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Der Stand der Technik
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Der Erfindung liegt folgendes Problem zugrunde: Zur Verbesserung der Akustik - insbesondere der Raumakustik in Innenräumen - werden seit vielen Jahren verschiedene Produkte angeboten. Diese reichen von bereits in der Architekturplanung bemessenen Akustikdecken, Deckensegeln, Teppichen mit Akustikrücken, Vorhängen bis zu nachträglich eingefügten akustischen Bauelementen Akustikbildern, Screens und Stellwänden. Moderne Büro- und Verwaltungsgebäude werden aktuell mit immer niedrigeren Deckenhöhen und zunehmend schallharten reflektierenden Flächen (z.B. Gipskarton, bauteilaktivierte Betondecken, Glasfassaden) gebaut. Diese schallreflektierenden Flächen führen aufgrund der Raumgeometrie zu störendem Schallereignissen, wie z.B. Dröhnen, Reflexe, tieffrequentes Aufschaukeln des Schalls oder Flatterechos (siehe auch H. V. Fuchs, 2017). Flächige schallabsorbierende Bauelemente besitzen aufgrund der flachen Bauteilgeometrie nur eine geringe Stärke des porösen Materials. Hierdurch besitzen diese nur eine geringe absorbierende Wirkung und diese auch nur in den höheren Frequenzbereichen. Die absorbierende Wirkung des porösen Materials hängt von der Schichtstärke ab. Bei einer Schichtstärke von > λ / 8 einem Achtel der Wellenlänge stellt sich eine gute Wirksamkeit ein. Erst ab einer Schichtstärke > λ / 4 der zu absobierenden Schallwellen zeigen sich Absorptionswerte aw>0,8 (Siehe Müller, G., Möser M.2017). Die Geometrie des Raumes führt zudem zu stehenden Schallwellen den sog. Raummoden (siehe H. V. Fuchs, 2017) diese liegen ebenfalls in den tiefen Frequenzen. Somit sind tiefe Frequenzen grundsätzlich die Ursache für problematische akustische Verhältnisse. Diese lassen sich nur schwer simulieren, da die Anzahl, Lautstärke und Tonhöhe der Schall emittierenden Quellen und deren Positionierung im Raum viele Möglichkeiten darstellen, welche nicht alle vorherzusehen und in einer Simulation zu berücksichtigen sind. Die tiefen Frequenzen können nur mit speziellen Absorbern z.B. voluminösen porösen Absorbern mit größeren Bauteildicken, Helmholzresonatoren, Akustikdecken oder Membranen oder Plattenschwingern absorbiert werden. Diese werden in [0013] - [0016] detaillierter beschrieben.
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Aufgrund aktuell hoher Bau- und Grundstückspreise steht immer weniger Fläche pro Büronutzer zur Verfügung. Lag der Flächenverbrauch noch vor einigen Jahren zwischen 20 und 30 m2/ Mitarbeiter/in, so liegt dieser bei aktuell zwischen 10 und 15 m2/ Mitarbeiter/in und kann in flächenintensiven Großraumbüros auf 6 m2/ Mitarbeiter/in sinken. Auch das früher vorherrschende Einzel- oder Zweierbüro weicht immer mehr den Großraumbüros. Je mehr Personen in einem Raum gleichzeitig reden desto höher wird der Störpegel. Der Lärmpegel durch kommunizierende / telefonierende Menschen erreicht 65 -80 dB im Arbeitsplatzbereich. Die nach geltenden Normen (z.B. DIN 18041 - 2016) zu erbringende Nachhallzeit ist für diese intensive Flächennutzung zu hoch.
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Insbesondere in modernen Büro- und Verwaltungsgebäuden ist daher die Akustik eine große Herausforderung. Der Bedarf nach einer besseren raumakustischen Qualität ist auch in anderen Bereichen zu beobachten, zum Beispiel in der Gastronomie, Klassenzimmern, Arztpraxen, Industrie oder im Einzelhandel. Die Entwicklung und der Einsatz wirksamer schallabsorbierender Komponenten erlangt zunehmend mehr Bedeutung. Klassische Maßnahmen zur Schallpegelreduktion in Mehrpersonenräumen waren Akustikdecken, Akustikwandverkleidungen, sowie Akustikstellwände. Diese Komponenten werden in der modernen Architektur immer weniger eingeplant und reichen zur Senkung der Lärmpegel mit in flächenintensiv genutzten Gruppen- und Teambüros häufig nicht aus. Deshalb wurde der nachfolgend beschriebene Akustikkörper entwickelt, welche nach mehreren Wirkprinzipien aufgebaut ist. Diese können insbesondere die tieffrequenten, lauten Anteile der menschlichen Stimme der Vokale absorbieren. Ziel ist ein hochleistungsfähiger Absorber, der leicht auch noch nachträglich in die Räume einzubringen ist und mit nur geringem Volumen bzw. Materialverbrauch wirtschaftlich ist und hervorragende Absorptionsleistungen besitzt.
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Der moderne Innenausbau muss die Akustik aus den oben genannten Gründen als wesentlichen Bestandteil der Planung - neben Funktionalität, Beleuchtung, Klima berücksichtigen. Je frühzeitiger ein stimmiges Gesamtkonzept entwickelt werden kann, desto besser sind die Synergien zur Lösung der einzelnen Anforderungen. Oft lassen sich nachträglich die Anforderungen der Akustik nur mit erheblichen Mehrkosten realisieren. In vielen Fällen sind sie nachträglich gar nicht mehr in die bereits bestehenden Raumoberflächen zu integrieren, da diese Flächen z.B. die Decke bereit mit vielen anderen Komponenten wie z.B. Leuchten, Brandmeldern, Sprinklern, Betonkernaktivierung etc. besetzt sind.
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Die akustische Simulation und Berechnung ist aufwendig und auf die jeweilige Personenanzahl und Nutzung, die vorhandene Raumgeometrie und die Art der Raumoberflächen einzustellen. Ideal wäre es, wenn tieffrequent wirksame Absorber - Objekte, welche auch noch leicht nachträglich in bestehende Flächen zu integrieren ist. Zudem wäre es gut, wenn diese Absorber - Objekte einfach aufzubauen sind und modular anbau- und erweiterungsfähig sind. Somit kann der Nutzer diese Absorber-Lösung - je nach Flächennutzung und Personenanzahl - ergänzen und die gewünschte Akustik selbst einstellen. Es können dann solange Akustik-Objekte in den Raum eingebracht und angeordnet werden, bis die gewünschte raumakustische Qualität wahrnehmbar oder messbar ist.
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Ist Dokument
AT 515 743 A1 ist ein Schalldämmungsmaterial aus textilen Flächengebilden mit fibrillierten Fasern bekannt, welches seine maximale Schalldämmung bei 2500 Hz hat. Dieses Material ist jedoch nicht eigensteif.
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Fuchs beschreibt in
DE 10 2011 105 608 A1 die hohe Wirkweise und das Prinzip der Kantenabsorber im Raum. Diese sind jedoch nicht in ihrer Bauart beschrieben und bestehen nicht aus verzahnten PES Filzplatten
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DE 20 2016 100 833 U1 beschreibt einen gelochten Holzgehäuse mit einer Faserfüllung. Alternativ werden die Gehäuse aus gelochten Metall beschrieben. Es werden keine Faserplatten als Gehäuse dort aufgeführt.
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DE 20 2015 001 269 U1 beschreibt einen Verbundplattenresonator, welcher eine andere Bautiefe und am Rand schwingende Platten aus Blech oder Kunststoff besitzt. Es werden keine Faserplatten als Gehäuse dort aufgeführt.
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Die Problemlösung
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Die Akustik-Körper aus PES-Faserplatten sind so gestaltet, dass sich verschiedene voluminöse Körper in Würfel- bzw. Quaderform damit zusammenstecken lassen. Die schallschluckenden Körper bestehen aus mehreren plattenförmigen Einzelteilen, die mit Hilfe verzahnter Verbindungen leicht ineinander gesteckt werden. Zudem sind interessante Designs möglich, indem unterschiedlich farbig beschichtete oder farbige Filzplatten miteinander kombiniert zusammengesteckt werden. Innerhalb weniger Minuten können so würfel- oder quaderförmige Körper oder Faltwände zusammengesetzt werden. Diese Bauart hat den Vorteil, dass die voluminösen Körper auch in einer kompakten flachen Form eines Versandpaketes zum Kunden gesandt werden können und dort erst zusammengebaut und bestückt werden. Dies ist eine kostengünstige und flexible Möglichkeit, die Raumakustik auch nachträglich wesentlich zu verbessern. Das Plattenmaterial besteht aus PES - Fasern welche flächig vernadelt und mit Thermoplasten thermisch verpreßt sind. Das Material zeichnet sich durch eine hervorragende akustische Absorptionswirkung aus. Diese beruht auf den Materialeigenschaften, welche sich in den folgenden Kriterien beschreiben lassen: Die Biegesteifigkeit und die Dimensionen der PES Platten charakterisiert das Eigenschwingungsverhalten der Platten als Plattenschwinger. Das spezifische Flächengewicht der PES - Platten liegt zwischen 2000 -4000 gr/m2. Die PES Platten besitzen einen relativ hohen längenbezogenen Luftwiderstand zwischen 300 - 1600 Pa m/s, was einem gemessenen Luftstrom bei einem Druck von 50 Pa zwischen 30 -140 l/m2s entspricht. Diese Eigenschaften lassen sich durch die Materialzusammensetzung mit PES Fasern mit Faserstärke, Faserlänge, Kräuselung der Fasern, Fasermischung und Fasergewichte und Anteil der Bikomponentenfasern spezifisch einstellen.
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Die formbildenden, umschließenden Plattenflächen sind in ihrem Innenraum mit einem akustisch wirksamen Akustikvlies aus verwirkten Polyesterfasern gefüllt. Die Füllung mit PES Fasern dient der Bedämpfung des Innenraums. Das poröse Material besitzt einen längenbezogenen Luftwiderstand von ca. 150-300 Pa m/s. Das entspricht einem gemessenen Luftstrom bei einem Druck von 50 Pa zwischen 200-400 l/m2s. Hierdurch entsteht ein hochleistungsfähiges, schallabsorbierendes Bauelement, welches nach mehreren Wirkprinzipien funktioniert (=Multiwirkprinzip-Schall-Absorber). Zudem führt die Anordnung der Akustik-Körper in den Raumecken und -kanten zu einer höheren Wirkung, da sich dort die Schallwellen quadrieren und durch den Umbeugungseffekt auch von hinten wirksam sind. Nachfolgend werden die unterschiedlichen Wirkprinzipien des Akustik-Körpers detaillierter beschrieben [0012] -[0017].
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Durch die Anordnung der Absorber - Körper an den Kanten / Ecken des Raumes wirken diese als Kantenabsorber, wie in Offenlegungsschrift
DE 10 2011 105 608 A1 - 2012 beschrieben. Dort wird beschrieben, wie durch die Anordnung in den Raumkanten und die kompakte aber tiefe Bauweise der Akustik-Körper, bei Einsatz einer geringeren Fläche und Volumen von porösen Dämmmaterial, dennoch ein deutlich besseres Wirkspektrum erzielt werden kann. Dies insbesondere in den tiefen Frequenzen. Tiefe Frequenzen sind in kleinen oder mittleren Räumen nach DIN 18041 Hörsamkeit von Räumen (2016) von besonderer Bedeutung, da hier die stehenden Wellen im Raum, die sogenannten Raummoden zu absorbieren sind.. Diese Akustik-Bauteile zeichnen sich durch einen hohen Wirkungsgrad insbesondere im Frequenzbereich zwischen 200 und 500 Hz aus. Zum besseren Verständnis, werden die grundlegenden physikalischen Wirkprinzipien, nach denen die Absorber entwickelt werden nachfolgend beschrieben.
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Poröser Absorber
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Bei der Schallabsorption aus porösen Materialien wird Schallenergie durch Reibung in Wärmeenergie umgewandelt. Das poröse Material muss für die optimale Absorption im interessierenden Frequenzbereich bestimmte Eigenschaften erfüllen. Diese werden hauptsächlich durch die Porosität, den Strukturfaktor und spezifischen sowie längenbezogenen Strömungswiderstand beschrieben. Ein wichtiges Kriterium beim Einsatz poröser Absorber stellt das sogenannte Lambda-Viertel-Prinzip dar, nach welchem einer Schallwelle im Bereich ihrer größten Schallschnelle, die meiste Energie entzogen werden kann. Daher sollten tieffrequent wirksame Schallabsorber auch eine hierfür passende Aufbautiefe oder eine dahinter liegende Luftschicht für das Feder Masse Prinzip besitzen. Durch die hohe Bautiefe der Akustikkörper von ca. 380 mm bzw. in der Diagonalen ca 550mm entstehen entsprechende Bautiefen von porösem Absorbermaterial.
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Plattenschwinger und Lochplattenschwinger
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Plattenschwinger und Lochplattenschwinger gehören zu den Resonanzabsorbern die nach dem sogenannten Masse-Feder-Prinzip wirken. Dabei wirkt die beschriebene Platte aus PES-Fasern als Masse und das dahinter liegende Luftvolumen oder Dämpfungsmaterial als Feder. Das Schallfeld regt vor Allem tieffrequent die Platte zum Schwingen an, welche ihrerseits diese Energie in Zusammenspiel mit der jeweiligen dahinterliegen-den Feder in Wärmeenergie umwandelt. Die Resonanzfrequenz dieses Systems kann, wie folgt berechnet werden:
wobei, f 0 = Resonanzfrequenz,
m ' = flächenbezogene Masse in kg/ m
2
d
L = Abstand zwischen Plattenrückseite und Wand in cm
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Durch die gezielte Auswahl der Feder als Dämpfermaterial oder Luftvolumen, kann die Resonanzfrequenz anwendungsbezogen verschoben und der Frequenzbereich verbreitert werden.
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Strömungsabsorber
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Der Strömungsabsorber basiert auf dem Prinzip der Schallenergievernichtung durch hohe Reibungsverluste bei Durchdringung eines Mediums. Dabei kommt ein porös, faseriges, jedoch noch luft-durchlässiges Material zum Einsatz, welches durch die engfasrige Einstellung der Filzplatten einem Strömungsabsorber entspricht. Zusätzlich können die Akustikplatten innenseitig noch mit einer akustisch wirksamen Akustikmembran ausgerüstet werden oder mit einem Stoff kaschiert werden. Hierdurch kann der längenbezogene Strömungswiderstand der Platte noch ergänzend erhöht und eingestellt werden. Im Zusammenwirken mit dem durch die ineinander gesteckten PES - Platten eingeschlossenen Luftraum mit oder ohne Füllung aus lockeren PES Fasern entsteht ein bestimmtes Resonanzvolumen, mit dem hohe Absorptionsgrade erreicht werden können.
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Der Strömungsabsorber lässt sich wie folgt berechnen:
wobei, ε = Hilfsgröße
Ξ d = Strömungswiderstand
ϱ
0 = Dichte der Luft
c
0 = Schallgeschwindigkeit
d = Schichtdicke
X = Strukturfaktor
σ = Abstrahlgrad
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Multiimpedanzabsorber
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Durch den Einsatz verschiedener Schichten mit unterschiedlichen z.B. deutlich steigenden Strömungswiderständen des porösen Absorbermaterial kann die Schallenergie noch effizienter in Wärme umgewandelt werden. Wobei die längenbezogenen Strömungswiderstände sich von Schicht zu Schicht deutlich erhöhen müssen.
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Multiwirkprinzipabsorber
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Die zuvor aufgezeigten Absorptionswirkprinzipien werden zur Erzielung von höheren Wirkungsgraden oder speziellen Frequenzbereichen im Akustikkörper synergetisch miteinander kombiniert. So kann z.B. ein auf das Volumen eines zur Verfügung stehenden Hohlraums eine dünne Membranschicht als Abdeckung oder eine anders eingestellte Filzmembran oder Akustikmembran oder ein breitbandig wirkendes Absorberelement aus einer schwingungsfähigen PES Filzplatte, mit einem hohem längenbezogenem Strömungswiderstand und einem dahinter liegenden porösem Füllmaterial mit geringem Strömungswiderstand ein nach mehrfachen Prinzipien wirksamer Absorber entwickelt werden. Durch die Kombination der unterschiedlichen Wirkprinzipien in einem Multiwirkprinzipabsorber Akustik -Körper können gewünschte Ergebnisse unter geringem und damit wirtschaftlichen Materialeinsatz realisiert werden.
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Figurenliste
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- Zeichnung 1 zeigt ein schallschluckender, quader- / würfelförmiger Körper mit den Abmessungen 380 × 380 × 380mm mit einer Verzahnung von 50 × 25 mm und einer Polyesterfaserfilz-Platte mit Schichtstärke 15 mm in der zuvor beschriebenen Bauart.
- Zeichnung 2 zeigt den einfachen Zusammenbau eines schallschluckenden, quader- / würfelförmiges Körpers der Dimension 380 × 380 × 380 mm.
- Zeichnung 3 zeigt den Schichtenaufbau des schallschluckenden, quader- / würfelförmiges Körpers im Quer- und Längsschnitt und die exemplarische Anordnung der Absorber-Körper im Hallraum.
- Zeichnung 4 zeigt den Schallabsorptionsgrad über die Frequenzen in Terzen von verschiedenen schallschluckenden, quader- / würfelförmigen Körpern ca 200mm von den Raumkanten eines Hallraums angeordnetet in der zuvor beschriebenen Bauart. Die Kurven sind mit Symbolen gekennzeichnet und in der Legende nachvollziehbar beschrieben. Dort sind die Anzahl an Körpern, deren Dimension und aus welchen Polyesterfaserplatten mit spezifischen Flächengewicht in Gramm/m2 diese zusammengesetzt sind. Als Füllung wurde stets lockere Polyesterfaserwatte benutzt. Die Hallraummessung erfolgte analog DIN EN 354 in einem Hallraum mit Volumen V = 200 m3. Die Akustik-Körper wurden ca. 200 mm von den Raumkanten entfernt aufgestellt gemessen. Die Kurven zeigen bereits bei dem vergleichsweise geringem Flächen bzw. Materialeinsatz hervorragende Asorptionsergebnisse, insbesondere auch in den tiefen Frequenzbereichen.
- Zeichnung 5 zeigt eine exemplarische Anwendung der 4 schallschluckenden, quader- / würfelförmigen Körpern. Diese können für temporäre Meetings als Hocker genutzt werden und im Anschluss als Kantenabsorber in den Raumkanten gestapelt werden.
- Zeichnung 6 zeigt die exemplarische Anwendungen 4 schallschluckenden, quader- / würfelförmigen Körpern als von der Decke abgehängte Absorber oder als Kantenabsorber ca. 200 mm von den Wänden in den Raumkanten angeordnet.
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Bezugszeichenliste
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Zeichnung 1: |
Aufbau und Bestandteile der Akustikkörper in Würfel oder Quaderform |
10 |
Zeichnung 2: |
Zusammenbau der würfelförmigen Akustikkörper 380 × 380 × 380 mm verzahnt mit 10 mm Überstand |
10 |
Zeichnung 3: |
Schichtaufbau des Akustikkörpers in Quer- und Längsschnitt und Postionierung der schallschluckenden Körper für die Hallraummessung ca. 200 mm von den Raumkanten |
11 |
Zeichnung 4: |
Absorptionskurven von 4 exemplarischen Hallraummessungen der Akustikkörper |
11 |
Zeichnung 5: |
Stapel würfelförmiger, schallschluckender Körper, welche wahlweise auch einzeln als Hocker für temporäre Meetings genutzt werden können |
12 |
Zeichnung 6: |
exemplarische Anwendung der würfelförmigen Akustikkörper als von der Decke abgehängte Objekte oder in den Raumkanten als Kantenabsorber |
12 |
Zeichnung 7: |
Quaderförmige schallschluckende Körper ca. 380 × 380 × 1200 mm verzahnt jedoch flächenbündig ohne Überstände |
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Zeichnung 8: |
Quaderförmige, schallschluckende Körper ca. 380 × 380 × 1200 mm mit Überständen 10 mm an der Verzahnung und mit Tischplatte oder als Stehpult |
13 |
Zeichnung 9: |
Anordnung von quaderförmigen, schallschluckenden Körpern ca 380 × 380 × 2000 mm als Kantenabsorber ca. 200 mm von den Wänden der Raumecken entfernt angeordnet |
14 |
Zeichnung 10: |
Quaderförmige, schallschluckende Körper ca. 380 × 380 ×2000 mm hoch verzahnt mit 10mm Überstand, Zähne ca 25 × 50 × 15 mm |
14 |
Zeichnung 11: |
akustisch wirksame Stellwand aus Elementen ca. 300 × 1600 mm verzahnt gesteckt mit Überstand 10mm |
15 |
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Zitate:
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- Müller, G.,Möser M., Schallabsorber, Fachwissen technische Akustik, Springer Vieweg Verlag, Heidelberg, 2017 [0001]
- H. V. Fuchs, Raum-Akustik und Lärm-Minderung - Konzepte mit innovativen Schallabsorbern und -dämpfern, 4. Auflage, VDI Buch, Springer Vieweg Verlag, 2017 [0001]
- AT 515 743 A1 Patent Schalldämmmaterial, Lenzing AG, Österreich [0006].
- DE 10 2011 105 608 A1 , Offenlegungsschrift, H. V. Fuchs, Deutsches Patent und Markenamt, München, 2012 [0007]
- DE 20 2016 100 833 U1 Gebrauchsmuster, Akustikgehäuse, Ewers Akustikbau, Hövelhof [0008]
- DE 20 2015 001 269 U1 Gebrauchsmuster, Verbundplattenresonator, Bosig AG, Gingen [0009]
- DIN 18041, Hörsamkeit in Räumen -Anforderungen, Empfehlungen und Hinweise für die Planung, Beuth Verlag, Berlin, 2016 [0001] [0012]
- DIN EN 354 Messung der Schallabsorption in Hallräumen, Beuth Verlag, Berlin, 2003 [0021] und
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Bezugszeichenliste
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- (1)
- PES Platte aus vernadelten und thermisch verpressten PES Fasern mit Bikomponentenfaseranteil
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- PES Füllung aus vernadelten PES Fasern = PES Watte
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- Verzahnung der Platten mit Zapfen und Lochung exemplarisch 50 × 25 ×15mm und einem Überstand von 10mm
- (4)
- Würfel-/ quaderförmige Akustikkörper als Hocker nutzbar
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- Anordnung der Akustikkörper ca. 200 mm von den Wänden entfernt in den Raumkanten als Kantenabsorber
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- Anwendung und Anordnung schallschluckenden würfel-/ quaderförmigen Körper als Kantenabsorber im Raum
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- würfel-/ quaderförmige schallschluckende Körper von Decke abgehängt
- (8)
- quaderförmige, schallschluckende Körper ca. 380 × 380 × 1200 mm flächenbündig an den Rändern zusammen gesteckt, ohne Überstände an der Verzahnung.
- (9)
- quaderförmige, schallschluckende Körper ca. 380 × 380 × 1200 mm mit 10mm Überstand an den Rändern zusammen gesteckt als Stehpult
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- Anordnung von würfelförmigen, schallschluckenden Körpern ca. 380 × 380 × 2000 mm als Kantenabsorber ca. 200 mm von den Wänden der Raumecken entfernt
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- Schallschluckende Stellwand aus verzahnt gesteckten PES Platten 15 mm stark und ca. 300 × 1600 mm, mit 10mm Überstand und Zähnen an allen Seiten
- (12)
- Schallschluckende Stellwand aus verzahnt gesteckten PES Platten 15 mm stark und ca. 300 × 1600 mm, verzahnt gesteckt mit 10 Überstand ohne Zähne an den Seiten der Ränder
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- AT 515743 A1 [0006, 0019]
- DE 102011105608 A1 [0007, 0012, 0019]
- DE 202016100833 U1 [0008, 0019]
- DE 202015001269 U1 [0009, 0019]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- DIN 18041 - 2016 [0002]
- H. V. Fuchs, Deutsches Patent und Markenamt, München, 2012 [0019]
- DIN 18041 [0019]
- DIN EN 354 [0019]