D. Hennings: Raumakustische Optimierung ...

3. Planung eines Raums

3.1 Raumeigenschaften und Nutzung

In diesem Teil wird die raumakustische Planung durchgespielt unter der Randbedingung, daß die Beton-Raumdecke thermisch genutzt wird und nicht für Schallabsorber zur Verfügung steht. Dieses 'Planspiel' erfolgt an einem Seminarraum, also einer besonderen Art Unterrichtsraum, in dem überwiegend raumweite Kommunikation stattfindet, einerseits als Vorträge und anderer­seits als Diskussion.

Diese recht genaue Beschreibung der Nutzungsart des Raums ist eine wichtige Voraussetzung für die raumakustische Planung, denn aus der Nutzung ergeben sich auch die akustischen Eigen­schaften, die der Raum haben soll. Mehr dazu im weiteren Verlauf.

Der Beispielraum befindet sich in einem mehrstöckigen Institutsgebäude. Die Innenmaße sind:

Länge =
Breite =
Höhe =

10.0 m
7.0 m
3.0 m

Die Fensterwand des Raums besteht oberhalb der Brüstung (0.8 m) aus einem durchgehenden und bis zur Decke reichenden Fensterband. In der Wand zum Flur befindet sich oberhalb der Tür ein durchgehendes Oberlicht, das nicht bis zur Decke reicht, da die Decke im Flur abgehängt ist, um Raum für Installationen zu schaffen. Alle Wände bestehen aus massivem Mauerwerk.

Der Raum soll in zweierlei Weise genutzt werden: Für Diskussionsgruppen und Seminare mit etwa 10 bis 20 Teilnehmern sowie für Vorträge und Vorlesungen mit maximal etwa 40 Zuhörern. Die Grafik zeigt den Raum in drei Besetzungen: unbesetzt (links), mit einer Seminargruppe von 10 Personen (mitte) und mit 40 Personen bei einem Vortrag (rechts).


3.2 Qualitäts-Anforderungen

Standardisierte raumakustische Qualitätsanforderungen sind in [DIN 18041] zu finden. Dort werden Räume in 'Gruppe A' und 'Gruppe B' unterteilt.

Unser Seminarraum zählt zur 'Gruppe A', Räumen, in denen raumweite Kommunikation statt­findet oder musikalische oder sprachliche Darbietungen erfolgen. Hierzu gehören Konzertsäle, Theater, Vortragsräume, Auditorien aller Art, Hörsäle, Seminarräume, Unterrichtsräume, usw. All diesen Räumen ist gemeinsam, daß eine raumweite Schallausbreitung in hoher Übertragungs­qualität erwünscht ist. Für diese Art Räume werden in der DIN Nachhallzeiten empfohlen, die nach Nutzungsart differenziert und vom Nettovolumen abhängig sind.


Abhängigkeit der empfohlenen Nachhallzeiten vom Raumvolumen für die Nutzungsarten Unterricht, Sprache und Musik nach der aktuellen DIN 18041, sowie die nicht differenzierte Empfehlung der alten DIN von 1968.

Aus der Hörer-Perspektive geht es bei Kommunikationsräumen in erster Linie um eine sehr gute Sprach-Verständlichkeit, aber auch um einen natürlichen und angenehmen Klang der Sprache. Aus der Sprecher-Perspektive ist es notwendig eine 'Rückmeldung' der eigenen Sprache aus dem Raum zu erhalten, um eine dem Raum angemessene Sprech-Lautstärke wählen zu können. Mit verringertem Nachhall steigt in der Regel die Sprach-Verständlichkeit, die 'Rückmeldung' für Sprecher wird geringer. Die empfohlenen Nachhallzeiten stellen Kompromisse dar, die den verschiedenen, teilweise gegenläufigen Anforderungen gerecht werden sollen.

Zu einer guten Sprach-Verständlichkeit gehört auch eine genügende Lautstärke an allen Hör­orten. Dies läßt sich planerisch optimieren, indem man die absorbierenden und die reflektierenden Flächen in günstiger Weise im Raum verteilt. Ein wichtiger Reflektor in Kommunikations­räumen ist der mittlere Bereich der Decke, denn dort schräg von unten auftreffender Schall wird in vom Sprechort entfernte Bereiche des Raums reflektiert und erhöht dort die Lautstärke. Dies verträgt sich sehr gut mit der Anforderung, thermisch genutzte Decken unverkleidet zu lassen. In einer Simulationsstudie [Hennings 2002] wurde am Beispiel eines etwa 130 m² großen Konfe­renz­raums gezeigt, daß Raumvarianten mit schallharter Betondecke in der Sprach­über­tragungs­qualität einer Vergleichsvariante mit herkömmlicher 'Akustikdecke' deutlich überlegen sind. Mit schallharter Decke ist auch über 10 m Entfernung eine Kommunikation ohne Verstärker­anlage gut möglich.

In Vortragsräumen kann auch eine reflektierende Ausführung der Seitenwände und der Wand hinter der Sprecher-Position vorteilhaft sein. Die Rückwand soll dagegen absorbierend ausgeführt sein. Beim Einplanen 'nützlicher Reflexionen' zur Lautstärke-Steigerung muß allerdings beachtet werden, daß die Laufzeit-Differenz zwischen direkten und reflektierten Schallanteilen unter etwa 50 ms bleibt, denn anderenfalls wird die Klarheit der Sprache beeinträchtigt. Geometrisch bedeutet dies, daß die Wegdifferenzen zwischen 'direkt' und 'reflektiert' unter 17 m bleiben sollen. Diese Grenze spielt nur in großen Räumen eine Rolle, denn bei kleinen Räumen kommen solche Wegdifferenzen nicht vor.

3.3 Schallabsorber dimensionieren und anordnen

Mindestfläche für Schallabsorber abschätzen

Wenn die gewünschte Nachhallzeit für einen Raum bestimmt ist, kann als nächstes die die ungefähr erforderliche 'Menge' an Schallabsorber abgeschätz werden. Das geeigente Maß hierfür ist die 'äquivalente Schallabsorptionsfläche', die angibt, welche Fläche ein Schall­absorber für den Raum haben müßte, wenn er für alle Frequenzen 100% Absorptionsgrad hätte, den Schall also vollständig schluckt. Solche Absorber sind nur mit hohem Aufwand näherungsweise herstellbar, und kommen daher für 'normale' Räume nicht in Frage. Dennoch ist es sinnvoll die benötigte äquivalente Schallabsorptionsfläche zu bestimmen, denn sie ist die Untergrenze der für Schallabsorber erforderlichen Fläche.

In unserem Seminarraum mit 210 m³ Volumen empfiehlt DIN 18041 für die Nutzungsart 'Unterricht' eine Nachhallzeit von 0.57 Sekunden. Wenn man nun die Sabine'sche Formel nach A auflöst:

A = 0.163 V / T = 0.163 * 210 / 0.57 [m²]

erhält man eine äquivalente Schallabsorptionsfläche A = 60 m². Das sind etwa 87% der Grundfläche des Raums.

Für Schallabsorber verfügbare Flächen identifizieren

Als nächstes betrachten wir die Innenoberflächen des Raums und stellen fest, welche Flächenanteile akustisch genutzt werden können. Die nachfolgende Tabelle zeigt das Ergebnis.

Oberfläche ges. Fläche nutzbar Bemerkungen / Einschränkungen
Boden 70.0 m² 70.0 m² Höhen-Absorber, nur bei Teppichboden
Decke 70.0 m² 0.0 m² wegen thermischer Funktion nicht nutzen
Fensterwand 30.0 m² 8.0 m² Fensterbrüstung nutzbar
Flurwand 30.0 m² 20.0 m² unter- und oberhalb Lichtband, ohne Tür
Stirnwand vorne 21.0 m² 21.0 m² dient teilweise als Projektionsfläche
Stirnwand hinten 21.0 m² 21.0 m² soll auf jeden Fall absorbieren

Wegen der thermischen Nutzung steht die Decke in diesem Gebäude nicht für 'Akustik' zur Verfügung. An den Wänden können 70 m² für Absorber genutzt werden (daß dies mit der Grundfläche übereinstimmt ist rein zufällig). An der vorderen Stirnwand besteht die Einschränkung, daß mindestens 6 m² als Projektionsfläche nutzbar sein müssen. Falls der Raum mit Teppichboden ausgelegt wird, kommen am Boden weitere 70 m² hinzu, die fast nur bei hohen Frequenzen absorbierend wirken. Die Rückwand soll auf jeden Fall schallabsorbierend ausgeführt werden, da der Raum auch für Vorträge genutzt werden soll und in diesem Fall eine Reflexion von der Rückwand unerwünscht ist.

Da es bei thermisch genutzten Decken häufiger vorkommet, daß das Flächenangebot für die akustische Bedämpfung knapp ist, betrachten wir im weiteren den planerisch anspruchsvolleren Fall ohne Teppichboden. Mit 70 m² ist die verfügbare Fläche nur wenig größer ist, als die erforderlichen 60 m² äquivalente Schallabsorptionsfläche. Deshalb kann die Aufgabe der guten raumakustischen Gestaltung nur mit hoch absorbierenden und im Frequenzspektrum breitbandig wirksamen Absorbern bewerkstelligt werden.

Falls die verfügbare Fläche kleiner als die erforderliche äquivalente Schallabsorptionsfläche ist, kann die vorgegebene Nachhallzeit nur mit zusätzlichen Absorbern im Raum wie absorbierenden Möbel oder (vielen) Personen hergestellt werden. In Gebäuden mit hohem Verglasungs-Anteil von Außen- und Innenwänden kommt es immer wieder vor, daß die Absorber im Raum nicht ausreichen, was einen unzureichenden akustischen Komfort zur Folge hat. Planerisch verbessern läßt sich diese Situation in erster Linie durch sparsameren Umgang mit Verglasungen.

Eigenschaften des leeren und akustisch unbehandelten Raums

Damit wir besser einschätzen können, was wir mit der raumakustischen Planung bewirken können, gehen wir von den Eigenschaften des Raums ohne akustische Maßnahmen aus. In der Grafik ist die berechnete Nachhallzeit im Vergleich zu den DIN-Anforderungen für 'Unterricht' und 'Sprache' dargestellt. Die Nachhallzeiten liegen im Bereich 3 bis 4 Sekunden bei tiefen und etwa 2 Sekunden bei hohen Frequenzen. Damit ist der Raum für Sprache und Unterricht ungeeignet.

Einfluß der Menschen im akustisch unbehandelten Raum

Die Grafik zeigt auch, daß in dem akustisch unbehandelten Raum die Anwsenheit von Menschen eine deutlcihe Wirkung hat. Bei 10 Personen im Raum sinken die Nachhallzeiten um rund eine halbe Sekunden, bei 45 Personen im Raum um mehr als eine, bei mittleren Frequenzen um nahezu zwei Sekunden gegenüber dem leeren Raum. Dennoch sind die Nachhallzeiten mit 10 Personen im gesamten Spektralbereich, und auch mit 45 Personen bei tiefen und mittleren Frequenzen wesentlich zu hoch. Die Menschen reichen als alleinige Schallabsorber bei weitem nicht aus.

Auralisation und grafische Darstellung des akustisch unbehandelten Raums

In der nachfolgenden Grafik ist der Seminarraum dreifach nebeneinander dargestellt, in drei unterschiedlichen Nutzungsvarianten. Links zum Vergleich der leere Raum, in der Mitte von einer Seminargruppe (10 Personen) genutzt und rechts in voller Besetzung mit 45 Personen bei einem Vortrag. Die roten Kreise markieren Hörpositionen, für die Hörproben hinterlegt sind.

Anm.: Leider funktioniert die Hörproben-Wiedergabe nicht in allen Browsern korrekt.
Empfehlung: Mozilla Firefox oder Seamonkey (www.mozilla.org); Java muß installiert sein.

Die Wirkung von Breitbandabsorbern

Der anfänglichen Erkenntnis folgend, daß die verfügbaren Flächen knapp sind und daher nur hochwirksame Absorber zum Ziel führen können, belegen wir im nächsten Schritt an der Wand zum Flur und an der Rückwand insgesamt knapp 40 m² an verfügbarer Fläche mit einem sehr guten Breitbandabsorber, der von 250 Hz bis 4 kHz gleichmäßig etwa 90% und bei 125 Hz noch 60% absorbiert.

Die Wirkung für den mit 10 und mit 45 Personen besetzten Raum zeigt die folgende Grafik (Achtung! Die Skala ist gegenüber der vorherigen Grafik geändert). Die Werte für den unbesetzten Raum unterscheiden sich bei dieser Variante nur noch unwesentlich vom Raum mit 10 Personen und sind deshalb nicht eingezeichnet.

Auralisation und grafische Darstellung des Raums mit Breitbandabsorbern

Die Grafik zeigt den 'dreifachen' Seminarraum mit Breitbandabsorbern wie oben beschrieben ausgestattet (Absorber dunkelbraun dargestellt). Geometrie, Nutzungsarten und Hörpositionen sind die gleichen wie beim unbehandelten Raum, so daß ein direkter Vergleich möglich ist.

Anm.: Leider funktioniert die Hörproben-Wiedergabe nicht in allen Browsern korrekt.
Empfehlung: Mozilla Firefox oder Seamonkey (www.mozilla.org); Java muß installiert sein.

Zusätzliche Tiefen-Absorber

Um die Bedämpfung auch für tiefe Frequenzen zu optimieren setzen wir zusätzlich Plattenabsorber mit einem Absorptions-Maximum von 70% im 125 Hz-Oktavband ein. Da weiß eingfärbte Plattenabsorber als Projektionsfläche geeignet sind, belegen wir die gesamte vordere Stirnwand mit diesen Absorbern. So sind auch Projektionen mit zwei Projektoren oder im Breitformat möglich.

Wie die nachfolgende Grafik zeigt, ist Frequenzverlauf der Nachhallzeit sowohl für eine Besetzung mit 10 Personen als auch mit 45 Personen sehr gleichmäßig. Der Toleranzbereich der DIN-Empfehlung 'Unterricht' von +/-20% wird nur geringfügig bei einzelnen Frequenzen verlassen. Insgesamt kann diese Auslegung als nahezu ideal sowohl für wenige als auch viele Personen im Raum gelten.

Auralisation und grafische Darstellung des Raums mit zusätzlichen Tiefenabsorbern

Die zusätzlichen Tiefenabsorber an den vorderen Stirnwänden der Seminarräume sind in dieser Grafik hell-blaugrün dargestellt. Alles Weitere ist analog zu den Varianten oben.

Anm.: Leider funktioniert die Hörproben-Wiedergabe nicht in allen Browsern korrekt.
Empfehlung: Mozilla Firefox oder Seamonkey (www.mozilla.org); Java muß installiert sein.

Alternativen der Absorber-Anordnung

In den dargestellten Beispiel-Varianten ist absichtlich eine besonders einfache Anordnung der Schallabsorber gewählt, so daß die Beispiele übersichtlich bleiben. Selbstverständlich können Schallabsorber auch anders an den Oberflächen angeordnet werden. Beispielsweise können Wände unterteilt und Teilflächen mit verschiedenen Absorbern belegt werden. Es gilt dabei Folgendes zu beachten:

- Das Wichtigste: im gesamten Spektralbereich - bei Sprache den Oktavändern von 125Hz bis 4kHz - muß die äquivalente Absorberfläche genügen um den Raum der Nutzung entsprechend zu bedämpfen. Hier ist das die Anforderung einer Nachhallzeit von 0.57 Sekunden (+/-20%) für die Nutzungsart 'Unterricht'.

- Da es hier um Gebäude mit thermisch genutzten Decken geht, sollen die Decken so weit es irgend möglich ist frei von Schallabsorbern gehalten werden. Bei raumweiter Kommunikation hat eine schallharte Decke einen zusätzlichen Nutzen, denn sie unterstützt die Sprecher mit einer nützlichen Reflexion, die an entfernteren Hörpositionen die Hör-Lautstärke steigert.

- In Räumen, die für Vorträge oder andere frontale Darbietungen genutzt werden, soll die Rückwand möglichst breitbandig absorbierend ausgeführt werden, denn die Reflexion an der Rückwand kann störend wirken, insbesondere bei Räumen ab etwa 10m Länge als Echo.

- Bei planparallel gegenüberliegenden Wänden mit wenig Struktur oder davorstehenden Möbeln ist es nützlich, wenn wenigstens eine der beiden Wände mit Absorbern belegt ist, denn anderenfalls besteht ein Risiko, daß 'Flatterechos' entstehen.

Kantenabsorber als flächensparende Tiefen-Absorber

Da in manchen Räumen die verfügbaren Flächen noch knapper sind als in unserem Beispielraum, ist eine flächensparende Alternative .......

3.4 Bewertung und Qualitätskontrolle

Abschließend gilt es zu überprüfen, ob die Planungsergebnisse den Anfordeungen und Qualitätskriterien entsprechen. Dies geschieht in der Regen anhand der Nachhallzeiten und einiger weiterer Kriterien.

Bei den einfacheren Räumen für Kommunikation, Vorträge und andere Darbietungen, um die es hier in erster Linie geht, soll die Qualität ebenfalls mit einigen Kriterien bewertet werden:

- Kriterien zur Raumgeometrie
Beim Neubau eines Gebäudes oder wenn in einem Bestandsgebäude die Raumaufteilung geändert wird, gilt es auch den Einfluß der Geometrie auf die Raumakustik zu beachten. Eine angemessene Raumgröße und günstige Proportionen sind nicht nur akustisch wichtig.

Es kommt hinzu, daß sobald zwei oder gar alle drei Raumabmessungen quaderförmiger Räume gleich sind oder im Verhältnis kleiner ganzer Zahlen, wie 2:3 oder 3:5, zueinander stehen (oder nahe daran), überlagern sich mehrere Raumresonanzen und verstärken sich gegenseitig.

Große raumakustische Vorsicht ist geboten bei Räumen mit großen nach innen gekrümmten Flächen, wie dies bei Zylindern oder Kuppeln der Fall ist. In solchen Fällen können ausgeprägte Fokussierungen und bei größeren Räumen auch deutliche Echos auftreten, die einen Raum für Kommunikation, Sprach- und Musik-Darbietungen unbrauchbar machen können.

- Nachhallzeit und andere raumakustische Qualitätsmaße
In den meisten Fällen wird die raumakustische Qualität primär mit den Nachhallzeiten bewertet, häufig auch ausschließlich. Bei geringen Anforderungen reicht das in der Regel auch aus; und es hat den Vorteil, daß sich Nachhallzeiten sowohl recht leicht mit Näherungsformeln (Sabine) vorherberechnen lassen, als auch ohne große Aufwand meßbar sind.

Mit Maßen für die Deutlichkeit oder Klarheit kann die Qualität bestimmter Übertragungswege bewertet werden, wie die herkömmlichen C50, D50, C80. Seit Messungen in der Regel PC-gestützt sind, können diese Maße weitgehend von der universelleren Schwerpunktzeit Ts abgelöst werden.

Eine andere Klasse von Maßen, wie STI, RASTI, ALCONS, beschreibt die Qualität der Übertragung mit einer einzigen Zahl, was sich für eine schnelle Einschätzung eignet, aber kaum Information über Gründe einer mehr oder weniger guten Qualität enthält.

- Anordnung absorbierender und reflektierender Flächen
Mit reflektierenden Flächen, die richtig angeordnet sind, kann der Schall in vorteilhafter Weise gelenkt werden. Mit einer sinnvollen Abordnung der absorbierenden Flächen lassen sich unerwünschte Reflexionen reduzieren.

So ist beispielsweise ein Vortrags- oder Hörsaal, bei dem eine reflektierende Decke die Übertragung vom Sprecher zum Hörer unterstützt und eine absorbierende Rückwand Reflexionen von hinten weitgehend verhindert, wesentlich besser akustisch gestaltet, als ein gleichgroßer Raum mit gleicher Nachhallzeit, bei dem die Decke absorbiert und die Rückwand reflektiert.

Darüber hinaus ist es vorteilhaft, Tiefenabsorber direkt entlang der Raumkanten anzuordnen, da dies die Wirksamkeit deutlich steigern kann. Besonders unter diesem Aspekt ausgelegt sind die bereits beschriebenen Kantenabsorber.

Nach Fertigstellung von Räumen, deren Nutzung raumakustische Qualität erfordert, sind repräsentative Kontrollmessungen zumindestens der Nachhallzeiten im relevanten Spektralbereich sinnvoll (bei Sprache in den Oktaven von 125 Hz bis 4 kHz), um Ausführungsfehler oder Abweichungen von Planwerten zu erkennen.

Akustisch sehr anspruchsvollen Räume wie Konzertsäle werden mit einer sehr umfangreichen Qualitätssicherung geplant und ausgeführt, wozu neben der raumakustischen Simulation auch Messungen an skalierten Modellen und am ausgeführten Bau gehören.

3.5 Aufgaben zur Planung






zurück

(c) D. Hennings (2001-2010)

nach oben

www.eclim.de

weiter

Stand 2010-02-04