Bauakustische Konzepte

25. August 2017
Planung
Raumakustik
Theorie

Um Räume akustisch möglichst effektiv voneinander zu trennen gibt es zwei Maßnahmen, nämlich:

  1. Räume mechanisch voneinander entkoppeln
  2. Masse, Masse, Masse! („Viel hilft viel.“)

Ziel ist es also Körper- auch Luftschallbrücken zu vermeiden bzw. aktiv zu verhindern. Außerdem gilt es viel Masse in das System zu bringen.

Raum-in-Raum

Die populärste Möglichkeit Räume mechanisch voneinander zu entkoppeln ist das Prinzip der Raum-in-Raum-Konstruktion (RiR). Dieses Prinzip ist bei nahezu allen Studios Standard. Dabei baut man in einen bestehenden Raum ein weiteren Raum hinein. Ein solcher Raum hat dann jeweils zwei Wände zu allen Seiten, zwei Decken und zwei Böden. Zwischen diesen Doppelwänden ist jeweils ein Lufteinschluss. Die Wände dürfen sich nicht berühren. Den Boden entkoppelt man, indem man ihn auf einem speziellen gummi-ähnlichem Material stehen lässt (z.B. Sylomer). Das Material wird bei idealer Belastung (also bei einer ganz bestimmten Aufpresskraft) ideal zusammengepresst und lässt den Raum „schwimmen“. Vibrationen im Raum werden somit in diesem Material gedämpft und nicht als Körperschall weitergegeben.

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Dieses Prinzip ist deshalb so effektiv, weil Schall bei Medienübergängen Energie verliert. Bei einer normalen Wand muss der Schall von Luft in Festkörper (Wand) und wieder in Luft übergehen. Bei einer Raum-in-Raum-Wand muss der Schall die Luft-Wand-Luft-Wand-Luft überwinden. Also zwei Medienübergänge mehr. Wie ein Blitz bei einem Gewitter sucht sich auch der Schall den einfachsten Weg. Gibt es also an einer einzigen Stelle eine feste mechanische Verbindung der beiden Schalen, wird der Schall eben diese ausnutzen und sämtliche Entkopplungsmaßnahmen für den Rest des Raums werden hinfällig.

Eine Wand einer solchen RiR-Konstruktion nennt sich ‚leaf‘; zu Deutsch ‚Schale‘. Die Standard-RiR-Konstruktion ist demnach ein ‚two-leaf-system‘. Es gibt jedoch auch Systeme mit drei, vier oder mehr leaves. Wichtig ist hier, dass eine normale Trockenbauwand mit Metalprofilen oder mit Holzständerwerk, welche von beiden Seiten beplankt ist, bereits ein (schlechtes) 2-leaf-system ist. Zwar sind die beiden Massen über das Ständerwerk mechanisch verbunden, also nicht entkoppelt, allerdings befindet sich auch eine nicht unwesentliche Menge an Luft in den Zwischenräumen des Ständerwerks. Diese Zwischenräume sind idR. mit Dämmmaterial wie Stein- oder Glaswolle gefüllt. Physikalisch verhält sich dieser Zwischenraum jedoch wie die Feder und beide Beplankungsseiten können schwingen. Anders verhält sich eine massive Stein- oder Betonwand. Hier gibt es keinen Zwischenraum, der als Feder agieren kann. Sie ist ein 1-leaf-system.

Jetzt kommt jedoch ein Fakt, der schwer zu verdauen ist: Eine 3-leaf-RiR-Konstruktion ist… schlechter. Ja, tatsächlich schlechter. Schlechter als eine 2-leaf-RiR-Konstruktion, obwohl es mehr Medienübergänge für den Schall gibt und mehr Masse im System ist.

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Bild: Von links nach rechts: 2, 3, 4 und 2 leaf System mit verschiedenen Massen
STC (sound transmission coefficient): Je größer der Wert desto besser dämmt das System

Der Grund dafür liegt am zugrundeliegenden Masse-Feder-Masse-Prinzip. Das Prinzip „Viel hilft viel.“ ist also mit Vorsicht zu genießen.

Masse-Feder-Masse

Durch die RiR-Konstruktion ergeben sich jeweils Wandpaare mit Luftzwischenräumen dazwischen. Die Wände fungieren als Massen, die Luft als Feder. Erzeugter Schall trifft auf eine Wand und regt diese zum schwingen an. Diese wiederum regt die Luftmasse dahinter an. Diese wiederum die Wand dahinter. Das ergibt ein System, welches auf verschiedene Frequenzen unterschiedlich reagiert: Ein MSM-System (von Englisch mass-spring-mass). Dieses System besitzt eine Resonanzfrequenz, also eine Frequenz, bei der sie maximal angeregt wird und ideal schwingt. Im Bereich der Eigenfrequenz verhält sich das Wandsystem akustisch transparent und lässt Schall ungedämpft durch. Oberhalb des Doppelten dieser Resonanzfrequenz fängt die Wand an gut zu isolieren. Ziel ist daher diese Resonanzfrequenz so tief wie möglich zu setzen. Dazu muss man die Massen und Feder entsprechend dimensionieren.

1-leaf-System

Zunächst der einfache Fall: Eine einfache Wand, also ein 1-leaf-System. Es gilt folgender Zusammenhang im Bezug auf den Übertragungsverlust bzw. die Durchgangsdämpfung TL (transmission loss):

\\TL = 14,5 \cdot log \cdot (M \cdot 0,205) + 23 \text{dB} \\ \\M: \text{ Flaechenbezogene Masse in } kg/m^2

Man sieht: Je größer die Masse desto höher ist die Durchgangsdämpfung.

2-leaf-System

Für ein 2-leaf-system (zweischalig) gilt folgender Zusammenhang für die Resonanzfrequenz des Systems:

\\ f_0 = c \cdot ( \frac{m_1 + m_2}{m_1 \cdot m_2 \cdot d} )^{0,5}

\\ c=\begin{cases}43 \text{ falls Zwischenraum leer} \\60 \text{ falls Zwischenraum mit Daemmmaterial gefuellt} \end{cases} \\ \\m_1: \text{ Masse der ersten Schale in }kg/m^2 \\m_2: \text{ Masse der zweiten Schale in }kg/m^2 \\d: \text{ Abstand der Massen bzw. Tiefe des Zwischenraums}

Man sieht: Je höher die Massen und je größer der Wandabstand desto tiefer ist die Frequenz. Bei der Resonanzfrequenz verhält sich das System akustisch transparent. Unterhalb und im Bereich der Resonanzfrequenz f0 isoliert die Wand schlecht. Anhand dieses Zusammenhangs wird klar, dass es ineffektiv ist eine Masse groß und eine klein zu dimensionieren. Für eine feste Menge an Masse ist eine Gleichverteilung auf beide Wände ideal.

Bei dem Doppelten der Resonanzfrequenz beginnt das System gut zu isolieren:

\\f_{iso} = 2 \cdot f_0

Bei diesem System ist es essentiell, dass die jeweiligen Schalen absolut hermetisch (=luftdicht) abgedichtet werden. Jegliches Loch oder Stelle mit weniger Masse als Rest ist fatal. Am Ende funktioniert dieses Prinzip nämlich nur genau so gut wie die größte Schwachstelle im System. Bereits ein kleines Loch kann enorme Auswirkungen auf die Effektivität der bauakustischen Maßnahmen haben.

MSM-Berechnung

Anhand der oben gezeigten Werte lassen sich jetzt Dämmeigenschaften eines MSM-Systems für drei verschiedene Frequenzbänder berechnen:

\\ R=\begin{cases}20 \cdot log(f(m_2 + m_2 )) - 47 \text{ fuer } f<f_0 \\R_1 + R_2 + 20 \cdot log(f \cdot d) - 29 \text{ fuer } f_0<f<f_1\\R_1 + R_2 + 6 \text{ fuer } f>f_1\\\end{cases}

Dabei ist:

\\ f_1 = \frac{55}{d}

Und R1 und R2 sind die Durchgangsdämpfungen für innere und äußere Schale nach Berechnung für 1-leaf-Systeme (siehe oben).

Inside-Out

Bei klassischer Holzständerbauweise würden wir bei normalen beidseitigen beplankten Trockenbauwänden bei einer RiR-Konstruktion bereits 4 Schalen (4-leaf-System) erhalten. Da diese sich aber akustisch wesentlich schlechter verhalten (siehe oben), ist es sinnvoll jeweils eine Schale, also die Beplankung auf einer Seite, wegzulassen, um insgesamt auf ein effektiveres 2-leaf-System zu kommen. Es gibt die äußerst beliebte Methode solche einfach beplankten Wände „falschherum“ zu verwenden, also so, dass die beplankte Seite nach außen zeigt und man vom Inneren des Raums später auf eine offene Wand mit dem Ständerwerk und der Dämmwolle schauen würde.

Dieses Konzept nennt sich „inside out“ und wurde von John Sayers entwickelt und hat einen ganz gravierenden Vorteil. Wie bereits in einem vorherigen Post geschrieben, gibt es viele Bereiche, die andere Bereiche bedingen beim Studiodesign. So greifen wir auch hier etwas voraus und betrachten neben der Schallisolation auch schon die Raumakustik. Mit konventionellen Wänden würden wir einen luftdichten Raum mit schallharten Oberflächen zu allen Wänden erhalten. Die Schallisolation wäre hoch, die Akustik aber unausgeglichen und reflexionsreich, also hallig. Gegenmaßnahmen wie Absorber, Bass Traps oder Resonatoren müssten dann auf diesen Wänden angebracht werden. Wir würden erneut Platz im Raum verlieren. Beim inside-out-Prinzip können wir die offene Wand bereits in seiner Tiefe (=Balkenstärke) nutzen. Allein wenn wir die Wände später erst einmal mit Stoff bespannen würden, wäre der Raum im Bezug auf die Nachhallzeit schon wesentlich besser behandelt als mit schallharten Oberflächen von konventionellen Wänden. Und das ohne Platz im Innenraum zu verlieren. Außerdem bieten die offenen Wände mit den Balken eine bessere bauliche Grundlage für später zu installierende Objekte als z.B. eine Gipskartonoberfläche.


veröffentlicht am 25. August 2017