Akustik Lexikon

Akustik

Akustik ist die Lehre vom Schall. Es gibt eine Vielzahl an unterschiedlichen, zum Teil nicht genau abgrenzbaren Arbeitsbereichen:

• Raumakustik – beschäftigt sich mit der Akustik innerhalb eines Raumes, um je nach Nutzungsart eine gute Sprachverständlichkeit bzw. ein optimales Hörerlebnis zu ermöglichen
• Bauakustik – beschäftigt sich im Wesentlichen mit der Schalldämmung zwischen zwei verschiedenen Räumen, bzw. mit Außenwelt und Raum
• Psychoakustik – befasst sich mit dem Zusammenhang der menschlichen Empfindung von Schall und dessen physikalischen Messdaten
• Elektroakustik – befasst sich im Wesentlichen mit der Umwandlung von elektrischen Impulsen in Schall (Lautsprecher) und umgekehrt (Mikrofon)

Akustikdesign

Akustik-Design ist das Bestreben, einem Produkt einen angenehmen oder einzigartigen Klang zu verleihen. So werden beispielsweise das Schließen von Autotüren, Klänge von Elektrogeräten oder auch das akustische Geräusch von Lebensmitteln beim Verzehr längst von Akustikexperten designed.

In der Architektur entspricht es dem Versuch, dem Raum einen hochwertigen oder individuellen akustischen Charakter zu geben. Richtige Auswahl und Platzierung von Absorbern, die auf bestimmte Frequenzbereiche abgestimmt sind, ist dafür erforderlich. Gutes Akustik-Design wirkt unterschwellig – jedoch stark – auf das Empfinden der Raumqualität ein.

Alpha-p (Praktischer Schallabsorptionsgrad)

Zur Ermittlung dieser Kennzahl werden Alpha-s (as) Werte ermittelt und auf Alpha-p (ap) Werte umgerechnet. Wobei drei Alpha-s Werte auf einen Alpha-p Wert gerundet werden. Ein von 100 bis 5000 Hz gemessener Absorber hat demnach 6 unterschiedliche Alpha-p Werte (125Hz, 250Hz, 500Hz, 1000Hz, 2000Hz und 4000Hz).

Alpha-s (Terzwert)

Der Alpha-s (as) ist die genaueste Kennzahl für Schallabsorption, da diese für einen engen Frequenzbereich angegeben wird. Wobei der Wert 0 keine Absorption und der Wert 1 vollständige Absorption bedeutet. Multipliziert man den Alpha-s mit 100 ergibt dies die Schallabsorption in %. Alpha-s(250Hz)=0,88 bedeutet demnach 88% Schallabsorption im Frequenzbereich 250Hz. Ein ausreichend genau gemessener Absorber (von 100Hz bis 5000 Hz) hat 18 unterschiedliche Alpha-s Werte (100Hz, 125Hz, 160Hz, 200Hz, 250Hz, 315Hz, 400Hz, 500Hz, 630Hz, 800Hz, 1000Hz, 1250Hz, 1600Hz, 2000Hz, 2500Hz, 3150Hz, 4000Hz und 5000H).

Alpha-w (Bewerteter Schallabsorptionsgrad)

Für die Ermittlung werden in Terzen gemessene Alpha-s und auf Oktaven umgerechnete Alpha-p verwendet. Als Hilfsmittel dient die sogenannte Bezugskurve. Diese wird in Schritten von 0,05 so lange senkrecht verschoben, bis die Summe der Unterschreitungen der Oktavwerte maximal 0,10 beträgt. Bei 500 Hertz wird dann der Alpha-w abgelesen. Deutlich erhöhte Absorptionsleistungen in bestimmten Frequenzen von mindestens 0,25 werden durch in Klammern gesetzte Buchstaben L = low (250 Hz) M = medium (500 und 1000 Hz) oder H = high (2000 und 4000 Hz) ausgedrückt. Durch diese zusätzlichen Buchstaben ist die Kennzahl Alpha-w etwas präziser als die Absorberklassen. Für hochwertige Raumakustik muss dennoch der Frequenzverlauf der Absorptionsleistung betrachtet und auf die Anforderungen des Raumes abgestimmt werden.

Bassverhältnis (Bass Ratio)

Bei der Nutzung von Räumen für Musikdarbietungen ist eine höhere Nachhallzeit für Frequenzen unter 250 Hz wünschenswert, dies erzeugt „Klangwärme“. Die Bass Ratio gibt das Verhältnis der Nachhallzeit in den Frequenzen 125 Hz und 250 Hz zu den Frequenzen 500 Hz und 1000 Hz an. Für Musikdarbietung anzustreben ist eine Bassratio von 1,1 bis 1,3 (im Gegensatz zu Musikproberäumen und für Musikunterricht).

BR=(T125+T250) / (T500+T1000)  [T=Nachhallzeit]

Frequenz

Die Häufigkeit des Wechsels des Luftdrucks (bei Luftschall), nennt man Frequenz. Gemessen wird sie in Hz (Hertz). 1 Hz ist somit eine Schwingung pro Sekunde. Bei der Schallwiedergabe bestimmt die Frequenz die Tonhöhe. In der Akustik entspricht eine Verdoppelung der Frequenz dem Intervall einer Oktave. Als kleinere Intervalle sind Terzen (1/3 Oktaven) gebräuchlich. Frequenzen zwischen 16 Hz und 20 kHz sind für das menschliche Gehör wahrnehmbar, also etwa 10 Oktaven. Individuelle Unterschiede sind groß und mit zunehmendem Alter sinkt die obere Grenze erheblich ab. Schall mit einer Frequenz von unter 16 Hz bezeichnet man als Infraschall, oberhalb von 20000 Hz als Ultraschall und oberhalb von 1.000.000.000 Hz (1 GHz) als Hyperschall.

Holz und Raumakustik (Platten)

Platten oder Elementen aus Holz wird oft per se eine schallabsorbierende Eigenschaft zugeschrieben. Die Schallabsorption wird jedoch erst durch Perforation, Akustikvlies und Wandabstand erreicht.

Informationsübertragung

Die hauptsächliche Informationsübertragung in der Sprache findet in den Konsonanten statt. Diese liegen im Frequenzband im Bereich über 1000Hz (siehe Diagramm rechts – Quelle Diagramm: H.V. Fuchs (2007) Schallabsorber und Schalldämpfer – Springer Verlag). Für die Anforderung von schallabsorbierenden Maßnahmen ist die Schallabstrahlung von größerer Bedeutung.

Lautheit

Zwar eignet sich der Lautstärkepegel gut zur Kennzeichnung der Lautstärke verschiedener Töne, doch sind Unterschiede in der Wahrnehmung damit nur unbefriedigend darzustellen. Aus diesem Grund wurde die Lautheit (Einheit = sone) eingeführt. Bei Verdopplung des Werts der Lautheit wird in der Akustik ein Schall jeweils als doppelt so laut empfunden. Einem Lautstärkepegel von 40 phon wurde die Lautheit 1 sone zugeordnet.

Lautstärkepegel

Die Empfindlichkeit des Gehörs ist frequenzabhängig. Die Hörschwelle bei 1000 Hertz liegt bei etwa 0 dB, bei 20 Hertz allerdings bei etwa 70 dB (siehe Diagramm oben). Um diesen Wahrnehmungsunterschieden gerecht zu werden, gibt es den Lautstärkepegel (Einheit = phon). Bei einer Frequenz von 1000 Hertz sind Schalldruckpegel (dB) und Lautstärkepegel (Einheit = phon) gleich hoch. Statt der Lautstärke kann auch die Lautheit (Sone) angegeben werden.

Nachhallzeit

Die Nachhallzeit – das ist jene Zeit, die ein Geräusch nachhallt – (Schalldruckabnahme um 60dB – also auf ein Millionstel seines Ursprungswertes). Es ist die wichtigste Kennzahl für gute Akustik bzw. Raumakustik und wird in Sekunden angegeben.

Die Nachhallzeit ist abhängig vom Raumvolumen und vom Absorptionsgrad der Flächen.

Die Nachhallzeit kann ermittelt werden durch die Nachhallformel nach Sabine:

0,163 x V/m³
T/s = —————–
A/m²
T/s = Nachhallzeit in Sekunden
V/m³ = Raumvolumen in m³
A/m² = äquivalente Schallabsorptionsfläche in m²

Nachhallzeit (anzustreben)

Die anzustrebenden Nachhallzeiten variieren je nach Verwendungsart des Raumes und der Raumgröße (siehe Diagramm unten). Die tatsächliche Nachhallzeit kann über die Absorptionseigenschaften der Raumflächen optimiert werden.

Zu lange Nachhallzeit – Auswirkung Raumakustik:
Bei Sprache bewirkt eine zu lange Nachhallzeit, dass nachfolgende Silben durch den zu langen Abklingvorgang der vorhergehenden verdeckt werden. Das verringert die Verständlichkeit. Bei Musik bewirkt ein zu langer Abklingvorgang vor allem bei tiefen Frequenzen, dass die Klänge verschmelzen und ein „mulmiger“ musikalischer Eindruck zustande kommt.

Zu kurze Nachhallzeit – Auswirkung Raumakustik:
Bei zu kurzer Nachhallzeit ist der Raumeindruck „trocken“, der Raum „trägt nicht“. Zu kurze Nachhallzeit kann in einem großen Raum außerdem dazu führen, dass vor allem im hinteren Saalbereich keine ausreichende Lautstärke erreicht wird, weil Pegel erhöhende Reflexionen fehlen.

Die ermittelte optimale Nachhallzeit wird dann auf den gesamten Frequenzverlauf übertragen.

NRC (Noise Reduction Coefficient)

Gibt den Mittelwert der Schallabsorption der Terzwerte 250, 500, 1000, 2000 auf 0,05 gerundet an. Ein NRC von 0,80 bedeutet also eine durchschnittliche Schallabsorption von 80% in den Frequenzen 250, 500, 1000 und 2000 Hertz.

Plattenschwinger (Plattenresonatoren)

Plattenschwinger oder Plattenresonatoren sind dichte Platten (meist aus Holz, Gips oder Metall), die in einem bestimmten Abstand zur Wand/Decke montiert werden. Je nach Flächengewicht, Steifigkeit der Platte und dem Wand-/Deckenabstand beginnen diese in einer bestimmten Resonanzfrequenz zu schwingen. Dem Schallfeld wird durch diesen Vorgang, in der meist schmalbandigen und tiefen Resonanzfrequenz, Energie entzogen (Tieftonabsorber).

Nach mehreren Versuchen im Akustiklabor haben wir diese Produktentwicklung abgebrochen. Die Ergebnisse waren zwar recht interessant, jedoch sehr unzuverlässig. Entgegen manchen einfachen Theorien, führte jede Veränderung in den Spannungsverhältnissen der Platte (Befestigungsabstände, Luftfeuchte, absackende und an die Platte anliegende Mineralwolle usw.) zu sehr unterschiedlichen Ergebnissen. Die Absorptionsleistung war entweder ganz verschwunden oder plötzlich in einem ganz anderen Frequenzbereich.

Als Tieftonabsorber bieten wir daher den mikroperforierten Mikro L1 an, welcher durch das völlig andere Absorptionsprinzip ein kontinuierliches Ergebnis zeigt.

Raumeigenmoden (Raummoden)

Raummoden sind besonders für kleine Räume, die für Musik genutzt werden relevant (hoher Anteil tiefer Frequenzen). Je größer das Raumvolumen wird, desto mehr verschieben sich die Raummoden zu den tiefen Frequenzen hin und verlieren an Bedeutung. Besonders betroffen sind Räume wie:

• Musikproberäume
• Tonstudio
• Heim-HIFI
• Heimkino

Raummoden bilden sich zwischen zwei reflektierenden Wänden, in jener Frequenz, in der die Wellenlänge die Hälfte (oder ein Vielfaches davon) der Entfernung der Wände beträgt.

Beispiel: Die Wellenlänge bei 50 Hz beträgt 680cm, bei 100Hz 340 cm. Ein Raum, der also 340cm breit ist, hat die Tendenz bei 50 Hz und bei 100 Hz eine stehende Welle auszubilden.

In diesen Eigenmoden herrscht also ein sehr ungleichmäßiges ortsabhängiges Schallfeld vor. Sehr gut visualisiert ist das im Raummodenrechner. Durch Tieftonabsorber können diese stehenden Wellen abgeschwächt werden. Diese Absorber müssen an den Flächen montiert werden, zwischen denen die Eigenfrequenzen auftreten. Wenn möglich sollten jedoch schon in der Planungsphase die Raumproportionen beachtet werden. Eigenfrequenzen treten immer dann besonders stark auf, wenn eine Raumdimension ein ganzzahliges Vielfaches einer anderen ist. Also beispielsweise in einem Raum, der doppelt so breit wie hoch ist. Die Abweichungen von ganzzahligen Vielfachen sollten wenigstens 10% betragen.

Raumproportionen, in denen die Gefahr besonders starker Raummoden durch zusammenfallende Eigenfrequenzen ausgeschlossen ist, sind also:
(lxbxh) 2,7:1,7:1 (=8mx5mx3m)/ 1,5:1,2:1 / 1,6:1,3:1 / 1,9:1,4:1 / 2,2:1,6:1 / 2,5:1,5:1 (Quelle: Schallschutz + Raumakustik in der Praxis, Fasold/Veres)

Je größer das Raumvolumen wird, desto mehr verschieben sich die Raummoden zu den tiefen Frequenzen hin und verlieren an Bedeutung.

SAA (Sound Absorption Average)

Gibt den Arithmetischen Mittelwert der Schallabsorption über alle Terzwerte von 200 – 2500 Hertz auf 0,01 gerundet an. Ein SAA von 0,82 bedeutet demnach eine durchschnittliche Schallabsorption von 82% in den Frequenzen 200Hz, 250Hz, 315Hz, 400Hz, 500Hz, 630Hz, 800Hz, 1000Hz, 1250Hz, 1600Hz, 2000Hz und 2500Hz.

Schall

Schallwellen sind Druckschwankungen in einem elastischen Medium. Das Medium kann gasförmig (Luftschall), flüssig (Wasserschall) oder fest (Körperschall) sein. Die Bewegung wird auf das benachbarte Teilchen durch Anstoßen übertragen. Es kommt zur Verdichtung und Verdünnung der Materie und zur Fortpflanzung des Schalls. Im Vakuum gibt es keine Schallausbreitung bzw. keine Akustik, da keine Materie vorhanden ist.

Schallabsorptionsfläche (äquivalente)

Multipliziert man den Schallabsorptionsgrad eines Bauteiles mit dessen Fläche in m², so erhält man die äquivalente Schallabsorptionsfläche.

Beispiel:
Es werden 100 m² – Akustikplatten mit einem Absorptionsgrad von 0,7 montiert. 100 x 0,7 = 70 m² zusätzliche äquivalente Schallabsorptionsfläche.

Die äquivalente Schallabsorptionsfläche lässt sich nicht nur auf die Begrenzungsflächen eines Raumes sondern auch auf die darin befindlichen Gegenstände und Personen anwenden und ist daher für die Errechnung der raumakustischen Eigenschaft von grundlegender Bedeutung. Pro Verdoppelung der äquivalenten Absorptionsfläche sinkt der Schalldruckpegel um 3 dB.

Schallabsorptionsgrad

Gibt das Verhältnis von absorbierter zu reflektierter Schallenergie an. Ein Absorptionsgrad von 1 bedeutet 100% Schallabsorption, ein Wert von 0 bedeutet 0% Absorption (=100% Reflexion). Der Schallabsorptionsgrad ist abhängig von der Frequenz.

Schallabsorptionsklassen

Die Schallabsorptionsklassen werden mit den Buchstaben A – E klassifiziert. Diese werden vom bewerteten Schallabsorptionsgrad „Alpha-w“ abgeleitet.

Klasse A = Alpha-w 1,00 / 0,95 / 0,90
Klasse B = Alpha-w 0,85 / 0,80
Klasse C = Alpha-w 0,75 / 0,70 / 0,65 / 0,60
Klasse D = Alpha-w 0,55 / 0,50 / 0,45 / 0,40 / 0,35 / 0,30
Klasse E = Alpha-w 0,25 / 0,20 / 0,15

Frequenzverläufe der Schallabsorption können mit dieser Kennzahl nicht ausgedrückt werden. Meist werden für optimale Nachhallzeiten sogar mittlere oder niedrige Absorberklassen mit einer erhöhten Schallabsorptionsleistung im mittleren oder unteren Frequenzbereich benötigt. Als Kennzahl ist diese Klassifizierung daher aus unserer Sicht in den meisten Fällen unzureichend. Auch wenn es dadurch etwas komplexer wird, es muss dennoch immer der gesamte Frequenzverlauf eines Absorbers betrachtet werden.

Schallabstrahlung

Die Frequenzverteilung der Schallabstrahlung in der Sprache wird in diesem Diagramm angegeben (Quelle:. H.V. Fuchs (2007) Schallabsorber und Schalldämpfer – Springer Verlag).

Schalldruck

Der Schalldruck ist die Druckänderung, die durch schwingende Luftmoleküle hervorgerufen wird. Er wird als Lautstärke wahrgenommen. Beachtlich dabei ist, dass diese Druckschwankungen ausgesprochen gering sind. Der uns umgebende atmosphärische Ruhedruck liegt bei etwa 1 Bar, das sind etwa 100 000 Pascal – die Schmerzgrenze liegt bei einem Wechseldruck von etwa 63 Pascal (=130dbSPL) und die Hörschwelle bei 0,00002 Pascal. Oder anders ausgedrückt: bei einer Luftdruckschwankung von 0,063 % vom Ruhedruck = Schmerzgrenze = 130 Dezibel (dB) bei einer Luftdruckschwankung von 0,00000002% vom Ruhedruck = Hörschwelle = 0 Dezibel (dB). Die Wahrnehmungs- und Schmerzgrenzen sind frequenzabhängig (tieffrequente Schallvorgänge erfordern z.B. zu ihrer Wahrnehmung größere Schalldrücke als hochfrequente) und individuell sehr unterschiedlich. Ein Schallfeld kann auch durch die Schall-Leistung bzw. den Schall-Leistungspegel beschrieben werden (dBSPL). In der Akustik wird üblicherweise mit dem Schalldruckpegel gearbeitet.

Schalldruckpegel / Schall-Leistungspegel

Die Einheit des Schalldruckpegels ist Dezibel (dB). Der Schalldruckpegel wird aus dem Schalldruck abgeleitet – 0 dB (Hörschwelle) sind 20 Mikropascal. Die Schmerzgrenze liegt bei etwa 130 dB. Es ist ein logarithmischer Wert. Bei der Addition von zwei gleichen Pegeln erhöht sich der Schalldruckpegel um 3 dB. Schalldruckpegeländerungen von ca. 1 dB können gerade noch wahrgenommen werden. Ein Unterschied im Schalldruckpegel von 10 dB wird (bei 1000 Hz und 40 dB) als doppelte Lautstärke wahrgenommen. Ein Schallfeld kann auch durch die Schall-Leistung bzw. den Schall-Leistungspegel beschrieben werden. Der Schalldruckpegel ist ortsabhängig, daher ist er für die Beschreibung von Schallquellen nur bedingt geeignet. In der Akustik wird für Schallquellen daher der Schall-Leistungspegel verwendet, die Einheit ist Dezibel (dBSPL).

0 dB – Hörschwelle 10 dB – Leises Flüstern
18 dB – Blätter im Wind
40 dB – Wellen am Stand
50 – 60 dB – Straßenlärm
70 dB – Unterhaltungssprache, Schreibmaschine
80 -100 dB – laute Sprache, Disko
100 dB – durch Schreien erreichbar
105 dB – von ausgebildeten Sängern erzielbar
120 dB – Presslufthammer
130 dB – Schmerzgrenze
150 dB – Sirene
180 dB – Raketentriebwerk

Schallgeschwindigkeit

Die Schallgeschwindigkeit gibt an, wie schnell sich der Schall ausbreitet. Sie wird in Metern pro Sekunde gemessen. Die Geschwindigkeit der Schallausbreitung ist abhängig vom Medium, in dem sich der Schall ausbreitet.

Beispiele Schallgeschwindigkeit:

• Luft 343 m/s (bei 20° Celsius, pro Grad Temperaturabnahme wird die Schallgeschwindigkeit um etwa 0,6 m/s langsamer)
• Wasser 1440 m/s
• Gummi 1480 m/s
• Aluminium 6260 m/s