DE19506511C2

DE19506511C2 - Plattenresonator

Info

Publication number: DE19506511C2
Application number: DE19506511A
Authority: DE
Inventors: Helmut Prof Dr Fuchs; Joerg Dipl Phys Hunecke; Xuegin Prof Zha
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1995-02-24
Filing date: 1995-02-24
Publication date: 1998-08-27
Anticipated expiration: 2015-02-25
Also published as: DE59609217D1; US5975238A; DE19506511A1; WO1996026331A1; ES2179934T3; ATE217665T1; JPH11509934A; EP0811097B1; EP0811097A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Plattenresonator zur breitbandingen 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.

2. Nachteile konventioneller Schallabsorber

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."

In DE 74 27 551-U1 wird eine schallabsorbierende Mehrschichtplatte beschrieben, die zwar beidseitig mit Deckschichten verbunden ist, aber kein eigentlicher Plattenresonator ist. Die dazwischenliegende Kernschicht soll den dort eindringenden Luftschall bei hohen Frequen zen (1000-4000 Hz) dämpfen, was nur durch vom Schall angeregte Bewegung der Luftteil chen in den Poren der Kernschicht geschehen kann. Damit der Schall überhaupt durch die Deckschicht gelangen kann, muß mindestens eine der Deckschichten die Weiterleitung des ankommenden Schalls in die absorbierende Kernschicht in ausreichendem Maße ermögli chen, was durch Öffnungen in der Deckschicht mit einem Flächenanteil von 5-50% erfol gen soll.

In der US 3,215,225 wird eine nicht schalldämpfende (absorbierende) sondern schalldäm mende und reflektierende Mehrschichtplatte beschrieben. Sie weist zwischen den Platten eine viskoelastische Schicht nach Art eines Antidröhnbelags auf einer der Deckschichten auf. Für den Fall, daß dieses Bauteil aber nicht nur Schall reflektieren und Körperschall dämpfen sondern auch Luftschall absorbieren soll, so muß die dem Schallfeld zugewandte Deckschicht perforiert sein.

Die beiden letztgenannten Mehrschichtplatten stellen demnach keine Plattenresonatoren dar.

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.

3.1 Merkmale des neuartigen Schallabsorbers

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.

Stattdessen 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.

4. Akustische Wirkungsweise des Verbundplatten-Resonators

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. t_m mit den ebenfalls in den Ecken angebrachten Absorbern kann man dann, wie üblich, eine auf die Bauteiloberfläche S bezogene (oder "effektive") Absorptionsfläche A_e als "äquivalenten" Absorptionsgrad
definieren und so verschiedene Absorber für diese spezielle Anwendung gezielt miteinander vergleichen.

Bild 10 zeigt ein Beispiel einer solchen α_e-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.

4.1 Feder/Masse-System mit konzentrierten Elementen

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 l, 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 S_t 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. VDl 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.

4.2 Angepaßte Schwingung der frei beweglichen Frontplatte

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 f_1,0 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 c_L im Plattenmaterial ein Anhaltswert für die Grundfrequenz der Platte angegeben, für 2,5 mm Stahl und L = 1 m mit c_L = 5.100 m/s also z. B. f_l ≅ 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 stattdessen viel massiverer Dämpfungsmaßnahmen bedienen:

4.3 Mitschwingende Rückenplatte

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 C_D die Resonanzfrequenz nach Gl. (3), gleichzeitig wirkt aber in derselben Gleichung ihre größere Dichte ρ_D 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 Absorptionssprektrum 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 tendentiell 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.

1. 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.

1. 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, ensteht. 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.

LITERATUR

[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 11. 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.

[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.

Bildunterschriften:

Bild 1: Übertragungsfunktion eines etwa 5 × 4 × 3 m³ 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:
(a) Rückwand bzw. Wanne(b) Waben- bzw. Kassetten-Struktur(c) Hohlkammern, nur mit Luft gefüllt(d) Schwingungsfähige Lochmembran(d) Schwingungsfähige Lochmembran

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 α_S einer Holzkassettendecke [3]

Bild 9: Sogenannte "Baßfalle" [3]

Bild 10: (Äquivalenter) Absorptionsgrad eines Prototyps des erfindungsgemäßen Bauteils mit einer Einzalfäche 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

1. Plattenresonator zur Schallabsorption bestehend aus

1. - einer dünnen Frontplatte (a) mit hoher Elastizität und niedriger innerer Reibung, z. B. aus Metall,
2. - einer Rückenplatte (2) mit ebenfalls hoher Elastitzität, aber hoher innerer Reibung,
3. - einer vollflächigen festen Verbindung (3) zwischen Frontplatte (1) und Rückenplatte (2) als Klebeverbindung, (z. B. doppelseitiges Klebeband)
4. - 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/m² 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.