Lärmminderung in Fertigungshallen durch raumakustische M ... / 1 Physikalische Grundlagen

Trifft Luftschall auf eine Raumbegrenzungsfläche, gibt es 3 mögliche Arten der Wechselwirkung: Reflektion, Absorption und Transmission. Die absorbierte Schallenergie kann entweder über Dissipation in Wärme umgewandelt werden oder per Körperschallfortleitung weitertransportiert und evtl. an anderer Stelle wieder als Schall abgegeben werden. Bei durchschnittlichen Raumbegrenzungsflächen ist der Anteil der Transmission, also das einfache Durchlassen des Schalls ebenso wie der Anteil der Körperschallfortleitung sehr klein und damit in guter Näherung vernachlässigbar. Abb. 1 veranschaulicht die Wechselwirkung von Schall mit einer Begrenzungsfläche.

Abb. 1: Wechselwirkung von Schall mit einer Begrenzungsfläche^[1]

Der Schallabsorptionsgrad α bezeichnet nun das Verhältnis von absorbierter Schallenergie zur insgesamt eingefallenen Schallenergie

α	=	absorbierte Schallenergie
		einfallende Schallenergie

Da in den Extremfällen entweder gar keine Energie oder alle eingefallene Schallenergie absorbiert wird, nimmt der Schallabsorptionsgrad Werte zwischen 0 und 1 an.

Die Reflektion des einfallenden Schalls führt in einem geschlossenen Raum zu einer Erhöhung des Raumpegels, da nun neben dem Direktschall von der Schallquelle auch noch ein diffuses Schallfeld durch den reflektierten Schall entsteht (vgl. linkes Bild von Abb. 2).

Hier greifen raumakustische Maßnahmen an, indem sie den Anteil des reflektierten Schalls durch Erhöhung der Schallabsorption reduzieren, wie im rechten Bild von Abb. 2 skizziert.

Abb. 2: Pegelüberhöhung durch Raumrückwirkung. Q bezeichnet die Schallquelle in einem Raum, P den Aufenthaltsort einer Person im Raum. Links ein Raum mit stark reflektierenden Raumbegrenzungsflächen, rechts ein Raum mit stark schallabsorbierenden Raumbegrenzungsflächen (grün dargestellt).

Der Effekt der Erhöhung des Schalldruckpegels im Raum durch die Schallreflektion der Raumbegrenzungsflächen wird auch als Pegelüberhöhung durch Raumrückwirkung bezeichnet.

Für einen geschlossenen Raum lässt sich der mittlere Schallabsorptionsgrad des gesamten Raumes berechnen. Er ist definiert als das Verhältnis der sog. äquivalenten Absorptionsfläche A zur Gesamtoberfläche des Raumes S:

Dabei ist die äquivalente Absorptionsfläche A genau die Fläche, die ein idealer Absorber (mit Schallabsorptionsgrad α = 1) hätte, der genauso viel Schallenergie absorbiert, wie die Gesamtoberfläche S des betrachteten Raumes, d. h.:

und

Die Summen erstrecken sich dabei über alle Teilflächen Si, die den Raum begrenzen. Bei der Berechnung von A werden die Teilflächen jeweils mit den zugehörigen Schallabsorptionsgraden αi gewichtet. Somit stellt der mittlere Schallabsorptionsgrad eine gewichtete Mittelung der Schallabsorptionsgrade der verschiedenen Materialen dar, die den Raum begrenzen. Tab. 1 enthält die mittleren Schallabsorptionsgraden für gängige Baumaterialien wie Kacheln, Fensterglas, unverputzte Ziegelwände oder auch mit Mineralwolle ausgelegte Trapezbleche.

Material	Mittlerer Schallabsorptionsgrad
Kacheln	0,02
Fensterglas	0,02
Beton	0,03
Ziegelwand (unverputzt)	0,12
Trapezblech mit Mineralwolle hinterlegt	0,82
Mineralfaser-Kulissendecke	0,91

Tab. 1: Über die Oktavbänder mit Mittenfrequenzen zwischen 500 und 2.000 Hz arithmetisch gemittelte Schallabsorptionsgrade für verschiedene Baumaterialien^[2]

Die äquivalente Absorptionsfläche kann auch über eine Messung der Nachhallzeit des Raumes bestimmt werden. Dafür kann die Sabine'sche Formel

verwendet werden, wobei V das Volumen des Raumes und T die mittlere gemessene Nachhallzeit ist.

Alternativ zum mittleren Schallabsorptionsgrad eines Raumes lässt sich die (mittlere) Schallpegelabnahme pro Abstandverdopplung DL2 bestimmen. Sie gibt an, um wieviel Dezibel sich der Schalldruckpegel bei Verdopplung des Abstands zu einer punktförmigen Schallquelle reduziert. Im Freifeld (ungehinderte Ausbreitung des Schalls) beträgt diese Abnahme immer 6 dB pro Abstandsverdopplung. In geschlossenen Räumen ist sie aufgrund der Schallreflektionen durch die Raumbegrenzungsflächen niedriger. Dabei nimmt der Anteil des Direktschallfeldes am Gesamtschalldruckpegel mit wachsendem Abstand zur Quelle ab. Im Gegenzug steigt der Anteil des Diffusschallfeldes am Gesamtschalldruckpegel. In einem idealen halligen Raum ist der Schalldruckpegel bei hinreichendem Abstand zur Schallquelle schließlich immer gleich groß. Er entspricht dann genau dem durch die Raumbegrenzungsflächen erzeugten Pegel des Diffusschallfeldes.

In Abb. 4 sind die Schallpegelabnahmen als Funktion der Entfernung zur Schallquelle für das Freifeld (schwarze gepunktete Linie), einen idealen halligen Raum (schwarze durchgezogene Linie) und beispielhaft für eine durchschnittliche Fertigungshalle (rote gestrichelte Linie) gezeigt. Nah an der Schallquelle dominiert das Direktschallfeld und das räumliche Umfeld hat fast keinen Einfluss auf den Gesamtschalldruckpegel. Mit wachsendem Abstand zur Schallquelle und damit zunehmendem Anteil des Diffusschallfeldes am Gesamtschalldruckpegel, werden d...