Akustik Skript, Raumakustik, 11.1.10

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Akustik und elektroakustische Medien( Erich Pintar, MSc)

Raumakustik

Akustik und elektroakustische Medien

Anton Bruckner Privatuniversitt

Inhalt:1. Allgemeines 2. Geometrische Raumakustik 2.1. Reflexion von Schallwellen 2.2. Interferenz in der Raumakustik 2.3. Schallbeugung 2.4. Diffusitt 2.5. Echo 2.6. Schallbrechung 3. Statistische Raumakustik 3.1. Nachhall 3.2. Zeitlicher Aufbau des Schallfeldes 3.3. Hallradius 3.4. Schallabsorption 3.5. Absorbertypen 3.6. Energie-Zeit-Mae zur Abschtzung von Deutlichkeit und Durchsichtigkeit 3.7. Akustische Raumgestaltung 3.8. Akustische Planungskriterien 3.9. Normen 3.10. Anhang 4. Literaturhinweise

Erstellt: 12.2009

Erich Pintar, MSc

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Raumakustik1. Allgemeines:Die Raumakustik ist ein Teilbereich der Akustik, der sich mit der Auswirkung der baulichen Gegebenheiten eines Raumes auf die darin stattfindenden Schallereignisse beschftigt. Ein wesentlicher Schwerpunkt der Raumakustik liegt in der Optimierung der Hrsamkeit in Konzertslen, Theatern, Versammlungsslen, Schulzimmern, Fernseh- und Rundfunkstudios, Kirchen und anderen Rumen, in denen akustische Darbietungen den Zuhrern zugnglich gemacht werden. Weiters mssen die Eigenschaften des menschlichen Gehrs, die Besonderheiten der Sprachverstndlichkeit sowie subjektive Hrgewohnheiten und auch die Musiksthetik mit bercksichtigt werden, weil eine Wechselwirkung zwischen diesen Faktoren und dem Raum besteht.

Einflsse auf die Schallausbreitung im Raum: Reflexion der Schallwelle Beugung der Schallwelle (Diffraktion) Brechung der Schallwelle (Refraktion) Streuung der Schallwelle (Diffusitt) Absorption der Schallwelle (Dissipation)

Erstellt: 12.2009

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Die Kriterien und Manahmen des raumakustischen Planungsprozesses

Erstellt: 12.2009

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2. Geometrische Raumakustik:Die geometrische Raumakustik verfolgt und bewertet den Schallverlauf im Raum vom Schallerzeuger bis zum Schallempfnger ausschlielich nur nach raumgeometrischen Gesichtspunkten: Reflexion von Schallwellen Interferenz in der Raumakustik Schallbeugung Diffusitt Echo Schallbrechung

2.1. Reflexion:Reflexionen an ebene Flchen: Bei vereinfachter Annahme, dass beim Schallrckwurf (Reflexion) kein Energieverlust auftritt, entsprechen akustische Reflexionen jenen der optischen Reflexionen (Einfallswinkel = Ausfallswinkel).

Erstellt: 12.2009

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Reflexionen an Krmmungen: Gekrmmte Reflexionsflchen fhren zu unregelmiger Schallverteilung. konkav parabolisch konvex

ungnstige Schallkonzentration

gnstige Schallzerstreuung

sehr gute Schallverteilung

Reflexion an einer Krmmung in Abhngigkeit zur Entfernung:

a > r/ 2

a < r/ 2

a = r/ 2

a>r

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Beispiele:

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2.2. Interferenz, Raummoden:Interferenzen entstehen durch berlagerung (nach Reflexion an parallelen Wnden) von direktem und indirektem Schall mit gleicher Frequenz und Amplitude. Stehende Wellen (Ausprgung von Wellenknoten und Wellenmaxima) entstehen dann, wenn der Wandabstand entweder eine halbe Wellenlnge betrgt oder einem Vielfachen der Wellenlnge entspricht. Das Klangbild und die Lautstrke knnen dadurch unausgewogen und - abhngig vom Hrort - unterschiedlich wahrgenommen werden. Als Raumeigenmoden bezeichnet man dreidimensionale stehende Wellen im Raum, die bei bestimmten Frequenzen (meist Resonanzfrequenzen), die direkt mit der Raumgeometrie verknpft sind, auftreten. Sie entstehen durch berlagerungen von Direktschall und reflektiertem Schall und sind im Bassbereich bis 300 Hz besonders stark ausgeprgt. Zu jeder Eigenmode gehrt eine typische rumliche Schalldruckverteilung. Raummoden uern sich in einer teilweise stark ausgeprgten Orts- und Erstellt: 12.2009 Erich Pintar, MSc Seite 8 von 53

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Frequenzabhngigkeit des Schalldruckes. Bewegt man sich in einem Raum, in dem eine Eigenmode angeregt wird, nimmt man darin stark schwankende Schallintensitten wahr.

Dargestellt ist das Betragsquadrat des Schalldrucks an den Wnden des Raumes. Dunkle Bereiche entsprechen hohen Schalldruck bzw. hohe Lautstrke.

Raumeigenmode (1 2 1)

2.3. Schallbeugung (Diffraktion):Beugung tritt dann auf, wenn die Wellenlnge des Hrschalls (2cm 20 m) gro gegenber der Ausdehnung des Hindernisses (Sule, Mauervorsprung oder eine ffnung) ist. Tieffrequentierte Schallwellen umgehen das Hindernis, whrend hochfrequentierte Schwingungen abgeschirmt und am Hindernis reflektiert werden. Es entstehen dadurch Schallschatten. Die Schallbeugung ist auch frequenzabhngig.

Schallbeugung an unterschiedlich groen ffnungen

Erstellt: 12.2009

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Beugung in einen akustischen Schatten hinter einem Hgel Erstellt: 12.2009 Erich Pintar, MSc Seite 10 von 53

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Beugung in einen akustischen Schatten bei Aufwrtsbrechung

2.4. Diffusitt (Streuung):Die Diffusitt oder Diffusion beschreibt allgemein den Grad der Verteilung von reflektiertem Schall einer Quelle im Raum und ber die Zeit durch Krper in mglichst viele Richtungen (Streuung). Sie wird gebildet durch das Verhltnis zwischen jener Schallenegie, die innerhalb von 0,005 s beim Hrer eintrifft und der gesamten eintreffenden Schallenergie. Das Ziel ist die mglichst gleichmige Verteilung der Schallenergie auf alle Zuhrerpltze im Saal. Schon in den ersten Konzertslen der Geschichte erfllten reiche Verzierungen, Rosetten und Figuren an Balkonen und Wnden die Aufgabe von Diffusoren. Durch moderne, schlichtere Bauweise wurde die Konstruktion von speziell konstruierten Diffusoren ntig. Nicht nur in groen Slen, sondern auch in kleinen Rumen, wie etwa Tonstudios oder bungsrumen fr Musiker ist der Einsatz von Diffusoren von groer Bedeutung. Die Struktur von Diffusoren wird so ausgelegt, dass ein mglichst groer Teil der reflektierten Schallenergie aus der Richtung der geometrischen Reflexion herausfllt und sich auf andere Richtungen verteilt. Auerdem wird darauf geachtet, einen groen Winkelbereich gleichmig abzudecken. Das diffuse Schallfeld baut sich umso rascher auf, je mehr es reflektiert, abgelenkt und zerstreut wird.

Erstellt: 12.2009

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Diffusoroberflchen:

Moderne Diffusoren:

Maximalfolgendiffusor Erstellt: 12.2009

QRD- oder Schrder Diffusor Erich Pintar, MSc Seite 12 von 53

Akustik und elektroakustische Medien Streuung von Schallwellen im freien Schallfeld:

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Wind kann zu zuflligen Druck- und Dichteschwankungen in der Luft fhren. Ist die Gre der turbulenten Wirbel etwa so gro wie die Wellenlnge der Schallwellen, so wird ein Teil der Schallenergie gestreut und von der eigentlichen Ausbreitungsrichtung abgelenkt. Auch Hindernisse in der Luft, deren Ausdehnung kleiner ist als die jeweilige Wellenlnge, fhren zur Streuung von Schallwellen, z.B. Zweige und Bltter im Wald.

2.5. Echo:Ein Echo entsteht, wenn Reflexionen einer Schallwelle so stark verzgert sind, dass man diesen Schallanteil als separates Hrereignis wahrnimmt. Die Hrwahrnehmung kann den Direktschall mit dem indirekten Anteil nicht mehr vermischen. Dies ist ein psychoakustisches Phnomen. Die Verzgerungen, die ein reflektierter Schall aufweisen muss, um separat wahrgenommen zu werden, bezeichnet man als Echoschwelle oder Echowahrnehmungsschwelle. Die Echoschwelle ist stark abhngig von der Charakteristik des Schalls und dem Pegel der Reflexionen. Die zeitliche Grenze betrgt 62,5 ms ( /16 s = 21,5 m bei einer Schallgeschwindigkeit von 344 m/s). Unterhalb der Echoschwelle werden die Reflexionen als Nachhall wahrgenommen.1

Nachhall < 62,5 ms < Echo

Echos sind insbesondere dann leicht wahrnehmbar, wenn nur eine oder nur wenige reflektierende Flchen existieren (Hausfassaden, Felswnde usw.) bei einer Vielzahl von Eine Millisekunde Zeitverzgerung entspricht 34 Zentimeter Wegdifferenz.

Erstellt: 12.2009

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Flatterecho: Ein Flatterecho (Mehrfachreflexion) ein hnliches Phnomen wie das normale Echo tritt aber vorwiegend im hheren Frequenzbereich in Erscheinung. Begnstigt wird dessen Wahrnehmung, wenn die andere Raumrichtung (quer zur Schallausbreitung) zum Beispiel durch starke Absorbierung - nur wenig Schall zurckwirft. Vermeidung von Flatterechos: Erhhung der Diffusitt Geeignete Absorption Auflsung der Parallelitten in der Raumgeometrie

Flatterecho (Entstehung und Vermeidung)

2.6. Schallbrechung (Refraktion):Die Schallbrechung, auch Refraktion genannt, ist ein grundlegendes Phnomen bei der gestrten Ausbreitung von Schallwellen. Trifft eine Schallwelle unter einem gegebenen Einfallswinkel schrg auf eine Grenzflche auf, so wird in der Regel - und zwar in Abhngigkeit von den physikalischen Eigenschaften des Schallvorgangs und den molekularen Kenngren des bertragungsmediums - ein gewisser Anteil in das schallzufhrende Medium zurckgeworfen (vergleiche Schallreflexion), whrend ein anderer Anteil in das aufnehmende Medium eindringt und sich dort weiter ausbreitet. Erstellt: 12.2009 Erich Pintar, MSc Seite 14 von 53

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Dabei erfhrt der Schall an der Grenzflche eine Richtungsnderung, die man als Schallbrechung bezeichnet. Die auftretende Richtungsnderung hngt vom Verhltnis der Schallgeschwindigkeiten des zufhrenden c1 und des aufnehmenden c2 bertragungsmediums ab. In Anlehnung an die optische Brechzahl bezeichnet man diesen Quotienten als akustische Brechzahl oder Schallbrechzahl n: Brechzahl:

Temperatureinfluss und Schallbrechung:

Zusammenfassung: Mit Hilfe der geometrischen Raumakustik knnen Rume bereits vor ihrer Errichtung bis zu einem bestimmen Grad auf ihre akustischen Eigenschaften hin untersucht werden. Dadurch knnen vor allem akustische Defizite und Schwchen (bedingt durch ihre Architektur) schon im Vorfeld erkannt und rechtzeitig auf diese aufmerksam gemacht werden. Die Untersuchungsparameter beschrnken sich auf: Reflexionseigenschaften, Interferenz, Schallbeugung, Schallbrechung, sowie Echoerscheinungen und Diffusitt. Wesentliche Erkenntnisse betreffend der Raumwahrnehmung knnen jedoch nur ber die statistische Raumakustik erlangt werden, der wichtigste Parameter ist die Nachhallzeit. Erstellt: 12.2009 Erich Pintar, MSc Seite 15 von 53

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3. Statistische Raumakustik:Die statistische Raumakustik geht von der Annahme aus, dass die Schallenergie im Raum nach Gre und Richtung gleichmig (also statistisch) verteilt ist. Vorausgesetzt wird dabei ein ber die Zeit unvernderliches diffuses Schallfeld. Die wichtigsten Kenngren der statistischen Raumakustik sind der Nachhall bzw. die Nachhallzeit.

3.1. Nachhall:Definition: Nachhall = Abklingen des diffusen Schallfeldes. Zum Unterschied vom Echo (siehe Punkt 2.5) tritt beim Nachhall eine Verschmelzung des direkten und indirekten (reflektierten) Schallfeldes auf. Der reflektierte Schallanteil trifft innerhalb von 62,5 ms wieder am Hrort ein. 3.1.1. Nachhallzeit (T oder RT) Die Nachhallzeit T60 ist jene Zeit, die vom Aussetzen einer Schallquelle an verstreicht, bis die Schallenergie des Nachhalls um 60 dB (10-6 = 1 Millionstel) des ursprnglichen Wertes abgesunken ist. Die Nachhallzeit wird zumeist in Terzbndern zwischen 63 Hz und 6300 Hz messtechnisch oder rechnerisch ermittelt. Vergleiche T30: Die Berechnung mit T30 ist dann sinnvoll, wenn aufgrund zu hoher Nebengerusche der Messvorgang schon nach einem Pegelabfall von 30 dB abschliet. Dadurch knnen exaktere Werte erzielt werden.

Die Nachhallzeit ist unter anderem magebend fr die Verstndlichkeit im Raum. Bei zu langer Nachhallzeit werden die Schallereignisse verwischt und somit undeutlich wahrgenommen. Bei zu kurzem Nachhall wirkt ein Raum zu trocken und wird als unbelebt empfunden. Erstellt: 12.2009 Erich Pintar, MSc Seite 16 von 53

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Die Raumakustik im Allgemeinen und die Nachhallsituation im Speziellen lsen eine nicht unwesentliche Wechselwirkung auf Musik- und Sprachdarbietungen aus. Eine gute Hrsamkeit im Raum ist Voraussetzung fr das Wohlbefinden beim Musizieren.

3.1.2. Optimale Nachhallzeit: Eine als optimal empfundene Nachhallzeit hngt von verschiedenen Faktoren ab; in erster Linie von der Art der Darbietung, bei Musik vom Stil und der Besetzung, von der Interpretation des Musikstckes, aber auch ganz erheblich von der Raumgre, sowie der Feinstruktur des Nachhalls (Frequenzgang, Anfangsnachhall) und vom Zeitgeschmack. Da ein Raum ohnehin im Allgemeinen fr mehrere Darbietungsarten genutzt wird, kann es sich bei der optimalen Nachhallzeit nur darum handeln, Richtwerte fr den Nachhall im mittleren Frequenzbereich anzugeben, die mglichst nicht unter- und berschritten werden sollten. Kammermusik: Klassische Musik: Romantische Musik Kompromiss: Probenrume: 1,1 1,5 s 1,5 s 2.1 s 1,7 s 0,5 0,8 s Kino / Sprache: Opernhaus leer: Opernhaus besetzt: Kirchen: Konferenzrume: 0,5 1 s 1,3 1,8 s 1,1 1,5 s 2 13 s ca. 0,5 s

Erstellt: 12.2009

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Frequenzabhngigkeit des Nachhalls bekannter, unbesetzter Konzertsle: 1. Musikverein Wien 2. Alte (zerstrte) Philharmonie Berlin 3. Symphony Hall Boston 4. Oetkerhalle Bielefeld 5. Herkulessaal Mnchen 6. Musikhalle Hamburg 7. Royal Festival Hall London

Erstellt: 12.2009

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Akustik und elektroakustische Medien 3.1.3. Nachhallzeitberechnung: Berechnung nach Sabine:

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0,163 . V Nachhallzeit T60 = A ges.

A = F. A ges = A

0,163 = Sabinsche Zahl (Konstante) V = Raumvolumen (m) A = Absorption A ges = quivalente Absorption F = Flche (m) = Absorptionskoeffizient Vergleiche Nachhallzeitberechnung nach Eyring

3.1.4. Anhallzeit: Die Anhallzeit ist jene Zeitspanne, bis der gesamte Raum nach Erklingen einer Schallquelle gleichmig mit Schallinformation gefllt ist. Der Anhall hngt ab von den Abmessungen des Raumes, den Schallabsorptionsgraden seiner Begrenzungsflchen und der Schallfrequenz.

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3.2. Zeitlicher Aufbau des Schallfeldes:Wird ein Schallimpuls in einem Raum abgestrahlt, so wird dieser von den Begrenzungsflchen und von Gegenstnden in Abhngigkeit vom Material reflektiert, absorbiert, zerstreut, gebndelt oder gebeugt. Dadurch treffen am Hrort nach dem Direktschall zuerst einzelne sogenannte erste Reflexionen ein. Diese frhen Reflexionen sind sehr wichtig fr das Hrerlebnis, weil sie wichtige Richtungsinformationen liefern. Die folgenden Reflexionen verdichten sich sehr rasch und bilden insgesamt den Nachhall, der wiederum etwas verzgert gegenber der ersten Reflexion einsetzt. Nachhall beinhaltet selbst keine Richtungsinformation mehr, sondern ausschlielich Rauminformation. Direktschall 1. Reflexionen Nachhall: liefert Deutlichkeit, Transparenz und Entfernungsinformation beinhalten wichtige Richtungsinformationen beinhaltet Rauminformation

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Eine gute Direktschallversorgung erhht die Deutlichkeit (bei Sprache und bei schnellen Tonfolgen), die Transparenz (Durchsichtigkeit) des Klangbildes und liefert zustzlich einen wichtigen Eindruck ber die Entfernung der Schallquelle. Die Strke und Verzgerung der ersten Reflexionen beeinflusst das Hrereignis in verschiedener Weise. Alle Reflexionen erhhen die Lautstrke des Direktschalls, die Deutlichkeit aber nur dann, wenn sie um weniger als 50 ms verzgert sind. Ein Raum erscheint umso grer, je mehr die erste Reflexion verzgert ist, umso kleiner und enger, je frher sie eintrifft.

3.3. Hallradius:Bei einem statistischen Schallfeld berlagern sich direktes und indirektes Schallfeld. Der Hallradius oder auch Hallabstand beschreibt jene Entfernung von der Schallquelle, bei welcher Energiegleichheit zwischen Direktschall und reflektiertem Schallanteil herrscht. Idealerweise wird dabei eine kugelfrmige Schallausbreitung angenommen.

rH = 0,057 .

V T

0,057 = Konstante rH = Hallradius (m) V = Raumvolumen (m) T = Nachhallzeit (s) Erstellt: 12.2009 Erich Pintar, MSc Seite 21 von 53

Akustik und elektroakustische Medien Beispiel: Raumvolumen: 37,5 m3 Nachhallzeit: 1,925 s Daraus erhalten wir mit der Formel fr den Hallradius:

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Hallradien in Abhngigkeit von Raumvolumen und Nachhallzeit Der Hallradius ist ein akustischer Kennwert und wird meist in der Fachliteratur zusammen mit der Nachhallzeit (T60 bei 500 Hz), dem Raumvolumen, der Anzahl der Sitzpltze und dem Raumvolumen pro Sitzplatz (ca. 6 9 m pro Platz) angegeben.

3.4. Schallabsorption (Dissipation):(bedeutet: aufsaugen, in sich aufnehmen) Bei der Betrachtung der Schallreflexion wurde vereinfacht angenommen, dass der Schallrckwurf verlustfrei erfolgt. Dies ist in der Praxis jedoch nicht der Fall. Ein Teil des Schalls wird nicht reflektiert, gebrochen oder gebeugt, sondern von den Begrenzungsflchen des Raumes absorbiert. Der Grad der Absorptionsfhigkeit hngt ab vom Material der Begrenzungsoberflche, von der Konstruktionsart bestimmter Absorbertypen und systeme sowie von der Frequenz. Erstellt: 12.2009 Erich Pintar, MSc Seite 22 von 53

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A=F

T=

0,163.V Ages.

A=

0,163.V T

Absorptionskoeffizient = 1 ( = 100%) =0(= 0%)

= Verhltnis zwischen absorbierter und gesamter Schallenergie.

totale Absorption keine Absorption totale Reflexion

Der Absorptionskoeffizient

ist dem Akustiker mittels eigener Tabellen, Datenbanken Werte bei

oder sonstiger Materialpublikationen bekannt. Dieser Wert wird in Abhngigkeit von bestimmten aussagekrftigen Frequenzen angegeben. Hufig werden die folgenden Oktavfrequenzen dokumentiert (125, 250, 500, 1000, 2000, 4000 und 6300 Hz). Durch die starke Frequenzabhngigkeit der Absorption (speziell bei porsen, rauen und weichen Materialien) ist auch die Nachhallzeit T60 frequenzabhngig. Glatte und harte Oberflchen sind hingegen nur wenig von der Frequenz abhngig.

Erstellt: 12.2009

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3.5. Absorbertypen:3.5.1. Absorber verschiedener Frequenzen: 1. Hhenabsorber (ab 1 kHz): Der Absorptionsbereich liegt ber 1 kHz. Als Hhenabsorber wirken hauptschlich porse Absorber wie Faserstoffe (Stein-, Glas-, Baum- oder Schafwolle), Textilien (Vorhnge, Teppiche, Polstermbel) und Schaumstoffe. Auch Publikum wirkt als guter Hhen- und Mittenabsorber. Die Wirkungsweise liegt darin, dass die auftreffende Schallenergie in den zahlreichen Poren und Fasern durch Reibung in Wrmeenergie umgewandelt wird. Das Schallschnellemaximum (maximale Absorptionsfhigkeit) liegt bei einem Viertel der Wellenlnge, also bei / 4.

Einfluss der Wellenlnge , der Absorberdicke und des Abstandes Absorber/Wand auf die Absorption.

a b

Absorber direkt auf die Wand gesetzt Absorber auf Lattenrost (2,2 cm) vor der Wand befestigt

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Ein einfacher, jedoch sehr wirksamer Hhenabsorber ist ein frei hngender, dicht gewebter, schwerer Vorhang. Er absorbiert dabei jene Wellenlngen, die krzer als der 4fache Abstand zwischen Wand und Vorhang sind ( / 4). Eine zahlreiche Faltenbildung garantiert einen regelmigen Frequenzgang.8500 d

Untere Grenzfrequenz (Vorhang): d (cm) Abstand zwischen Wand und Vorhangc

fu

Diese Formel ist abgeleitet von: d=

f

34.000 4d

8500 d

4

4.d

2. Mittenabsorber (300 1 kHz): Wird der Wandabstand eines Hhenabsorbers (z.B. durch Lattenrost) oder die Schichtdicke des Absorbers vergrert und eine lchrige, perforierte Abdeckung gewhlt, so entsteht ein Mittenabsorber. Ebenso eignen sich sogenannte Plattenschwinger zur Mittenabsorption (siehe spter).

Absorptionsverlauf eines Mittenabsorbers

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Akustik und elektroakustische Medien 3. Tiefen-, Bassabsorber (70 300 Hz):

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Hufiger Aufbau: Luftdichte Montage von Sperrholzplatten auf einen Lattenrost, der Zwischenraum wird mit schalldmmenden Faserstoffen ausgefllt und somit bedmpft. Je tiefer die Absorptionsfrequenz, desto hufiger kommen sogenannte Resonanzsysteme, wie Platten- oder Folienschwinger und Helmholtz-Resonatoren zum Einsatz. Die Ausfhrung erfolgt ber die Dimensionierung der Resonanzraumes. Die Resonanzfrequenz sinkt mit zunehmendem Flchengewicht (bei Plattenschwingern) oder mit steigendem Wandabstand (Helmhotz-Resonatoren). Bei den Resonanzabsorbern wirkt das sogenannte Masse-Feder-Prinzip. Die Masse kann entweder durch die Abdeckplatte oder durch den Luftpfropfen gebildet werden. Als Feder wirkt immer der Luftpolster im Innenraum des Absorbers.

Absorptionsverlauf eines Tiefenabsorbers (a: mit Resonanz, b: ohne Resonanz)

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3.5.2. Funktionsweise von Absorbern: Reibung durch Luftbewegung in Poren: Durch die Bewegung der schwingenden Luftteilchen in offenporigen Materialien (Faserstoffe, ...) wird Schallenergie durch Reibung entzogen und in Wrmeenergie umgewandelt. Die Absorption ist bei hheren Frequenzen in einem relativ breiten Frequenzbereich wirksam. Reibung durch Resonanz verstrkte Luftbewegung in Helmholtz-Resonatoren: Die Luftbewegung wird im Hals der Hohlraumresonatoren durch Resonanz verstrkt. Dadurch wird die Reibung und damit die Absorption vergrert. Diese Absorber sind in einem relativ schmalen Frequenzband um die Resonanzfrequenz wirksam (hauptschlich als Mitten- aber auch als Tiefenabsorber verwendet). Existierende Raummoden im Tieftonbereich knnen damit gezielt bekmpft werden. Anregung von Platten zum Mitschwingen: Dem Schallfeld wird dadurch Energie entzogen, dass Platten, die verglichen mit Luft ein sehr hohes spezifisches Gewicht (Masse) haben, zum Mitschwingen angeregt werden, in ihrer Bewegung aber durch federnde Unterlagen und innere Reibung gedmpft werden. Die Absorption ist schmalbandig, kann aber durch Kombination verschiedener Elemente breitbandig gemacht werden. Erstellt: 12.2009 Erich Pintar, MSc Seite 27 von 53

Akustik und elektroakustische Medien Verschiedene Absorberaufbauten: berblick:

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Helmholtz-Resonatoren:

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Platten- Membranschwinger:

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Breitbandabsorber: Breitbandabsorber bieten bis zur unteren Grenzfrequenz einen gleichmigen Schallabsorptionsgrad. Durch den speziellen Aufbau und die Materialkombinationen werden die unteren Grenzfrequenzen der Breitbandabsorber bereits bei einer Materialstrke von 21cm erreicht.

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Akustik und elektroakustische Medien Absorptionsgrade:

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Akustik und elektroakustische Medien quivalente Absorptionsflchen:

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3.6. Energie-Zeit-Mae zur Abschtzung von Deutlichkeit und Durchsichtigkeit:

Deutlichkeit Der Schallanteil, der den Zuhrer als erstes erreicht, wird als Direktschall bezeichnet. Dieser wird zeitlich gefolgt von den frhen Schallreflexionen. Der Anteil der Schallwellen, welcher innerhalb der ersten 50 ms beim Zuhrer eintrifft, trgt positiv zur Deutlichkeit bei. Alle spter eintreffenden Reflektionen werden als undeutlich und strend empfunden.

3.6.1. Deutlichkeitsma C50: C50 wurde als Kriterium fr Rume mit Sprachnutzung entwickelt, es ist ein Ma fr die Deutlichkeit einer Sprachdarbietung, es ist ein logarithmisches Ma und wird in dB angegeben. Dieser Wert gibt an, wie gut der Vortragende an einem bestimmten Zuschauerplatz verstanden werden kann. Das Deutlichkeitsma beschreibt das Verhltnis zwischen jener Schallenergie W 0...50ms, die innerhalb von 50 ms am Hrort eintrifft zur restlichen Schallenergie W 50ms. Der Wertebereich fr gute Sprachverstndlichkeit liegt zwischen 3 dB und +2 dB. Je hher das Deutlichkeitsma, desto besser die Sprachverstndlichkeit. W 0...50ms W 50ms

C50 = 10*log

3.6.2. Klarheitsma C80: C80 ist das Verhltnis der im Zeitraum bis 80 ms nach dem Direktschall eintreffenden Schallenergie am Hrerort zur gesamten (nach dem Zeitpunkt 80 ms am Hrerort Erstellt: 12.2009 Erich Pintar, MSc Seite 34 von 53

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eintreffenden) Schallenergie. Das Klarheitsma kennzeichnet die Durchsichtigkeit und Transparenz (Erkennbarkeit) einzelner aufeinander folgender Tne und wird ebenso in dB angegeben. Dieser Wert ist ein objektives Kriterium fr die Bewertung von Rumen fr Musikdarbietungen. Der Wertebereich fr gute Klarheit bei klassischer Musik betrgt 2 bis +2 dB, bei Unterhaltungs-, bzw. Popmusik +4 bis +6 dB. W 0...80ms W 80ms

C80 = 10*log

3.7. Akustische Raumgestaltung:

Ziele der akustischen Raumgestaltung: gute Schallabstrahlung geeignete Verzgerung und Lenkung der 1. Reflexion gnstige Gestaltung der Nachhallzeit; des Frequenzganges und der Diffusitt

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Akustik und elektroakustische Medien Direktschall/1. Reflexionen:

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Bei guter Sichtverbindung zur Schallquelle ist normalerweise auch reichliche Direktschallversorgung gewhrleistet. Die ersten Reflexionen werden durch Reflektoren an den Wnden (freihngend, Seitenfcher, Lamellen) und durch Deckenreflektoren zu den Hrerpltzen geleitet. Unerwnschte Effekte knnen durch unbehandelte parallele Wnde entstehen (z.B. Flatterechos) und lassen sich durch Neigung von mindestens einer Wand (Unparallelitt) oder durch Absorptionsmaterial beheben. Echos knnen durch Erhhung der Diffusitt (z.B. Kassettenkonstruktionen an der Decke) weitgehend vermieden werden.

Gestaltung der Nachhallzeit: Die Nachhallzeit ist durch die Raumform und das Raumvolumen vorgegeben und wird durch geeignete Schallabsorber gelenkt. Fr folgende Frequenzbereiche gilt: f < 160 Hz: f > 1000 Hz: Bedingung: Absorber mssen an der Decke und auf mindestens zwei zueinander senkrecht stehenden Wandflchen angeordnet werden. Der Einsatz von vernderbaren Reflektoren oder Absorbern kann besonders bei Mehrzweckrumen sinnvoll sein. Einfluss des Publikums: Das Publikum absorbiert mittlere bis hhere Frequenzen. Durch Polstersthle kann der raumakustische Unterschied zwischen leerem und voll besetzten Saal gut ausgeglichen werden (ca. 70 80 %). Toleranzen: Im Frequenzbereich von 250 2.000 Hz soll die Nachhallzeit um nicht mehr als 25.% vom Wert bei 500 Hz abweichen. Die Nachhallzeit bei 500 Hz ist ein reprsentativer Wert, der auch meist als sogenannte Einzahlangabe als Vergleichswert herangezogen wird. Erstellt: 12.2009 Erich Pintar, MSc Seite 36 von 53 Platten-, Helmholz-, Folien-, Lochresonatoren porse Materialien direkt an der Wand 300 Hz - 1000 Hz: dicke Mineralfaserstoffe, Resonatoren (auf Lattenkonstruktion)

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3.8. Akustische Planungskriterien:Ausreichende Direktschallversorgung Viele frhe Reflexionen Vermeidung von Flatterechos Optimale Nachhallgestaltung ber den gesamten Frequenzgang Hohe Diffusitt Gleichmige akustische Situation auf allen Pltzen Mglichst geringe Abhngigkeit von der Saalbesetzung Minimierter Strgeruschpegel von auen

3.8.1. Planungsschritte: Klrung aller relevanten Randbedingungen mit dem Architekten im Vorfeld Welche akustischen Manahmen sind denkbar? Raumgeometrie auf Direktschallkriterien und Reflexionseigenschaften prfen Volumenkennzahl in Abhngigkeit der geplanten Saalnutzung und Sollabsorption prfen Erforderliche Gesamtabsorption fr ausgeglichene Nachhallstruktur bestimmen Absorberart und verteilung festlegen Optimierung der akustisch relevanten Bauteile (Neigung der Reflektoren, Ausrichtung der Absorber,...) Echogefhrdung prfen Besprechung aller kritischen Punkte mit dem Architekten

3.8.2. Dokumentation des Istzustandes: Messung aller akustisch erfassbaren Parameter berprfung mit den Sollwerten laut Planung Gegebenenfalls Nachbesserung Dokumentation des gesamten akustischen Projektes

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Akustik und elektroakustische Medien Einschub: Goldener Schnitt

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Dieses besondere Verhltnisma wurde erstmals bereits ca. 300 v. Chr. vom Griechen Euklid erwhnt. Das Teilungsverhltnis wird vom Menschen als harmonisch und angenehm empfunden und ist vor allem bei Formproportionen und Flchenteilungen in Kunst und Architektur zu finden. Definition: Zwei Strecken stehen im Verhltnis des Goldenen Schnittes, wenn sich die grere zur kleineren Strecke verhlt wie die Summe aus beiden zur greren. Die Goldene Zahl ist das Verhltnis zwischen der greren zur kleineren Seite.

Ein Goldenes Rechteck lsst sich daher stets in ein kleineres, ebenfalls Goldenes, und ein Quadrat zerlegen

Als Ziel fr die Zukunft bleibt der Wunsch, dass bei der Planung von Rumen die Akustik rechtzeitig mitbercksichtigt wird. Die Architekten sollen im Idealfall den zu planenden Raum voraushren und die Akustik im Sinne der einleitenden Bemerkungen einbetten in die anderen Bereiche der Sinneswahrnehmungen.

3.8.3. Messung in der Raumakustik: Zur Erfassung der Nachhallzeit und zur Beurteilung der Reflexionen in einem Raum werden Impulsantworten oder sogenannte Reflekogramme eines Raumes aufgenommen. Dabei wird der Schalldruck in Abhngigkeit von der Zeit nach einer Impulsanregung, z. B. durch einen Pistolenschuss, dargestellt. Die Raumantwort (Abfall des diffusen Schallfeldes) wird in Terzabstnden erfasst und dargestellt. Ein reprsentatives Erstellt: 12.2009 Erich Pintar, MSc Seite 38 von 53

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Messergebnis erhlt man nur nach einer Mehrfachmessung und anschlieender Mittelung aller Werte. Reflektogramme von Rumen unterschiedlicher Hrsamkeit

Herkmmliche Messvariante: Anregung des zu messenden Raumes mittels Rauschen aus einem Mehrfachlautsprecher (siehe Abbildung).

3.8.4. Modellierung von Rumen: Physikalische Modelle: Verkleinerte Nachbildung von Rumen (Mastab 1:8 bis 1:100), Untersuchung der raumakustischen Eigenschaften mit elektroakustischen Mitteln. Computermodelle: Nachbildung von Raum und akustischem Geschehen auf CAD-Basis. Erstellt: 12.2009 Erich Pintar, MSc Seite 39 von 53

Akustik und elektroakustische Medien Auralisierung:

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Hrbarmachen von akustischen Darbietungen auf der Basis von Modellierungen

Gipsmodell der Dresdner Oper vor deren Erbauung

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3.9. Normen:-NORM 8115-3, Fassung 2005

Anzustrebende Nachhallzeit:

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Akustik und elektroakustische Medien Toleranzbereiche:

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3.10. Anhang:Groer Musikvereinsaal Wien (Goldener Saal)

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Groer Saal, Wiener Konzerthaus

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Brucknersaal Linz

Rckwand

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Akustik und elektroakustische Medien

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Seitenwand

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Lngsschnitt

Grundriss

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Marmorsaal, Stift St. Florian

Berliner Philharmonie

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Royal Festival Hall London

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Akustik und elektroakustische Medien Grundrissformen:

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4. Literaturhinweise:

Meyer, J.: Akustik und musikalische Auffhrungspraxis Dieses sehr schn gestaltete Buch gibt einen berblick ber die wichtigsten Musikinstrumente, beschreibt ihre Wirkungsweise und stellt die Richtcharakteristiken ihrer Schallabstrahlung dar. Ein Muss fr jeden Akustiker, der sich mit Rumen beschftigt, in denen Musik unterrichtet, gebt oder aufgefhrt wird; ein Genuss fr jeden, der ein Instrument spielt. Verlag Erwin Bochinsky, Frankfurt am Main 1995 ISBN 3-923639-01-5

Barron, M.: Auditorium Acoustics and Architectural Design Auditorium Acoustics and Architectural Design bietet eine ausfhrliche Analyse des akustischen Designs von Konzertslen, Theatern, Opernhusern und Mehrzweckslen. Das Buch enthlt 40 Fallstudien und architektonischen Zeichnungen von 70 Auditorien im Mastab 1:500. Es ist eine wertvolle Informationsquelle fr Architekten, Akustiker und Ingenieure. In Englisch. E&FN Spon, London 1993 ISBN 0-419-17710-8

Fasold, W.; Veres, E.: Schallschutz und Raumakustik in der Praxis Erstellt: 12.2009 Erich Pintar, MSc Seite 51 von 53

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Hier werden die Grundlagen der Raum- und Bauakustik mit vielen praktischen Beispielen ausfhrlich erklrt. Das Buch ist fr Studenten des Bauingenieurwesens und der Architektur ebenso geeignet wie fr den Praktiker und Planer im Hochbau. Verlag fr Bauwesen, Berlin 2003 ISBN 3-345-00549-2

Heckl, M.; Mller, H. A.: Taschenbuch der Technischen Akustik Eine Zusammenstellung der wichtigsten Gebiete der Technischen Akustik: Grundlagen, Messtechnik, numerische Methoden, Gehrschutz, Geruschimmissionen und emissionen, elektrische und mechanische Maschinen, Verkehrslrm, Schallabsorption, Schalldmmung, Raumakustik, Beschallungstechnik. Springer Verlag, Berlin Heidelberg New York 1994 ISBN 3-540-54473-9

Randall, R. B.: Frequency Analysis Eine anschauliche Einfhrung in die Welt der Signalverarbeitung. Beginnend bei den Grundbegriffen wie Betrag und Phase einer Schwingung werden Stck fr Stck die Fourier-Analyse, Faltung und Hilbert-Transformation und schlielich deren Anwendungen in der Messtechnik erklrt. In Englisch. Brel&Kjr 1987 ISBN 87 87355 07 8 Ford, R. D.; McGormick, M. A.: Panel Sound Absorbers. J. Sound Vib. 10 (1969), H. 3, S. 411-423. Hunecke, J.; Zha, X.: Akustische Eigenschaften von Diffusoren aus mikroperforierten Streifen. Rundfunktechnische Mitteilungen 42 (1998), H. 1, S. 1-12. Erstellt: 12.2009 Erich Pintar, MSc Seite 52 von 53

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Maa, D.-Y.: Microperforated-Panel Wideband Absorbers. Noise Control Engineering Journal 29 (1987), H. 3, S. 77-84. Meyer, E.; Bohn, L.: Schallreflexionen an Flchen mit periodischer Struktur. Acustica 2 (1952), Beiheft 4, S. 195-207. Meyer, E.; Kuttruff, H.; Rischbieter, F.: Messung der Schallstreuung an Flchen mit periodisch wechselnder Impedanz (Phasengittern). Acustica 12 (1962), H. 5, S. 334-341. Schroeder, M. R.: Diffuse sound reflection by maximum-length sequences. J. Acoust. Soc. Am. 57 (1975), H. 1, S. 149-150. Schroeder, M. R.: Binaural dissimilarity and optimum ceilings for concert halls: More lateral sound diffusion. J. Acoust. Soc. Am. 65 (1979), H. 4, S. 958-963. DIN 15996: Elektronische Laufbild- und Tonbearbeitung in Film-, Video- und Rundfunkbetrieben. (April 1996). DIN 18041: Hrsamkeit in kleinen bis mittelgroen Rumen. (Mai 2004) DIN EN 20354: Messung der Schallabsorption im Hallraum. (Juni 1993). NORM B 8115-3: Schallschutz und Raumakustik im Hochbau, Teil 3: Raumakustik. (November 2005)

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