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Raumakustik

Hinweis: Wesentliche Grundlagen der Akustik wurden bereits in [AkkP 34] dargestellt und sollen deshalb an dieser Stelle nur ganz kurz gefasst angegeben werden.
Im Übrigen wird auf die grundlegenden Lehrbücher zu Bauphysik und Raumakustik verwiesen.

Abbildung 1: Hörbereich des Menschen


In energieeffizienten Gebäuden wird zur Aktivierung der Speichermasse die Deckenuntersicht zumeist frei gehalten. Abbildung 2 zeigt einen Schnitt des „Energon“ in Ulm, eines der ersten Passivhaus-Bürogebäude mit Betonkerntemperierung als Beispiel aus der Praxis. Hier wurde außerdem das Gebäude in eine tragende Struktur aus Stahlbeton und eine aus Holzleichtbau-Elementen vorgefertigte Gebäudehülle aufgeteilt. Die Deckenuntersicht ist offen, die thermische Koppelung des Raumes an die Deckenmasse somit gewährleistet.

Abbildung 2: Gebäudeschnitt „Energon“, Ulm


Ohne weitere Berücksichtigung der akustischen Verhältnisse im Raum würde der Komfort der Nutzer dennoch beeinträchtigt sein: Der Raum würde einen störenden Hall aufweisen, das heißt, Schall wird an den wenig absorbierenden Raumoberflächen reflektiert, es bildet sich ein Echo. Diese reflektierten Schallwellen überlagern sich mit direkt beim Hörer eintreffenden Wellen, sie treffen wegen des längeren zurückgelegten Weges allerdings etwas später ein. Wird diese Zeitdifferenz zu groß, leidet die Sprachverständlichkeit und das akustische Wohlbefinden der Nutzer ist gestört.

Abbildung 3: Komfortbeeinträchtigung durch Mehrfachreflexion


Um die akustischen Verhältnisse in einem Raum komfortabel abzustimmen, müssen also die Reflexionseigenschaften der Umfassungsflächen geeignet eingestellt werden: Die Reflexionen dürfen nicht ungedämpft bleiben, um unangenehme Hallphänomene zu vermeiden, eine vollständige Dämpfung ist jedoch ebenfalls unkomfortabel, da Reflexionen auch der Orientierung im Raum dienen und eine gleichmäßige Schallausbreitung im Raum begünstigen. Ein Mindestmaß an Reflexion ist also auch ein Komfortmerkmal.

Der Komfortbereich kann durch die Nachhallzeit beschrieben werden.

Abbildung 4: Bestimmung der Nachhallzeit T


Nachhallzeit T (Definition) - Zeit in Sekunden, in der nach Abschalten einer Schallquelle der Schallpegel um 60 dB abfällt / sich die Schallenergie auf 1/1000000stel verringert. Die Nachhallzeit T ist frequenzabhängig.


Über die mittlere Nachhallzeit T lässt sich die akustische Qualität von Räumen angenähert quantifizieren. Für einfache Anwendungen ist dies ausreichend genau. Dabei erweisen sich unterschiedliche Nachhallzeiten je nach Raumnutzung als geeignet, auch das Raumvolumen spielt eine Rolle. Die [DIN 18041] gibt weitere Hinweise. Tabelle 1 stellt einige typische Fälle beispielhaft zusammen:

Tabelle 1: Nachhallzeiten für verschiedene Nutzungen


Doch welche Nachhallzeit kann in einem gegebenen Raum erwartet werden? Dazu müssen zunächst die Reflexionseigenschaften der Oberflächen bekannt sein. Sie werden durch den Schallabsorptionsgrad α beschrieben: Ein ideal vollständig absorbierendes Element weist einen Schallabsorptionsgrad von 1 auf, ideale Reflexion ist bei α = 0 gegeben. Angegeben wird das Verhältnis aus absorbierter Schallenergie zu auftreffender Schallenergie


\Large{\alpha = \dfrac{I \alpha}{Ie}}


Der Schallabsorptionsgrad ist für verschiedene Materialien/Oberflächen charakteristisch und ebenfalls frequenzabhängig. Tabelle 2 gibt einige Schallabsorptionsgrade beispielhaft an.

Tabelle 2: Frequenzabhängige Absorptionseigenschaften einiger Bauteile


Um nun aus verschieden großen Flächen mit jeweils unterschiedlichen Absorptionseigenschaften einen einheitlichen Kennwert für den gesamten Raum zu gewinnen, wurde die äquivalente Schallabsorptionsfläche eingeführt:

Die äquivalente Schallabsorptionsfläche A ist eine ideelle Fläche mit α = 1, die die gleiche Absorption aufweist, wie eine gegebene Fläche aus bestimmtem Material.

Die Summe aller einzelnen Äquivalentflächen beschreibt die gesamte Absorptionsfähigkeit eines Raumes.

Die Sabinesche Formel beschreibt die Nachhallzeit eines Raumes in Abhängigkeit von äquivalenter Absorption und Raumvolumen


\Large{T = \dfrac{k*V}{A}}


Je geringer A ist (schallharte Oberflächen) und je größer V desto länger die Nachhallzeit, wie auch die eigene Erfahrung, etwa beim Besuch einer großvolumigen und aus Stein gebauten Kathedrale, anschaulich zeigt.

Dieser Zusammenhang kann für die Planung genutzt werden. Wird für eine gegebene Nutzung eine gewünschte Nachhallzeit vorgegeben (z.B. Büroraum T = 0,7 s) und ist das Raumvolumen bekannt (z.B. V = 7,5 m * 4 m * 3 m = 90 m³), so kann die im Raum benötigte äquivalente Schallabsorptionsfläche berechnet werden.


\Large{A  = \dfrac{k*v}{T}}


Mit der Proportionalitätskonstante k = 0,163 s/m folgt für das gewählte Beispiel die benötigte äquivalente Schallabsorptionsfläche A = 20,5 m². Diese Fläche kann nun durch kleine, hoch absorbierende oder große, mäßig absorbierende Raumoberflächen bereitgestellt werden, die Planung hat damit ein klares Ziel.

Noch etwas genauere Ergebnisse liefert die Nachhallformel nach Eyring, die Arbeitsweise ist jedoch sehr ähnlich und soll daher hier nicht vertieft werden.

Wird nun im Planungsverlauf berechnet, wie groß die vorhandene äquivalente Schallabsorptionsfläche bei der gewählten Ausführung ist, kann unmittelbar festgestellt werden, ob die geplante Fläche ausreicht oder ob weitere Absorber benötigt werden.

Vorteilhaft kann dafür eine Software eingesetzt werden, in der wichtige Materialien mit ihren frequenzabhängigen Absorptionseigenschaften bereits hinterlegt sind. Das im Rahmen des Arbeitskreises kostengünstige Passivhäuser erstellte Werkzeug AkkP Schallschutz Toolbox kann hier verwendet werden. Eigene Materialdaten können ergänzt werden, außerdem liefert das Werkzeug die frequenzabhängigen Flächen bzw. Nachhallzeiten.

Zu beachten bleibt stets, dass für eine gute und ausgewogene Raumakustik nicht nur die mittlere Nachhallzeit maßgeblich ist, sondern auch die einzelnen Nachhallzeiten der betrachteten Frequenzbänder nicht zu weit vom Mittelwert abweichen dürfen.

Siehe auch

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