Raumakustik: Halligkeit, Nachhallzeit und Schallabsorption

Begriffe und akustische Grundlagen

Im Unterschied zur Schallausbreitung im Freien bildet sich in Räumen durch Reflexion des Direktschalls an den Raumbegrenzungen und Beugung an Hindernissen ein sogenanntes diffuses Schallfeld. Reflektierte Schallanteile überlagern sich mit dem Direktschall, sodass der Schall aus allen Richtungen mit annähernd gleicher Intensität einwirkt (Abb. 1). Gelingt es, die Reflexionen an den Raumbegrenzungen zu reduzieren, wird es im Raum leiser. Der Direktschallanteil wird durch Änderungen des Reflexionsanteils nicht beeinflusst und bleibt unverändert.

Abklingen des Schalldruckpegels in einem Raum und Nachhallzeit
Klassenraum in einem Gymnasium mit Schallabsorbern

Das diffuse Schallfeld beeinflusst unmittelbar die Sprachverständlichkeit: In einem „halligen, lauten” Raum mit überwiegend schallreflektierenden Oberflächen und längerer Nachhallzeit nimmt die Sprachverständlichkeit ab. Dies führt dazu, dass unbewusst „lauter” gesprochen wird und die Sprachverständlichkeit durch erhöhten Störschall noch weiter reduziert wird. Dieser Zusammenhang wird „Lombard-Effekt” genannt und ist darauf zurückzuführen, dass alle Sprecher ihre Sprachleistung intuitiv auf das Hören ihrer eigenen Stimme einstellen.

Nachhallzeit
Die maßgebliche raumakustische Planungsgröße ist die Nachhallzeit T. Diese wird in Sekunden gemessen. Sie ist definiert als Zeit für das Abklingen eines Schalldruckpegels in einem Raum um 60 dB nach Ausschalten einer genormten Schallquelle (Abb. 2).

Die Nachhallzeit geht auf Forschungen des amerikanischen Physikers Wallace Clement Sabine (1868-1919) zurück. Für Planungszwecke ergibt sich der Zusammenhang zwischen Nachhallzeit und Raumgeometrie durch die nach Sabine benannte Formel:

Hierbei ist V das Raumvolumen in m³ und A die äquivalente Schallabsorptionsfläche in m². Die äquivalente Schallabsorptionsfläche ist eine angenommene Raumoberfläche, die den Schall rechnerisch vollständig absorbiert. Sie wird durch Aufsummieren der Schallabsorptionsanteile aller vorhandenen Raumoberflächen ermittelt. Der Faktor 0,163 (Einheit: s/m) wurde durch Sabine in Versuchen bestimmt.

Schallabsorption
Räume mit hoher Nachhallzeit werden subjektiv als laut empfunden und führen zur Beeinträchtigung der Sprachkommunikation. Die Nachhallzeit kann durch geeignete Schallabsorber reduziert werden (Abb. 3). In der Raumakustik werden zwei grundsätzliche Absorptionsarten unterschieden:

  • Poröse Absorber wie Teppiche, Dämmstoffe, Holzfaserplatten oder Vorhänge weisen eine offenporige oder strukturierte Oberfläche auf. Bei ausreichender Dicke (Anhaltswert: Dicke $ ¼ der Schallwellenlänge) absorbieren sie insbesondere Schall mittlerer und höherer Frequenzen.
  • Resonanzabsorber wie Gipskartonplatten oder auch Spiegel vor einer Wand werden als schwingungsfähige Systeme durch den Schall angeregt. Hierdurch wird insbesondere Schall tieferer Frequenzen absorbiert. Alternativ lässt sich auch die Luftmasse in offenen Schlitzen oder Löchern geeigneter Systeme anregen, wodurch der auftreffende Schall absorbiert wird (Helmholtz-Resonatoren bzw. „mikroperforierte” Absorber). 

Die Wirksamkeit eines Schallabsorbers wird durch den Schallabsorptionsgrad α beschrieben. Der Schallabsorptionsgrad wurde früher „Schallschluckgrad” genannt. Er gibt als einheitenloser Faktor das Verhältnis zwischen der von einer Oberfläche absorbierten Schallenergie zur auftreffenden Schallenergie an:

Ein Schallabsorptionsgrad von 1,00 bedeutet vollständige Schallabsorption, ein Schallabsorptionsgrad von 0,00 steht für vollständige Reflexion. Je höher der Schallabsorptionsgrad, desto besser die absorbierende Wirkung des Materials. Werte für den Schallabsorptionsgrad häufig verwendeter Oberflächen können den Normen DIN 18041: Hörsamkeit in kleinen bis mittelgroßen Räumen und DIN EN 12354-6: Bauakustik – Berechnung der akustischen Eigenschaften von Gebäuden aus den Bauteileigenschaften, Teil 6: Schallabsorption in Räumen entnommen werden.

Eine Zusammenstellung der Schallabsorptionsgrade ausgewählter Materialien findet sich in der unten stehenden Tabelle für die Oktavfrequenzen von 125 bis 4000 Hz. Die Werte im oberen Teil A der Tabelle verdeutlichen die Frequenzabhängigkeit der Schallabsorption und die unterschiedliche raumakustische Wirksamkeit unterschiedlicher Oberflächenmaterialien.

Äquivalente Schallabsorptionsfläche
Die äquivalente Schallabsorptionsfläche A von Oberflächen wie Wand, Fußboden oder Decke ergibt sich aus dem Produkt der eingebauten Oberfläche S in m² und dem Schallabsorptionsgrad α der Fläche. Für Personen, Möblierungen und andere Raumausstattungen wird die äquivalente Schallabsorptionsfläche direkt als Zahlenwert in m² angegeben (Teil B der unten stehenden Tabelle). Für näherungsweise Berechnungen einfacher Räume wird die nachfolgende Formel angewendet. Die erste Teilsumme i erfasst die äquivalente Schallabsorptionsfläche der vorhandenen Raumoberflächen, die zweite Teilsumme j die äquivalente Schallabsorptionsfläche AObj vorhandener Personen und Gegenstände.

Beispiele für den mittleren Schallabsorptionsgrad ausgewählter Oberflächen sowie für Objekte und Personen aus den Normen DIN 18041 und DIN EN 12354-6. Beachten: Im oberen Teil A der Tabelle wird der Schallabsorptionsgrad α angegeben, im unteren Teil B der Tabelle die äquivalente Absorptionsfläche Aobj in der Einheit m².

Autor: Prof. Dr.-Ing. Birger Gigla, Lübeck

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