tiefen Frequenzen der niedrigsten Eigenmoden des Raumes stark
konzentriert. Eine allenfalls an den 4 Ecken aufgestützte Frontplatte liegt mit
ihrer tiefsten Eigenfrequenz f1,0 nach [10] so niedrig (jedenfalls unter 10 Hz),
daß jede Raummode zwischen 50 und 100 Hz benachbarte Plattenmoden
findet, mit denen sie gekoppelt schwingen kann. Für die an zwei im Abstand L
einander gegenüberliegenden Rändern aufgestützte Platte wird mit Gl. (6,41)
in [8]
mit der Longitudinalwellengeschwindigkeit cL im Plattenmaterial ein
Anhaltswert für die Grundfrequenz der Platte angegeben, für 2,5 mm Stahl
und L = 1 m mit cL = 5.100 m/s also z. B. f₁ ≅ 6 Hz. Durch die Kopplung dieser
Plattenschwingungen mit einem Luftzwischenraum zur Wand oder Decke
würde die Anregung der Platte schon ziemlich kompliziert. Aber auch ohne
Rechnung kann man sich wohl vorstellen, daß ihre Schwingungen kaum mehr
nur durch eine Hinterfüllung mit einem losen Strömungswiderstand bedämpft
werden kann. Für derartig schwere Platten muß man sich statt dessen viel
massiverer Dämpfungsmaßnahmen bedienen:
So wie man durch Körperschall angeregte Bleche z. B. im Karosseriebau mit
einem viskoelastischen ("Antidröhn"-) Belag bedämpft, so könnte man daran
denken, die vom Luftschall erzwungenen Schwingungen der Frontplatte durch
einen etwa gleich dicken, z. B. bituminösen Belag zu absorbieren. Das e.B.
geht aber noch einen entscheidenden Schritt weiter: es ersetzt den gesamten
Luftzwischenraum durch eine sowohl federnde, als auch dämpfende
Elastomer-Platte. Diese reduziert mit ihrer gegenüber Luft kleineren
Schallgeschwindigkeit CD die Resonanzfrequenz nach Gl. (3), gleichzeitig
wirkt aber in derselben Gleichung ihre größere Dichte ρD in anderer
Richtung:
Die Rückenplatte wirkt aber nicht nur als selbst federndes Element mit hohen
"inneren" (viskoelastischen) Verlusten sondern, bei rundum offenem Zugang
der Luftschallwellen auch noch als (dem Luftschall gegenüber) praktisch
starre, aber offenporige Struktur mit bekanntermaßen hoher "äußerer"
Reibung in den sich bildenden instationären Scherschichten.
Den verschiedenen Wirkungsmechanismen entsprechend lassen sich
typischerweise 3 starke Dämpfungseffekte im Absorptionsspektrum von Bild
10 ablesen, das nach einem auf das spezielle Problem zugeschnittene
Meßverfahren ermittelt wurde:
- 1) Das Wirkungsmaximum liegt für eine 0,8 mm dicke Stahl-Frontplatte im Verbund mit einer 100 mm dicken PU-Schaum-Platte in ungefährer Übereinstimmung mit Gl. (3) und (5) zwischen 50 und 100 Hz.
Für noch schwerere Frontplatten verschiebt sich dieses Maximum tendenziell
zu noch tieferen Frequenzen, erreicht aber nur noch etwas geringere Werte
der auf die Bauteiloberfläche bezogenen äquivalenten Absorptionsfläche
nach Gl. (2). Dabei spielt es keine große Rolle, in welchen der Raumecken
die Absorber aufgestellt oder etwa auch, wie in Bild 13 angedeutet, liegend
(bzw. entsprechend an der Decke befestigt) angeordnet werden.
- 2) Besonders starke Absorptions-Spitzen treten bei den einzelnen Raum- Resonanzen auf.
Werte weit oberhalb 1 (bis maximal 2,5) dürfen nicht verwundern, da die
Absorber ja eben nicht gleichmäßig an allen Begrenzungsflächen eines
diffusen Hallfeldes, sondern ganz bewußt dort plaziert werden, wo sie ihre
maximale Wirksamkeit entfalten. Außerdem wirken die Resonanzabsorber
nicht nur dissipativ, d. h. dämpfend, auf die Raummoden, sondern auch
reaktiv, d. h. die Eigenresonanz verstimmend. Die Resonanzen des
Hohlraumes und der Verbundplatte bilden zusammen neue, jetzt aber stark
bedämpfte, großräumig gekoppelte Schwingungen. Deshalb ist die
äquivalente Absorption, wie sie sich aus den Nachhallmessungen nach Gl. (2)
ergibt, auch besonders stark, wenn zwei Eigenfrequenzen dicht beieinander
liegen.
- 3) Oberhalb etwa 100 Hz zeigt Bild 10 ebenfalls eine Absorption weit oberhalb 0,5 bis an 1, die nicht durch Mitschwingen der Verbundplatte erklärt werden kann.
Obgleich die frontal auftreffenden Schallwellen von der Verbundplatte bei
höheren Frequenzen eigentlich total reflektiert werden müßten, sorgt die
endliche Ausdehnung und die rundum offene Bauweise des
erfindungsgemäßen Bauteils dafür, daß Schallwellen bei mittleren
Frequenzen (zwischen etwa 100 und 1000 Hz) durch Beugung in die poröse
Rückenplatte gelangen und dort wie in einem konventionellen passiven
Absorber in Wärme umgewandelt werden. Diesen Effekt kann man im
erfindungsgemäßen Bauteil selbst dann noch sehr vorteilhaft nützen, wenn
man bei einer völlig geschlossenen Wand- oder Deckenauskleidung zwischen
den unterschiedlich abgestimmten erfindungsgemäßen Bauteilen schmale
(etwa 50-100 mm breite) Streifen gleicher Bautiefe wie derjenigen des
erfindungsgemäßen Bauteils aus einem offenporigen Material einbaut, so daß
eine ebene, geschlossene schachbrettartige Anordnung, wie z. B. in Bild 14
angedeutet, entsteht. So ist es möglich, die Nachhallzeit eines Raumes
nahezu beliebig frequenzabhängig einzustellen, z. B. so wie in Bild 12. Das
e.B. stellt damit einen Breitband-Absorber mit variabler Frequenz-
Charakteristik für die verschiedensten Anwendungen dar.
[1] Fuchs, H.V.; Hunecke, J.: Der Raum spielt mit bei tiefen Frequenzen.
Das Musikinstrument 42 (1993), H. 8, S. 40-46.
[2] Fuchs, H.V.: Zur Absorption tiefer Frequenzen in Tonstudios.
Rundfunktechnische Mitteilungen 36 (1992), H. 1, S. 1-11.
[3] Fuchs, H.V.; Ackermann, U.; Rambausek, N.: Schallschutz: Schall
absorber für einen breiten Frequenzbereich. Deutsches Architektenblatt
22 (1990), H. 7, S. 1129-1132.
[4] Fasold, W.; Sonntag, E.; Winkler, H.: Bau- und Raumakustik.
Verlag Bauwesen, Berlin, 1987.
[5] Biehn K.; Gruhl, S.: Absorptionsschalldämpfer. In: Lärmbekämpfung.
Hrsg. W. Schirmer, Verlag Tribüne, Berlin 1989.
[6] Fasold, W.: Schallabsorber und ihr Einsatz in Wohn- und Gesell
schaftsbauten. In: Taschenbuch Akustik, Teil II. Hrsg. W. Fasold et al.,
Verlag Technik, Berlin, 1984.
[7] Oelmann, J.; Zha, X.: Zur Messung der "Nachhallzeiten" bei geringer
Eigenmodendichte. Rundfunktechnische Mitteilungen 30 (1986), H. 6,
S. 257-268
[8] Cremer, L.; Müller, H.A.: Die wissenschaftlichen Grundlagen der Raumakustik, Band 1, Hirzel Verlag, Stuttgart, 1978.
[8] Cremer, L.; Müller, H.A.: Die wissenschaftlichen Grundlagen der Raumakustik, Band 1, Hirzel Verlag, Stuttgart, 1978.
[9] Fuchs, H.V.; Zha, X.: Transparente Vorsatzschalen als Schallabsorber
im Plenarsaal des Bundestages. Bauphysik 16 (1994), H. 3, S. 69-80.
[10] Hunecke, J.; Zhou, X.: Resonanz- und Dämpfungsmechanismen in
Membran-Absorbern. VDI Berichte 938, Düsseldorf: VDI-Verlag, 1992,
S. 187-196.
Bild 1: Übertragungsfunktion eines etwa 5×4×3 ins großen
Rechteckraumes im Rohbauzustand
Bild 2: Durch Schwärzung angedeutete Schalldruckverteilung eines 7,1×6,2×2,3 m³ großen Rechteckraumes [1]
Bild 3: Kompaktabsorber nach DE 35 (MA), bestehend aus:
Bild 2: Durch Schwärzung angedeutete Schalldruckverteilung eines 7,1×6,2×2,3 m³ großen Rechteckraumes [1]
Bild 3: Kompaktabsorber nach DE 35 (MA), bestehend aus:
- (a) Rückwand bzw. Wanne
- (b) Waben- bzw. Kassetten-Struktur
- (c) Hohlkammern, nur mit Luft gefüllt
- (d) Schwingungsfähige Lochmembran
- (e) Schwingungsfähige Deckmembran
Bild 4: Verbundplatten-Resonator (schematisch) zur breitbandigen
Bedämpfung kleiner Räume
1 Frei schwingende Platte (z. B. 0,5 bis 2 mm St oder AL)
2 Mitschwingende poröse Dämpfungsschicht (z. B. 50 bis 200 mm Melaminharz-Weichschaum
3, 4 Ganzflächige adhäsive Verbindung zwischen Front- und Rückenplatte bzw. Rückenplatte und Rohbauteil 5, 6, 7
5 Decke des Raumes
6, 7 Wände des Raumes
Bild 5: Verdeckte Kanten-Befestigung eines Verbundplatten-Resonators in einer Raumecke
Bild 6: Formschlüssige oder Schraubverbindungen zwischen Frontplatte und Eckprofilen gem. Bild 5
Bild 7: Sichtbare Kanten-Befestigung eines Verbundplatten-Resonators in einer Raumecke
Bild 8: Absorptionsgrad αs einer Holzkassettendecke [3]
Bild 9: Sogenannte "Baßfalle" [3]
Bild 10: (Äquivalenter) Absorptionsgrad eines Prototyps des erfindungsgemäßen Bauteils mit einer Einzelfläche von jeweils 1,4 m², in 4 Raumecken angeordnet [10]
Bild 11: Übertragungsfunktion des Raumes wie in Bild 1 nach dem Einbau von 6 jeweils 1,4 m² großen Plattenresonators in den Raumecken
Bild 12: Nachhallzeit eines Tonstudios mit 30% ALFA-Auskleidung
Bild 13: Gemäß Bild 10 "liegend" angeordnete Prototypen des Plattenresonators.
1 Frei schwingende Platte (z. B. 0,5 bis 2 mm St oder AL)
2 Mitschwingende poröse Dämpfungsschicht (z. B. 50 bis 200 mm Melaminharz-Weichschaum
3, 4 Ganzflächige adhäsive Verbindung zwischen Front- und Rückenplatte bzw. Rückenplatte und Rohbauteil 5, 6, 7
5 Decke des Raumes
6, 7 Wände des Raumes
Bild 5: Verdeckte Kanten-Befestigung eines Verbundplatten-Resonators in einer Raumecke
Bild 6: Formschlüssige oder Schraubverbindungen zwischen Frontplatte und Eckprofilen gem. Bild 5
Bild 7: Sichtbare Kanten-Befestigung eines Verbundplatten-Resonators in einer Raumecke
Bild 8: Absorptionsgrad αs einer Holzkassettendecke [3]
Bild 9: Sogenannte "Baßfalle" [3]
Bild 10: (Äquivalenter) Absorptionsgrad eines Prototyps des erfindungsgemäßen Bauteils mit einer Einzelfläche von jeweils 1,4 m², in 4 Raumecken angeordnet [10]
Bild 11: Übertragungsfunktion des Raumes wie in Bild 1 nach dem Einbau von 6 jeweils 1,4 m² großen Plattenresonators in den Raumecken
Bild 12: Nachhallzeit eines Tonstudios mit 30% ALFA-Auskleidung
Bild 13: Gemäß Bild 10 "liegend" angeordnete Prototypen des Plattenresonators.
Claims (7)
1. Plattenresonator zur Schallabsorption bestehend aus
- - einer dünnen Frontplatte (a) mit hoher Elastizität und niedriger innerer Reibung, z. B. aus Metall,
- - einer Rückenplatte (2) mit ebenfalls hoher Elastizität, aber hoher innerer Reibung,
- - einer vollflächigen festen Verbindung (3) zwischen Frontplatte (1) und Rückenplatte (2) als Klebeverbindung, (z. B. doppelseitiges Klebeband)
- - eine allseitig durch die Rückenplatte geschlossene, den seitlichen Schalleintritt in die Rückenplatte nicht behindernde Berandung.
2. Plattenresonator nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Rückenplatte (2) durch eine Verklebung (4) der Decke oder
Wand befestigbar ist.
3. Plattenresonator nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Plattenresonator durch Kantenbefestigungen (8, 10, 15) an
der Decke oder Wand befestigbar ist.
4. Plattenresonator nach Anspruch 1-2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Frontplatte (1) und Rückenplatte (2) mit den
Kantenbefestigungen durch Schraub-, Klebe- oder Steckverbindungen
befestigt sind.
5. Plattenresonator nach den Ansprüchen 1-4,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Plattenresonator an der Wand oder Decke lösbar, z. B. mittels
Klettverschluß, anbringbar ist.
6. Plattenresonator nach den Ansprüchen 1-5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Rückenplatte aus einem schwer entflammbaren oder
unbrennbaren Melaminharzschaum besteht mit einer bevorzugten
Dichte von 10 kg/m³ und einer Dicke von 50-500 mm, vorzugsweise
100 mm.
7. Plattenresonator nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Frontplatte aus Stahl besteht mit einer Plattendicke von
0,1-5 mm, vorzugsweise von 1 mm.
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