DE4408782A1 - Folien-Schallabsorber - Google Patents

Description

1. Einleitung

In der Raumakustik (z. B. bei Wand- und Decken-Auskleidungen), in der Lärmbekäm­ pfung an lauten Maschinen (z. B. bei Kapselungen und Abschirmungen) sowie beim technischen Schallschutz (z. B. durch Schalldämpfer in Strömungskanälen) dominiert, wie in Bild 1 angedeutet, der Einsatz von mehr oder weniger homogenen Schichten aus faserigem/porösem Material (z. B. künstlicher Mineralfaser (KMF)). Die jahrelange Diskussion über mögliche Gefährdungen durch Feinstäube und Fasern Köster, J.; Grunau, E.B.: Mineralfasern: Eine Gefahrenquelle, Expert-Verlag, Ehningen, 1993) sowie durch Ablagerungen und Keimbildung in solchen Schichten hat dazu geführt, daß man einerseits das poröse Material mit geeigneten Folien und Vliesen abzudecken und einzupacken versucht und andererseits nach alternativen Schallabsorbern sucht, die ganz ohne den Einsatz solcher porösen Materialien auskommen. Bei der Anmelde­ rin führte diese Suche frühzeitig zur Entwicklung von drei ganz unterschiedlich aufge­ bauten Absorbern für völlig verschiedene schalltechnische Anwendungen "Schallabsorbierendes Bauelement" - DE 27 58 041; "Schalldämpfer-Box" DE 34 04 208; "Schallabsorbierendes Glas- oder Kunstglas-Bauteil" DE- 43 15 759). Sie kön­ nen - jeder für sich, aber auch in Kombination und zur Ergänzung der Wirksamkeit konventioneller Absorber - einen weiten Frequenzbereich von ca. 50 Hz aufwärts bis in den kHz-Bereich und ein sehr breites Anwendungsfeld abdecken. Es fehlte auch nicht an mehr oder minder erfolgreichen Versuchen, die Wirkungs-Me­ chanismen in diesen meist flächig aufgebauten Absorbern zu beschreiben. So wird z. B. in Mechel F.; Kiesewetter, N.: Schallabsorber aus Kunststoff-Folie. Acustica 47 (1981), S. 83-88 gezeigt, daß eine ebene Kunststoff-Folie, die von einer schräg auf­ treffenden Schallwelle zu erzwungenen Biegewellen angeregt wird, nicht in der Lage ist, einen wesentlichen Teil der Schallenergie durch innere Reibung zu vernichten. Um den Dissipationsgrad trotzdem wesentlich zu erhöhen, wird vorgeschlagen, die Folie so zu verformen, daß "rechteckige Flächenstücke von einigen Zentimetern Länge und Breite entstehen, die am Rande durch einen Knick begrenzt sind. Der Knick am Rande dieser Platten wirkt als Befestigung und hindert die Folie an dieser Stelle in ihrer frei­ en Bewegung. Dadurch wird die Platte zu Eigenschwingungen angeregt. Die Wellen­ längen dieser Eigenschwingungsformen sind im Frequenzbereich bis zu 5000 Hz we­ sentlich kleiner als die Spurwellenlänge der auftreffenden Luftschallwelle. Die Schwingungsamplitude der Platte wird besonders groß bei den Eigenfrequenzen". Durch dieses resonanzartige Mitschwingen der Teilflächen bei ihren charakteristi­ schen Biegeschwingungen meinte man, auch bei weiterhin verhältnismäßig geringer innerer Dämpfung, aber starker Verformung des Folienmaterials zumindest in der Nä­ he einer Eigenfrequenz hohe Dämpfung der anregenden Schallwellen erreichen zu können. Um trotz dieser prinzipiell auf nur schmale Frequenzbänder beschränkten Wirkungsweise profilierter Folien zu einem breitbandigen Schallabsorber zu gelangen, hat man versucht ("Schallabsorbierendes Bauelement" - DE 29 21 050, "Schallabsorbierendes Bauelement" - DE 32 33 654)

• - durch Tiefziehen in den Boden- und Seitenflächen der Folien Platten unter­ schiedlicher Größe zu schaffen,
• - durch Bevorzugung rechteckig langgestreckter anstelle von quadratischen Teilflächen innerhalb einer und derselben Platte eine höhere Zahl von Eigenfre­ quenzen anregbar zu machen,
• - durch vielfache, kleinere und größere Verformungen sowie zusätzliche Masse-Einschlüsse in den tiefgezogenen Folien eine solche Vielfalt der Eigenschwin­ gungen zu ermöglichen, daß praktisch alle interessierenden Frequenzanteile des zu dämpfenden Schallfeldes möglichst vollständig absorbiert werden kön­ nen.

Ergebnis dieser Optimierung von 10 und mehr gleichzeitig anregbaren Biegeschwin­ gungen ist eine stark zerklüftete, rauhe Oberfläche des Schallabsorbers.

2. Nachteile der konventionellen Folien-Absorber

Die oben beschriebenen Becher-Ausprägungen, Profilierungen, Strukturierungen, Eintiefungen, Sicken und Nuten in den bisher verwendeten Folien-Absorbern weisen eine Reihe schwerwiegender Nachteile auf: ihre Herstellung gelingt bisher mit vertret­ barem Aufwand nur mit bestimmten Folien auf Polyvinylchlorid (PVC)-Basis. Andere Kunststoff-Folien mit vergleichbaren inneren Verlusten zur Energie-Dissipation der Biegeschwingungen lassen derartige Verformungen nicht zu.

PVC hat mit vielen anderen Kunststoffen gemeinsam, daß es - selbst bei der Anwen­ dung in Innenräumen - nicht dauerhaft UV-beständig ist und deshalb Verfärbungen eintreten können. Aus Gründen des Umweltschutzes reagiert der Markt heute zu­ rückhaltend auf alle PVC-Produkte. In manchen Ländern ist die Verwendung von PVC in größeren Mengen in Gebäuden auch aus Gründen des Brandschutzes untersagt.

Solange die dünnen (0,2-0,4 mm dicken) Folien beim Tiefziehen nicht reißen und auch bei der Montage sowie bei der Wartung nicht verletzt werden, sind die einge­ schlossenen Hohlräume zwar dauerhaft gegen eindringende Feuchtigkeit und Ver­ schmutzungen geschützt. Aber die charakteristische, zerklüftete Oberfläche bietet in staubhaltiger, feuchter Umgebung dennoch Möglichkeiten für Ablagerungen und Ver­ schmutzungen aller Art. In Naßräumen kann diesen zwar durch Abwaschen und Ab­ bürsten bis zu einem gewissen Grade begegnet werden. Eine intensivere und häufi­ gere Reinigung wirkt sich aber dennoch negativ auf die Dauerhaltbarkeit dieser Art von Folien-Absorbern aus.

Alle diese Nachteile schränken die Materialauswahl zur Herstellung der herkömmli­ chen Folien-Absorber sowie ihre Anwendbarkeit im Bereich der Raumakustik und des technischen Schallschutzes zur Wandauskleidung und Schallkapselung erheblich ein. Als Schalldämpfer in Lüftungskanälen haben sich Folien-Absorber bisher überhaupt nicht bewährt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Folienabsorber zu schaffen, der einfach her­ zustellen ist und einfach zu reinigen. Erfindungsgemäß wird dies durch den Folienab­ sorber nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteran­ sprüchen gekennzeichnet.

3. Darstellung der Erfindung

Der erfindungsgemäße Folien-Absorber vermeidet die becherförmigen Ausformungen ganz und besteht nur aus mehreren (bevorzugt: 3) völlig ebenen Folien, die vor einer schallharten Rückwand (z. B. einem sehr schweren Bauteil) hintereinander (bevorzugt: alle parallel zueinander und zur Wand) angeordnet sind. Die Folien können aus beliebi­ gem Material, z. B. Kunststoff oder Metall, sein. Ihre Querabmessungen sind weitge­ hend, z. B. dem jeweiligen Einbaufall entsprechend, frei wählbar. Ihre akustischen Ei­ genschaften werden gemäß Bild 2 im wesentlichen von ihren Flächengewichten m′′ und Abständen D zueinander und zur Wand bestimmt. Im Gegensatz zum herkömmli­ chen Folien-Absorber spielen, zumindest beim senkrechten Schalleinfall, die Form und Ausgestaltung der zwischen den Folien und der Wand gebildeten Hohlräume sowie der Art der Befestigung der Folien auf Abstandshaltern oder Rahmen zur Befestigung der Absorber an der Rückwand eine nur untergeordnete schalltechnische Rolle. Da der erfindungsgemäße Absorber seine Wirksamkeit nicht wesentlich aus der inneren Dämpfung im Folien-Material durch Anregung von Biegeverformungen an Knickungen, Kanten und Auflagern und auch kaum aus der Reibung zwischen Kontaktflächen oder aus der Reibung schwingender Luftteilchen an feinen Fasern oder in engen Poren ableitet, ermöglicht er hinsichtlich Materialauswahl und Formgebung eine bisher nicht mögliche Anpassung der schalltechnischen Auslegung auf den jeweiligen Einsatzfall. Dabei benötigt er bei Auslegung auf dasselbe Schallspektrum etwa gleiche Bautiefe und etwa gleiches Flächengewicht wie die bekannten Folien-Absorber.

Der erfindungsgemäße Folien-Absorber nach Bild 2 ist, ähnlich wie derjenige nach DE 27 58 041, DE 29 21 050 oder DE 32 33 654, ein komplexes Resonanz-System. Mit seinem, ähnlich dem herkömmlichen Folien-Absorber, geringen Kennwiderstand (vgl. Fuchs, H.V.; Ackermann, U.; Frommhold, W.: Entwicklung von nichtporösen Absorbern für den technischen Schallschutz. Bauphysik 11 (1989), S. 28-36) er­ möglicht er bereits bei einer verhältnismäßig kleinen Zahl von Resonanz-Mechanismen (bevorzugt: 3) eine unerwartet breitbandige Wirksamkeit.

Bild 3 zeigt am einfachsten Beispiel eines nur aus einer einzigen Folie aufgebauten Resonanz-Systems ein wichtiges Optimierungs-Prinzip der erfindungsgemäßen Absor­ ber. Für eine breitbandige Dämpfung bei hohen Frequenzen sollte die Folie ein mög­ lichst geringes Flächengewicht m′′ aufweisen und nicht etwa (bei größerem m′′) einen entsprechend kleineren Abstand bevorzugen. Um dagegen bei tiefen Frequenzen op­ timal zu absorbieren, sollte nicht etwa nur das Flächengewicht vergrößert werden, sondern gleichzeitig die Dicke D des Luftkissens. So läßt sich erreichen, daß bereits der einfachste einschalige Aufbau für tiefe Frequenzen mit deutlich geringerer Bau­ tiefe auskommt als ein homogen aufgebauter poröser oder faseriger Absorber.

Diese Tendenz verstärkt sich noch bei mehrschichtig aufgebauten erfindungsgemäßen Folien-Absorbern: durch Anbringung von Folie 1 zusätzlich vor Folie 2 in Bild 4 verschiebt sich der zu tiefen Frequenzen abfallende Teil der Dämp­ fungskurve um 1-2 Terzen.

Bild 5 zeigt ein Rechenergebnis für drei gleich schwere Folien mit einer gesamten Bautiefe von 100 mm. Der Vergleich mit Messungen im sogenannten Impedanzrohr mit einem Querschnitt von 200×200 mm² zeigt sehr gute Übereinstimmung bis zur Meßgrenze von 1200 Hz (Bild 6).

Messungen im sogenannten Hallraum folgen den Rechenergebnissen ebenfalls recht gut, siehe Bild 7 und 8.

In Bild 8 wurden zusätzlich die Meßergebnisse aus Bild 2 von DE 27 58 041 für einen in der Bautiefe und dem Flächengewicht ungefähr vergleichbaren Folien-Absorber ein­ getragen. Den Vergleich von zwei dreischalig aufgebauten Folien-Absorbern entspre­ chend etwa Bild 3 mit A = 50 mm von zeigt Bild 9. Offenbar lassen sich mit dem er­ findungsgemäßen Folien-Absorber die tieferen Frequenzen, mit dem Folien-Absorber nach der DE 27 58 041 dagegen die höheren etwas besser absorbieren.

Das Defizit des ebenen Folien-Absorbers läßt sich durch eine einfache Kassettierung der großflächigen Luftkissen bei dem im Hallraum sowie in größeren Räumen allge­ mein dominierenden schrägen Schalleinfall wettmachen. Dazu ist es notwendig, die Luftzwischenräume nach Bild 10 mit einer regelmäßigen (z. B. bienenwabenförmigen) oder auch unregelmäßigen (z. B. aus zerknüllten Folien bestehenden) Rasterstruktur so zu unterteilen, daß dadurch Teilräume von der Größe weniger cm entstehen. Die Kassettierung kann dabei durch Zwischenwände aus Kunststoff oder Metall erfolgen, die Folien sollen jedoch die Innenkassette nicht berühren bzw. nicht aufliegen. Sie kann an den Seitenberandungen des Folienabsorbers selbst aufgehängt bzw. befestigt sein. Eine solche Optimierung bei hohen Frequenzen ist z. B. vom streifenden Schall­ einfall bei Schalldämpfer-Kulissen in Strömungskanälen her bekannt, die deshalb in­ nen "kassettiert" ausgeführt werden. Es sei aber betont, daß zur Minderung schädli­ cher Reflexionen in der Raumakustik auch häufig Schallabsorber verlangt werden, die insbesondere die etwa senkrecht auftreffenden Schallwellen absorbieren können.

4. Vorteile ebener Folien-Absorber

Die erfindungsgemäßen Folien-Absorber lassen sich durch hintereinander gestaffelt angeordnete Masse/Feder-Systeme bestehend aus dünnen Folien mit Luftzwischen­ räumen nahezu beliebig breitbandig absorbierend machen, insbesondere dann, wenn man (in Schalleinfallsrichtung gesehen) Flächengewichte m′′ der Folien steigert und die Abstände D zwischen ihnen zur Wand hin ebenfalls vergrößert.

Der Hohlraumresonator, der durch die Folie 1, die seitlichen Rahmen 2 oder Ab­ standshalterungen und die Rückwand R gebildet wird, ist dabei vorteilhafterweise gasdicht ausgebildet.

Wählt man z. B. glasklare Folien aus Acrylglas mit Dicken mit ungefähr 0,1 bis 0,5 mm, so läßt sich ein völlig transparenter Absorber aufbauen, der - zumindest bei senkrechtem Schalleinfall - den gesamten für die Verständlichkeit von Sprache wich­ tigen Frequenzbereich optimal absorbiert. (Für Frequenzen oberhalb 1-2 kHz ist in Mehrzweckräumen für Sprache und Musik regelmäßig bereits durch Ausstattung und Publikum genügend Absorption vorhanden). Gegenüber dem Kunstglas-Bauteil nach DE 43 15 759 mit seiner mikro-perforierten Lochplatte als Schallabsorber läßt sich der erfindungsgemäße Folien-Absorber akustisch breitbandiger auslegen und bedeu­ tend kostengünstiger herstellen und wegen der geschlossenen Fläche wartungs­ freundlicher gestalten.

Wählt man dagegen mechanisch und chemisch hochbeständige Folien aus Kunststof­ fen, Metallen oder Verbundwerkstoffen, so läßt sich auch ein sehr robuster und breit­ bandiger Absorber für den technischen Schallschutz entwerfen, der ganz ohne emp­ findliche faserige oder poröse Materialien auskommt.

Die flächige, völlig ebene und glatte Bauweise des erfindungsgemäßen Folien-Absor­ bers bietet hinsichtlich Ablagerungen und Reinigung wesentliche Vorteile.

Gegenüber dem Membran-Absorber nach DE 34 04 208 mit seiner aufwendigen Un­ terkonstruktion aus gegeneinander abgeschlossenen Hohlkammern kann der ebene Folien-Absorber bedeutend einfacher und kostengünstiger hergestellt werden.

Da er an keine bestimmten Raster als Unterkonstruktion oder Rahmen gebunden ist, läßt sich der erfindungsgemäße Folien-Absorber - ähnlich wie Schalldämpfer aus ho­ mogener Mineralwolle - beliebig elementieren und in Modulbauweise, bevorzugt zu­ sammen mit der schallharten Rückwand, als schallabsorbierendes Bauteil mit der er­ forderlichen Steifigkeit in frei wählbaren Abmessungen herstellen.

Eine weitere Ausführungsform, z. B. für Schwimmhallen, kann als dem Raum zuge­ kehrte erste Folie ein wasserundurchlässiges, dünnes Tuch erhalten. Eine besonders widerstandsfähige Variante kann als erste Folie auch neuartige, äußerst reißfeste, dünne Kunststoff-Gewebe verwenden.

In der Farbgestaltung und Oberflächenstruktur bietet der erfindungsgemäße Folien-Absorber eine bisher für Schallabsorber nicht bekannte Vielfalt, die seinem Einsatz in der Raumakustik entgegenkommt.

Claims (10)

1. Folien-Schallabsorber, wobei mindestens zwei glatte, ebene, luftundurchlässi­ ge Folien (1) mit verschiedenem Abstand D zueinander und zu einer schallhar­ ten Rückwand R angeordnet sind.

2. Folien-Schallabsorber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Flächengewicht m′′ der Folien 0,05-1 kg/m², und der Abstand D5 - 100 mm beträgt.

3. Folien-Schallabsorber nach den Ansprüchen 1-2, dadurch gekennzeichnet, daß die Folien mit steigendem Flächengewicht m′′ und etwa in gleichem Maße steigendem Abstand D zur Rückwand angeordnet sind.

4. Folien-Schallabsorber nach den Ansprüchen 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Folien auf Abstandshalterungen oder Rahmen (2) aus Metall, Kunst­ stoff, Verbundwerkstoffen am äußeren Rand befestigt sind.

5. Folien-Schallabsorber nach den Ansprüchen 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die freihängende Fläche der Folie etwa 0,1 . . . -1 m² beträgt.

6. Folien-Schallabsorber nach den Ansprüchen 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie aus Kunststoff, Acrylglas, Metall, z. B. Aluminium, oder Ver­ bundwerkstoffen besteht.

7. Folien-Schallabsorber nach den Ansprüchen 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftzwischenräume regelmäßig oder unregelmäßig kassettiert sind, wobei die Innenkassetten die schwingende Folie nicht behindern, andererseits aber die Schallausbreitung im Luftzwischenraum unterbinden, und die Wände (3) der Innenkassetten starr und aus dem gleichen oder verschiedenem Mate­ rial ausgebildet sind.

8. Folien-Schallabsorber nach den Ansprüchen 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß die äußerste Folie aus wasserundurchlässigem Gewebe, Tuch oder Kunststoffgewebe besteht.

9. Folien-Schallabsorber nach den Ansprüchen 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Folie gefärbt und/oder bedruckt ist.

10. Folien-Schallabsorber nach den Ansprüchen 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum, der durch die Folie (1), den Rahmen (2) und die Rückwand R gebildet ist, gasdicht ausgebildet ist.