Vom Klopfgeist zu einer hervorragenden Akustik (1) –Die neue Tonhalle Düsseldorf: Die akustische Quadratur des Kreises

Dipl.-Ing. Martijn Vercammen1, Dipl.-Phys. Klaus-Hendrik Lorenz-Kierakiewitz2,Dipl.-Ing. Stéphane Mercier3

1 Peutz bv, NL-6584 AC Mook, Niederlande, Email: m.vercammen@mook.peutz.nl2 Peutz Consult GmbH, 40599Düsseldorf, Deutschland, Email: khl@peutz.de

3 Peutz S.A.R.L., F-75010 Paris, France, Email: s.mercier@peutz.fr

Einleitung: Analyse des ProblemsIm Rahmen der umfassenden Sanierung der TonhalleDüsseldorf im Jahre 2005 ergab sich eine idealeGelegenheit, die lange bekannten Probleme der Akustik desgroßen Saales zu lösen. Das auffälligste akustische Problemdes kuppelförmigen Saales war der berüchtigte Klopfgeist -ein starkes Kollektivecho in dem sich die ersten Reflexionenvon allen Flächenteilen der beinahe halbkugelförmigenKuppel zeitgleich aufaddierten. Für jeden Senderort auf demPodium bestand im Parkett der alten Tonhalle ein derartigerSpiegelpunkt, in welchem das Echo ca. 70-90 ms später undbis zu 20 dB stärker als der Direktschall eintraf. Sattt eineswünschenswerten Horizontalfeldes war das Schallfeld sehrungleichmäßig.

Abbildung 1: Echobildung und Impulsantwort desMesspfades E4 (500 Hz) im alten Zustand der Tonhalle, wodas Echo (Der „Klopfgeist“) sehr deutlich zusehen ist.

Innovativer Ansatz zur Elimination des EchosUnter anderem wegen Denkmalschutz-Auflagen wargewünscht, die Kuppelvision des Architekturbüros HPP

beizubehalten, die ja gerade für das akustische Problemverantwortlich war. Der innovative Ansatz zur Lösung desEchoproblems bestand somit aus einer visuellgeschlossenen, akustisch jedoch transparenten Innenkuppel,hinter der Diffusoren angebracht werden sollten. ZahlreicheUntersuchungen wurden ausgeführt [1], aus denen folgte,daß Diffusion allein nicht ausreicht, um das Kollektivechozu eliminieren. Hierzu ist es notwendig, den Schall gerichtetaus der Spiegelrichtung heraus zu reflektieren, um zuverhindern, dass der Schall wie in Brennpunkt einesHohlspiegels im Parkett gesammelt wird , indem sie denSchall aus der Spiegelrichtung heraus in die Kuppel werfen.

Optimierung der Geometrie im MaßstabsmodellUm zu erreichen, dass der Schall keine Brennpunkte mehrformen, sondern sich oberhalb des Publikums ein 2-dimensionales Horizontalfeld bildet wurden umfangreicheUntersuchungen (insgesamt 182 Varianten von 3Basisgeometrien!) an einem akustischen Maßstabsmodellder Tonhalle im Maßstab 1:12 durchgeführt, um die richtige(das Echo am stärksten vermindernde) Form derUmlenkkörper zu bestimmen.[1] Die Modellmesstechnikwurde bereits bei diversen Projekten von uns mit Erfolgangewendet.[2]

Abbildung 2: Seitenriss des gewünschten Strahlenverlaufes

Es stellte sich in diesem Fall sehr rasch heraus, dass alleinigeDiffusionsmaßnahmen nicht in der Lage sind, die durch dieBerennpunktswirkung aufaddierte Schallenergie genügendzu zerstreuen, da hierbei ein gewisser Prozentsatz derSchallenergie immer noch in Spiegelrichtung reflektiert wirdund sich im Brennpunkt superponiert. Es musste also eineGeometrie aus Umlenkkörpern entwickelt werden, welchenicht diffus, sondern gezielt den Schall aus dem Brennpunktfort reflektieren. Die Konstruktion von diffusierenden (d.h.

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den Schall in alle Richtungen streuenden Geometrien istnicht schwierig. Durch eine gewinkelte dreidimensionaleVerbindung solcher Strukturen kann jedoch wieder eineGeometrie entstehen, die viel der einfallenden Schallenergiewieder in Spiegelrichtung zurückwirft (Reflexion 2.Ordnung). Durch die Verwendung prismatischerReflektoren, die relativ zur Kuppeltangente einen Winkelvon ca. 30° bilden, kann eine sher gute, gerichtete Reflektionder Eunergie aus der Spiegelrichtung heraus erreicht werden.Die Elemente müssen hierbei, Abmessungen von mindestensdem Zweifachen der Wellenlänge besitzen, um wirksam denSchall umlenken zu können. Für Frequenzen ab 200 Hzbedeutet dies Abmessungen in der Größenordnung von ca.minimal 3,5 m.

Abbildung 3: 3D-Ansicht der Endgeometrie der neuenTonhalle

Mit Hilfe des akustischen Maßstabmodells wurden dieseErkenntnisse umgesetzt bei der geometrischen Ausformungder neuen Zwischenkuppel in der Tonhalle, die nun denakustischen Abschluss des Auditoriums bildet, wohingegeneine schalltransparente Innenschale die gewohnte Kuppel-ansicht gemäß den Auflagen des Denkmalschutzes bildet(siehe Abb. 5). Die Geometrie basiert im Vertikalschnitt auseiner Anordnung von 30° Prismen. Im Horizontalschnittwurde leichte sägezahnförmige 10° Anwinkelung derFlächen verwendet. Die Decke der Reflektorschale wurdeebenfalls mit einer prismatischen Struktur versehen, um soviel der einfallenden Energie wie möglich in einHorizontalfeld umzulenken.

Abbildung 4: Ansicht des neuen Orchesterschalldeckelsnach der Modernisierung.

Optimierung der Podienakustik

In der Situation vor der Modernisierung reflektierten dieschräg angestellten Paneele im Schalldeckel frühe

Schallenergie ins Parkett, um das Kuppelecho zu maskieren.In der neuen Tonhalle sind die Reflektorelemente horizontalangeordnet und sind konvex geformt, wodurch dieReflexionen gut verteilt auf das Podium zurück gerichtetwerden. Aufgrund der Messergebnisse aus demMaßstabsmodell wurde darüber hinaus eine Erhöhung unddiffusierende Ausführung der Podienrückwand entworfen,welche den verbesserten Kontakt der Musiker untereinandernoch unterstützt.

ZusammenfassungEs ist außerordentlich schwierig, in einem kuppelförmigenSaal eine sehr gute Akustik zu realiseren, welche denbekannten quaderförmigen Saälen vergleichbar ist. Durchdie konsequente Herangehensweise mit denSchallumlenkkörpern, die für die richtigen Reflexionswinkelsorgen, und die Oprimierung dieses Ansatzes mit derMaßstabsmodelluntersuchung gelang es, das Echo zueliminieren und eine sehr gute Akustik sowohl für Publikumals auch für die Musiker. Dabei konnte die außerordentlicheArchitektur des Saales optisch beibehalten werden. AlleKonzerte mit klassischer Musik seit der Eröffnung am4.11.05 wurden sehr positiv beurteilt: Hörer, Kritiker,Musiker und Dirigenten sind seither mit dem Klanggleichermaßen hochzufrieden. Das Besondere an derAkustik der Neuen Tonhalle ist die Kombination einergroßen Direktheit des Klangs mit einem wohlklingenden,homogenen Nachhall. Das Ergebnis der akustischenBeratung der Modernisierung der Tonhalle Düsseldorf isteine architektonische und akustische Erneuerung des Saalesund eine große Bereicherung für die LandeshauptstadtDüsseldorf – ganz ohne Klopfgeist: die akustische Quadraturdes Kreises ist gelungen!

Abbildung 5: Ansicht der neuen Tonhalle nacherfolgreicher Modernisierung.

Literatur[1] K.-H. Lorenz-Kierakiewitz et al.: Vom Klopfgeist zueiner hervorragenden Akustik (2) – Die neue TonhalleDüsseldorf: Die akustische Quadratur des Kreises,Fortschritte der Akustik, DAGA 2006

[2] H. Kremer, K.-H. Lorenz: Die Modernisierung der RoyalAlbert Hall, Bauphysik 27 (2005), Heft 1, S. 15-20

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