Die Vielfalt der Absorber

Die Möglichkeiten Schallabsorber zu bauen sind äußerst vielfältig. Das eröffnet natürlich auch ein breites Spektrum der visuellen Gestaltung, von unauffälligen Oberflächen, an denen nur Fachleute mit geschärftem Blick erkennen können, daß es sich um einen Schallabsorber handelt, bis dahin einen nach akustischen Gesichtspunkten ausgewählten Schallabsorber als gestalterisches Element einzusetzen.

Doch betrachten wir zunächst die primäre akustische Funktion von Schallabsorbern. Um deren Vielfalt übersichtlicher und für die praktische Anwendung handhabbar zu machen, nutzen wir eine Klassifizierung nach Typen verschiedener Funktionsweise mit typischen Einsatzbereichen. Wichtige Standard-Typen und einige Sonderformen für spezielle Anwendungsfälle werden im Folgenden beschrieben.

Poröse Absorber

Funktionsweise

Poröse Absorber bestehen aus einer luftdurchlässigen (porösen) Schicht vor einer schallharten, reflektierenden Schicht, beispielsweise einer massiven Wand, eventuell auch mit einer Luftschicht dazwischen. Der Schall durchdringt die poröse Schicht und wird an der schallharten Schicht reflektiert. Hin- und rücklaufende Schallwelle überlagern sich zu einer stehenden Welle mit einem 'Schnelle-Maximum', also einem Bereich maximaler Bewegung der Luftteilchen um 1/4 der Wellenlänge entfernt vom harten Reflektor. In diesem Bereich maximaler Bewegung kann eine poröse Schicht besonders gut durch Reibung mit den bewegten Luftteilchen Schallenergie absorbieren.

Absorptionseigenschaften

Ein dünner poröser Absorber absorbiert nur bei hohen Frequenzen (mit kleinen Wellenlängen) gut. Je dicker die poröse Schicht (oder auch je größer der Wandabstand) ist, umso tiefer auf der Frequenz-Skala reicht die Absorption. Die Eigenschaften eines Absorbers werden bestimmt vom porösen Material, der Dicke der Schicht und ggf. dem Abstand zum Reflektor. Bei guter Auslegung kann ein poröser Absorber oberhalb einer unteren Grenzfrequenz einen recht gleichmäßigen Absorptionsgrad um 90% haben - er wirkt also als 'Breitbandabsorber' oberhalb der Grenzfrequenz (siehe Grafik). Zur Orientierung ist in der Grafik der ungefähre Verlauf des Absorptionsgrads bei verschiedenen Dicken des Absorbers eingezeichnet.

Typischer spektraler Verlauf des Absorptionsgrads eines porösen Absorbers bei verschiedenen Schichtdicken
und bei jeder Schichtdicke angepaßter Material-Eigenschaft des Absorbers. Abhängig von der Auslegung
können die Kurven auch etwas anders verlaufen.

Konstruktionsweisen

Konstruktiv hängt der Aufbau vom Typ des verwendeten Absorber-Materials ab. Bei Absorbern aus mineralischen oder textilen Fasern ist eine Abdeckung notwendig, die meist aus einem faserdichten Vlies und einem akustisch transparenten mechanischen Schutz besteht, oft einer gelochten oder geschlitzten Platte, eventuell zusätzlich einem Textilgewebe für die optische Gestaltung. Der Flächenanteil der Öffnungen muß möglichst hoch sein und die Abdeckschicht darf nicht zu dick sein. Bei zu kleinem Lochflächenanteil oder zu großer Dicke der Abdeckschicht verringert sich die absorbierende Wirkung bei hohen Frequenzen und es entstehen Übergangsformen zu Lochplatten-Absorbern (siehe weiter unten). Absorber aus offenporigen Schaumstoff oder Mineralstoff oder aus aufgespritzten Zellulosefasern benötigen keine Abdeckung, falls die mechanische Festigkeit und die optische Erscheinung für die jeweilige Anwendung ausreichen.

Querschnitt durch einen porösen Absorber.

Platten-Absorber

Ein Platten-Absorber besteht aus einem geschossenen Hohlraum, der zum Raum hin mit einer schwingungsfähigen Platte abgeschlossen ist. Dieser geschossene Hohlraum wirkt als resonantes System mit einer Resonanzfrequenz, die von der Masse der schwingungsfähigen Platte und der Federwirkung des eingeschlossenen Luftvolumens. Bei der Resonanz-Frequenz und in deren Umgebung gerät die abdeckende Platte und das Luftvolumen dahinter besonders stark in Schwingung, sobald eine äußere Anregung kommt. Wird der Hohlraum nun mit Dämmstoff im Inneren bedämpft, so wird die ganze Konstruktion zum Schallabsorber mit Maximum der Absorption bei der Resonanzfrequenz, also dort wo maximale Bewegung auftritt, und abnehmendem Absorptionsgrad oberhalb und unterhalb der Resonanz. Die Grafik zeigt einen typischen spektralen Verlauf des Absorptionsgrads eines Plattenabsorbers.

Typischer spektraler Verlauf des Absorptionsgrads eines Plattenabsorbers mit Absorptions-Maximum bei 125 Hz.

Querschnitt durch einen Platten-Absorber.

Die Frequenz des Absorptions-Maximums (f₀ in [Hz]) ergibt sich näherungsweise aus der Dicke des Luftraums (d in [cm]) und der flächenbezogenen Masse der schwingfähigen Platte (m' in [kg/m²]) mit:

f₀ = 510 / √ (m' * d)

Mit der Dämmstoff-Füllung wird die Form des Maximums beeinflußt: Mit wenig Dämmstoff wird das Maximum schmal - der Absorber wirkt nur in einem engen Frequenzband um das Maximum. Je mehr Dämmstoff eingebracht wird, umso breiter und flacher wird das Maximum - Der Absorber wird breitbandiger, das Maximum weniger hoch. Genauere Information liefern Planunghilfen (wie [PTB, 200x], [Zorba], siehe Anhang) oder Messungen im Hallraum.

Helmholtz-Resonator-Absorber

Ein Helmholtz-Resonator ist eine Flasche, die nahezu eine beliebige Form haben kann. Wichtig für die Funktion sind nur das Innenvolumen sowie Querschnitt und Länge des Halses. Flaschen besitzen so ausgeprägte Resonanzen, daß sie sich als Musikinstrumente eignen - hier ein Beispiel zum Anhören:

Dabei schwingt die Luft mit maximaler Bewegung im Flaschenhals, die Luft im Flaschenbauch wirkt als Feder. Etwas Reibung, beispielsweise mit Dämmstoff, im Flaschenhals eingebracht entzieht der bewegten Luft besonders gut die Energie. Der Resonator (die Flasche) wird zum Absorber. Bei der Resonanzfrequenz ist die Absorption maximal.

Experiment Ein kleines Experiment kann die Wirkungsweise eines Helmholtz-Resonators veranschaulichen. Nehmen Sie eine leere Getränkeflasche und blasen Sie diese oben so an, daß ein Ton entsteht. Füllen Sie die Flasche nun nach und nach mit Wasser und erproben dabei immer wieder, wie sich die Tonhöhe verändert. Entleeren Sie nun die Flasche oder wählen Sie einen beliebigen Füllgrad, bei dem sich besonders gut Töne erzeugen lassen (ausprobieren !). Bringen Sie jetzt eine kleine Menge loser Watte in den Flaschenhals, gerade soviel, daß sie dort gut hält. Versuchen Sie nun noch einmal, auf der Flasche Töne zu erzeugen. Es wird Ihnen kaum gelingen - die Flasche ist zum Absorber geworden.

Anwendung

Helmholtz-Resonatoren spielen in der alltäglichen raumakustischen Planung eher eine Nebenrolle, sie eignen sich jedoch für die akustische 'Feinabstimmung' sehr anspruchsvoller Räume wie beispielsweise Konzertsäle, da sie sich durch Verändern des Volumens genau nach Bedarf abstimmen lassen (siehe Experiment). Im Folgenden werden wir sehen, daß eine abgewandelte Form ein breiteres Anwendungsfeld erschließt.

Lochplatten-Absorber

Ein Lochplatten-Absorber ist ein 'Abkömmling' des Helmholtz-Resonators mit vielen Löchern, ein flächiger Hohlraum, der mit einer löchrigen Platte abgedeckt ist. Hinter der Platte wird mit einer Lage Dämmstoff die notwendige Reibung erzeugt. Wie die 'Urform' des Helmholtz-Resonators besitzt auch ein Lochplatten-Absorber ein resonantes Absorptions-Maximum, dessen Lage im Frequenzsprektrum vom Volumen und der Lochung abhängt. Da es sich um ein flächiges Bauteil handelt, mit dem Wände und Decken in beliebiger Ausdehnung belegt werden können, wird es mit flächenbezogenen Werten charakterisiert.

Querschnitt durch einen Lochplatten-Absorber. Obwohl der Aufbau einem Platten-Absorber ähnelt, entspricht das Funktionsprizip einem Helmholtz-Resonator: nicht die Platte schwingt, sondern die Luft in den Löchern oder Schlitzen. Damit die Dämpfung gut funktioniert, muß sich bei teilweiser Füllung der Dämmstoff auf der gelochten Seite des Hohlraums befinden.

Die wichtigsten Bestimmungsgrößen für die spektrale Lage des Absorptions-Maximums sind die Dicke des Hohlraums ( = Volumen / Fläche) und der Lochflächen-Anteil ( = Fläche der Löcher / Gesamte Fläche). Weiteren Einfluß auf die genaue Lage, Breite und Form des Maximums haben die Größe und Form der Löcher, die Dicke der Abdeckplatte, sowie die Menge und Eigenschaften des Dämmstoffs hinter der Lochung.

Durch verschiedenste Bauformen mit einer Vielzahl an Parameter-Kombinationen können die Absorptions-Eigenschaften in weiten Grenzen an diverse Anwendungsfälle angepaßt werden. Vorzugsweise werden Lochplattenabsorber eingesetzt um mittlere Frequenzen zu absorbieren. Durch verschiedene Maßnahmen wie die Kombination unterschiedlich großer Löcher in einer Platte kann der Absorptionsbereich verbreitert werden. Wird der Lochflächen-Anteil besonders groß gewählt, so entstehen Übergangsformen vom schmalbandigen resonanten Absorber zum Breitbandabsorber mit gelochter Abdeckung, der eine untere Frequenzgrenze hat und bis zu sehr hohen Frequenzen absorbiert, wie oben beschrieben. Diverse kommerziell erhältliche Absorber gehören zu dieser Übergangs-Kategorie.

Typische spektrale Verläufe des Absorptionsgrads eines resonanten und eines Breitband- Absorbers sowie
ein Beispiel für eine Übergangsform.

Kanten-Absorber

Ein Kanten-Absorber ist eine besondere Form eines porösen Absorbers, der als Streifen entlang einer Raumkante angeordnet ist. Besonders nützlich kann dieser Absorber-Typ als flächensparender Tiefenabsorber sein. Dazu muß der Absorber-Streifen genügend dick, typisch 40-50 cm, und etwa einen halben Meter breit sein. Aufgrund der Wellenmuster, die sich in den Kanten von Räumen einstellen, wirkt ein solcher Absorber bei tiefen Frequenzen mit einer äquivalenten Absorberfläche, die größer ist als die geometrische Fläche des Absorbers, bis zu mehr als dem Doppelten (dies funktioniert allerdings nur bei Anordnung in Raumkanten !).

Querschnitt durch einen Kanten-Absorber mit einer massiv verkleideten
und einer akustisch transparenten Seite, im Beispiel mit Lochblech.
Es gibt auch Bauformen mit zwei akustisch offenen Seiten.

Frequenz-Abhängigkeit der maximal wirksamen Breite von Kantenabsorbern.
Da die erhöhte Absorption in den Kanten auf dem Schalldruckmaximum in zwei
Dimensionen beruht, ist diese Wirkung bei jeder Frequenz auf einen Bereich
begrenzt, der durch das 1/4 Wellenlänge von der Kante entfernte Schnelle-
Maximum bedingt ist. Deshalb sinkt die wirksame Breite mit zunehmender
Frequenz und daher eignen sich Kantenabsorber nur für tiefe Frequenzen.

Bisher werden Kantenabsorber vorwiegend zur Verbesserung der Raumeigenschaften im HiFi-Bereich, sowie in der Studio-Akustik verwendet. Wegen des relativ geringen Flächenbedarfs sind sie jedoch auch besonders für Gebäude mit thermisch genutzten Decken geeignet, da hier häufig die für Absorber verfügbaren Flächen knapp sind. So können beispielsweise Deckenkoffer in Raumkanten, die des öfteren Installationen verbergen, als Kantenabsorber ausgebildet werden.

Zur Zeit existieren nur wenige Meßdaten der Absorptions-Eigenschaften von Kantenabsorbern, so daß die richtige Dimensionierung in Anwendungsfällen schwierig ist. Hier besteht noch Forschungs- und Entwicklungsbedarf, um mit einer verbesserten Datenbasis die Anwendung zu vereinfachen.

Übersicht über die Absorber-Typen

Absorber-Typ	Wirkungs-Prinzip	typischer Einsatz	Effizienz
Poröse Absorber	Reibung in porösem Material	breitbandige Bedämpfung mittlerer und hoher Frequenzen	0..+
Platten-Absorber	geschlossener Kasten als bedämpfter Resonator	Bedämpfung tiefer Frequenzen	0
Helmholtz-Resonator- Absorber	Hohlraum mit Öffnung als bedämpfter Resonator	gezielte Bedämpfung bestimmter Frequenzbereiche	0..+
Lochplatten-Absorber	Hohlraum mit vielen Öffnungen als bedämpfter Resonator	Bedämpfung mittlerer Frequenzen	0..+
Kanten-Absorber	Reibung in porösem Material zusammen mit dem Kanten-Effekt	effektive Bedämpfung tiefer Frequenzen, nur in Kanten möglich	++
Decken-Lamellen / Baffles	freihängendes poröses Material	unter thermisch genutzten Decken	0
Verbundplatten- Absorber	gedämpftes Feder-Masse-System	Bedämpfung tiefer Frequenzen	0..+
Mikroperforierte Absorber	Lochplatten-Absorber ohne Dämmstoff	als transparente Absorber	0

Effizienz: Absorptionsgrad im maximalen Bereich typisch 0: <0.8, +: 0.8..1.0, ++: rechnerisch >1.0

Nachhallzeiten berechnen

Die einfache Berechnung der Nachhallzeit eines Raums geht auf Wallace Clement Sabine (1868-1919) zurück, der an der Havard University Physik lehrte. Beim Bau der Boston Symphony Hall (1899/1900) unterstützte er die Architekten mit akustischer Beratung, Berechnungen und Messungen. Es wurde ein großer Erfolg - die Boston Symphony Hall gilt bis heute als ein Konzertsaal allererster Klasse (Aus­führ­liches zu diversen Konzertsälen ist in [Beranek, 2004] zu finden).

An der Boston Symphony Hall fand erstmals beim Bau eines Konzertsaals
eine quantitative akustische Beratung statt. (Bildquelle: wikipedia.org)

W. C. Sabine erkannte, daß die Nachhallzeit eines Raums in erster Linie vom Innenvolumen und von der Schallabsorption der Oberflächen im Raum abhängt. Auf diesen Größen beruht auch die von ihm entwickelte und nach ihm benannte Näherungsformel für die Nachhallzeit:

T = 0.163 V / A = 0.163 V / ∑ S_i α_i

wobei:

T = Nachhallzeit der Raums in [s]
V = Nettovolumen der Raums in [m³]
A = ∑ S_i α_i die gesamte äquivalente Schallabsorptionsfläche im Raum in [m²]
S_i sind die einzelnen Oberflächen im Raum in [m²]
α_i sind die Schallabsorptionsgrade der einzelnen Oberflächen, ohne Einheit [-]

Für Räume mit einfacher Geometrie (z.B. Quader), die nicht sehr stark bedämpft sind und wo die Absorber etwa gleichmäßig im Raum verteilt sind, liefert die Sabine'sche Formel Ergebnisse, die für die raumakustische Planung meist hinreichend genau sind, und wird deshalb häufig verwendet.

Bei sehr großen Räumen muß zusätzlich die Absorption der Luft berücksichtigt werden. Für stark bedämpfte Räume liefert die etwas komplexere Formel von Eyring genauere Ergebnisse als die Sabine'sche Formel. Räume mit besonders hohen Anforderungen an die raumakustische Qualität werden auch mittels raumakustischer Simulation vorherberechnet. Aus den Simulations-Ergebnissen können neben Nachhallzeiten auch diverse weitere Maße für die raumakustische Qualität abgeleitet werden. Zudem können Hörproben hergestellt werden, die es auch mit den Qualitätsmaßen nicht vertrauten Personen erlauben, die Qualität einzuschätzen. In Kap. 2.3 werden solche Hörproben verwendet.

Raumakustische Qualität bezieht sich immer auf eine bestimmte Nutzungart, denn eine Raum kann für eine Nutzung sehr gut geeignet und zugleich für eine andere Nutzung völlig ungeeignet sein. Qualitäts-Anforderungen an Räume verschiedener Nutzungsarten sind in [DIN 18041] zusammengestellt.

Zunächst lassen sich Räume in zwei in den akustischen Anforderungen sehr unterschiedliche Klassen unterteilen:

- Räume, die der Kommunikation, der sprachlichen oder der musikalischen Darbietung dienen (in DIN 18041 als 'Gruppe A' bezeichnet). Das Gemeinsame an diesen Räumen ist, daß immer eine raumweite Ausbreitung der Schallereignisse in einer hohen Übertragungsqualität erwünscht ist.

- Räume, in denen Kommunikation nur im Nahbereich stattfindet ('Gruppe B' in DIN 18041). Da in solchen Räumen oft verschiedene Gespräche zugleich stattfinden und sich gegenseitig stören können (extremes Beispiel: 'Call Center') oder sich Geräuschquellen im Raum befinden (Beispiel: Werkstatt), ist hier eine raumweite Schallausbreitung unerwünscht.

Die weitere Betrachtung bezieht sich in erster Linie auf Räume der 'Gruppe A'.