Modellierung von Akustikmöbeln

Quelle: Panther Media/Mr Hamster

Eine Möglichkeit, die notwendige Schallabsorption in Räume – heutzutage insbesondere in Büros – zu bringen, kann darin bestehen, dass auch die Einrichtungsgegenstände wie Möbel, Raumteiler, Stellwände, Sitzmöbel oder Leuchten eine schallabsorbierende Wirkung erhalten. In diesem Beitrag wird ein Vor­gehen vorgestellt, wie die Schallabsorption entsprechender nicht-flächiger Schallabsorber beschrieben werden kann, um sie in der raumakustischen 3D-Simulation zu verwenden.

Aus der im Hallraum gemessenen Schallabsorptionsfläche A_obj eines Einzelobjekts wird ein Schallabsorptionsgrad für die in der Simulation verwendeten Elemente abgeleitet. Mit diesem auf die Oberfläche eines Objekts bezogenen Schallabsorptionsgrad können Einzelobjekte auch in der raumakustischen Simulation in entsprechenden Softwareprogrammen berücksichtigt werden. Weiterhin ist anhand dieser Kenngröße durch den Flächenbezug ein direkter Vergleich verschiedener Einzelobjekte möglich, was bislang durch die Absorptionsfläche A_obj nur in­direkt möglich war.

Hallraum-Messungen nach DIN EN ISO 354 an Objekten

Zur Bestimmung der Schallabsorption wird in einem Hallraum die Nachhallzeit des leeren Raums und des Raums mit eingebrachtem Prüfobjekt gemessen. Das Verfahren ist durch die Norm DIN EN ISO 354 [1] beschrieben. In der Norm werden Anforderungen an das Raumvolumen V, die „Diffusität“ des Schallfelds, das Prüfobjekt, die zu verwendenden Messgeräte und viele weitere Details gestellt.

Bei den Prüfobjekten wird zwischen flächenhaften Schallabsorbern und einzelnen Schallabsorbern bzw. Objekten unterschieden. Bei flächenhaften Absorbern ist eine überdeckte Fläche von 10 bis 12 m² erforderlich. Verschiedene Aufbauarten sind im norma­tiven Anhang B der DIN EN ISO 354 [1] detailliert dargestellt (Tabelle).

Aufbauten für flächige Absorber im Hallraum nach normativem Anhang B in DIN EN ISO 354 [1].

Für die einzelnen Schallabsorber im Sinne der DIN EN ISO 354 [1] fehlt eine entsprechend detaillierte Darstellung der Aufbauarten. Es wird angeführt: „Einzelobjekte (z. B. Stühle, freistehende Stellwände oder Personen) müssen für die Messung in gleicher Weise angeordnet werden, wie es in der Praxis üblich ist“. Es wird darauf hingewiesen, dass die Prüfobjekte bei einzelnen Schallabsorbern mindestens aus drei gleichartigen Objekten bestehen müssen. Sofern das Prüfobjekt lediglich aus einem Objekt besteht, ist dieses an mindestens drei Standorten im Hallraum zu vermessen.

Die äquivalente Absorptionsfläche A_T des Prüfobjekts ergibt sich nach den Vorgaben aus DIN EN ISO 354 [1] aus der Differenz zwischen der äquivalenten Absorptionsfläche im Hallraum mit Prüfobjekt A₂ und jener des leeren Hallraums A₁:

A_T = A₂ – A₁

Für flächenhafte Schallabsorber kann anschließend mit der vom Prüfobjekt überdeckten Fläche S der Schallabsorptionsgrad _S berechnet werden:

Der Index S wird verwendet, um auf das beschriebene Verfahren im Hallraum hinzuweisen.

Für einzelne Schallabsorber ist die äquivalente Schallabsorp­tionsfläche je Objekt A_obj anzugeben. Hierzu ist die äquivalente Absorptionsfläche A_T durch die Anzahl der Objekte n, in der Regel n = 3, zu teilen. Entsprechend gilt:

Die Ergebnisse von Messungen nach DIN EN ISO 354 [1] werden als Absorptionsgrad _S für flächige Absorber oder als Absorptionsfläche eines Objekts A_obj angegeben.

Unklarheiten in DIN EN ISO 354 bei Objekten

In der aktuellen Fassung der DIN EN ISO 354 [1] besteht die Unklarheit, wie mit Objekten wie Stellwänden, Tischaufsätzen, Schränken und anderen Einrichtungselementen zu verfahren ist, die durchaus die Definition einer Oberfläche bzw. Bezugs­fläche S zulassen. Bei Absorbern mit zwei beschallten Seiten, wie Stellwänden oder auch sog. „Akustik-Segeln“, „Wolken“ oder anderen Freiformen, enthält die DIN EN ISO 354 [1] keine konkreten Vorgaben, wie die Bezugsfläche S zu ermitteln ist. Es gibt lediglich die Anmerkung, dass bei beidseitig beschallten Absorbern der Schallabsorptionsgrad das Verhältnis aus äquivalenter Schallabsorptionsfläche des Prüfobjekts und der Fläche der beiden Seiten des Prüfobjekts ist ([1], Anmerkung 1 unter Ziffer 3.9).

Absorptionsgrad für Einzelobjekte

In der Regel ist eine direkte Eingabe der Schallabsorptions­fläche A_obj von Einzelobjekten in den einschlägigen Programmen zur 3D-Raumakustiksimulation nicht vorgesehen. Sämt­liche Raumbegrenzungsflächen, aber auch die Einrichtungs­gegenstände, werden in der dreidimensionalen Computersimulation durch Elemente aus ebenen Flächen oder auch Quadern angenähert (siehe Raumbeispiel in Bild 1).

Bild 1 Beispiel für ein dreidimensionales Raummodell zur Raumakustiksimulation. Die Farben zeigen den Absorptionsgrad der Flächen, hier für die 1 000 Hz Oktave, an.

Um auch die akustische Wirkung von Einzelobjekten im Sinne der Norm DIN EN ISO 354, wie schallabsorbierende Stellwände, Schränke oder „Akustik­segel“, in der 3D-Simulation berücksichtigen zu können, ist es notwendig, den Flächen dieser Objekte im Computermodell einen Wert des Schallabsorptionsgrads zuzuordnen. Hierbei kann entweder ein über alle Flächen des Objekts gemittelter Schallabsorptionsgrad _Obj oder aber der Schallabsorptionsgrad für die einzelnen Flächenanteile bzw. Komponenten des Objekts _KA angegeben werden. Für beide Vorgehensweisen ist es notwendig, eine gegenüber der realen Geometrie vereinfachte Geometrie für das akustische Modell, im Folgenden Akustik-Repräsentation genannt, zu definieren.

Bild 2 Detaillierte 3D-Darstellung eines Arbeitsplatzes (links) und die Akustik-Repräsentation mit vereinfachter Geometrie (rechts).

In Bild 2 ist beispielhaft ein Arbeitsplatz bestehend aus Schreibtisch, Stuhl, Tischblende und Rollcontainer und die zugehörige Akustik-Repräsenta­tion dargestellt.

Im Folgenden wird davon ausgegangen, dass die Betrachtung der Absorption in Oktavbandbreite erfolgt. Wie in ISO 11654 [2; 3] beschrieben, werden Oktavbandwerte durch den arith­metischen Mittelwert aus jeweils den drei Terzwerten in der Oktave ermittelt. Im Rahmen des vorgeschlagenen Verfahrens wird dieses Vorgehen auch für die Absorptionsflächen angewendet.

Geometrie in raumakustischen Simulations­programmen

Alle akustisch relevanten Möbel und weitere Einrichtung­selemente sind als Quader oder Kombinationen aus mehreren Quadern anzulegen. Alternativ kann jede Seite eines Quaders auch als Einzelfläche angeordnet werden. Die Abmessungen der Quader sollten sich an den tatsächlichen Abmessungen der repräsentierten Objekte (Möbel, Einrichtungsgegenstände) orientieren. Die geometrische Ausdehnung sollte jedoch auch bei flachen bzw. dünnen Elementen, wie z. B. Tischen, Tischaufsätzen oder Stellwänden, immer der realen Abmessung ent­sprechen.

Oftmals werden Teile eines Möbels mit akustisch wirksamen bzw. schallabsorbierenden Materialien ausgestattet, während andere Flächen eher schallhart sind. Beispiele dafür sind Stellwände, die mit unterschiedlichen Paneltypen bestückt werden können oder Schränke mit nur teilweise akustisch wirksamen Fronten und/oder Rückwänden. Es ist daher in der Regel sinnvoll, das vereinfachte Modell der Akustik-Repräsentation so aufzubauen, dass akustisch wirksame Bereiche von schallharten Bereichen getrennt sind und jeweils eigenständige Flächen angelegt werden. Diesen Flächen können dann verschiedene Materialien mit unterschiedlichen Werten des Schallabsorptionsgrads zugewiesen werden. Alternativ kann ein Quader modelliert werden und die akustisch wirksame Fläche als zusätzlicher Quader an der entsprechenden Stelle vorgesetzt werden.

Schallabsorptionsgrad a_Obj

Das nachfolgend beschriebene Vorgehen wird angewendet, wenn das Einzelobjekt aus Materialen mit ähnlichen Absorp­tionseigenschaften besteht (z. B. „schallharter“ Schrank aus Holz oder Metall) oder wenn deutliche Unterschiede in den Absorptionseigenschaften messtechnisch nicht erfasst werden können. Beispielsweise sind bei einem Stuhl mit gepolsterter Sitzfläche und Lehne sowie Sitzunterseite und Lehnenrückseite aus Kunststoff die unterschiedlichen Schallabsorptionsgrade von Polster und Kunststoff in der Regel nicht separat ermittelbar.

Eine Messung im Hallraum liefert die Schallabsorptionsfläche A_obj bezogen auf das Objekt. Der mittlere Schallabsorptionsgrad _Obj aller dem Schallfeld ausgesetzten Flächen der Akustik- Repräsentation berechnet sich wie folgt:

mit S_E der dem Schallfeld ausgesetzten Oberfläche des Objekts in der Akustik-Repräsentation.

Beispiel Stuhl

Der in Bild 3 dargestellte Stuhl wird durch zwei flache Quader in der Akustik-Repräsentation nachgebildet. Die Gesamtober­fläche beträgt S_E = 0,81 m².

Bild 3 Detaillierte 3D-Darstellung eines Bürostuhls (links) und seine Akustik-Repräsentation (rechts, alle Ab­messungen in m).

In Bild 4 ist die gemessene Absorp­tionsfläche A_Obj und der daraus ermittelte Schallabsorptionsgrad _Obj dargestellt.

Bild 4 Schallabsorptionsfläche AObj (links) und Schallabsorptionsgrad Obj (rechts) für den Stuhl aus Bild 3.

 

Bild 5 Detaillierte 3D-Darstellung eines Schranks mit Akustik-Front (links) und dessen Akustik-Repräsentation (rechts), bestehend aus einem Quader für den Korpus und einem 1 cm dünnen Quader für die Akustik-Front an der Schrankvorderseite.

 

Schallabsorptionsgrad a_Ka verschiedener Komponenten eines Objekts

Voraussetzung für die Bestimmung des Schallabsorptions­grades einer einzelnen (schallabsorbierenden) Komponente K_ des Einzelobjekts ist die Austauschbarkeit dieser Komponente. Die Ermittlung des Schallabsorptionsgrads der Komponente K_ erfolgt anhand eines Vergleichs der Schallabsorptionsfläche des Objekts A_Obj,K0  ohne die oder mit abgedeckter schallabsorbierender Komponente und der Schallabsorptionsfläche A_Obj,K mit der schallabsorbierenden Komponente. Der Schallabsorptionsgrad, der der Komponente K_ zugewiesen wird, lässt sich dann wie folgt bestimmen:

mit der Fläche S_E,K der getauschten Komponente des Einzel­objekts. Hierbei wird davon ausgegangen, dass die Flächengröße der ausgetauschten Komponente (nicht absorbierend bzw. absorbierend) gleich bleibt. Der Schallabsorptionsgrad _Obj,K0 wird aus der äquivalenten Schallabsorptionsfläche A_Obj des Objekts ohne die schallabsorbierende Komponente ermittelt.

Beispiel Schrank mit Akustikfront

Eine prinzipielle Darstellung eines Schranks mit Akustikfront ist in Bild 5 dargestellt. Die Abmessungen des Schranks sind: – Breite: 0,8 m,

• Tiefe:   0,46 m,
• Höhe: 1,09 m.

Hieraus ergibt sich eine Gesamtoberfläche von S_E = 3,11 m², die Größe der Akustik-Front beträgt entsprechend S_E,K = 0,87 m².

Bild 6 Schallabsorptionsfläche AObj und Schallabsorptionsgrad Obj für den Schrank aus Bild 5.

In Bild 6 sind die im Hallraum gemessenen Schallabsorptionsflächen des Schranks ohne und mit Akustikfront dargestellt. In der rechten Grafik ist der zugehörige Absorptionsgrad für die Komponenten des Objekts dargestellt. Die absorbierende Front zeigt einen deutlich höhere Absorptionsgrad (a_Obj,K) als der Rest des Schrankkorpus (a_Obj,K0).

Fazit und Ausblick

Bei dem in diesem Beitrag vorgeschlagenen Absorptionsgrad _obj bzw. _Obj,K handelt es sich um eine (derzeit noch) nicht normativ gefasste Größe, die allerdings vielfach in der Praxis verwendet wird. Immer wenn für nicht-flächige Schallabsorber 3D-Computermodelle zur Simulation verwendet werden, ist eine derartige Festlegung von vereinfachter Geometrie und zugehörigen Werten für den objektbezogenen Schallabsorptionsgrad notwendig.

Hersteller und Händler von Büroausstattungen haben in­zwischen begonnen, akustisch wirksame Produkte mithilfe von _obj bzw. _KA zu beschreiben, um so eine effiziente Übernahme aus entsprechenden Computerprogrammen zur Raumplanung [4; 5] in Raumakustiksimulationsprogramme [6] zu ermög­lichen.