Schallabsorber und Schalldämpfer

Die Lärmbelastung des Menschen steigt kontinuierlich an. Besonders der Verkehrslärm nimmt, auch in den bereits hoch entwickelten Ländern, um 0.2 bis 0.3 dB(A) pro Jahr zu, obgleich strengere Anforderungen die Emissions-Pegel L_W von Pkw, Krafträdern bzw. Lkw in Europa in den vergangenen 20 Jahren im Mittel um etwa 6,9 bzw. 12 dB(A) gesenkt haben.

Aus dem Emissions-Schallleistungs-Pegel L_W einer Quelle Q, den man unter Freifeld-Bedingungen nach DIN 45 635-1984 bzw. ISO 3745-2003 bestimmen kann, lässt sich der Immissions-Schalldruck-Pegel L in ihrer Nachbarschaft (im Freien), hier freilich nur schematisch, beschreiben durch:

Trifft eine Schallwelle mit der Schallleistung P_i, dem Schalldruck p_i, der Schallschnelle v_i und Frequenz f auf ein gegenüber ihrer Wellenlänge λ großes Hindernis, so wird sie teilweise reflektiert (P_r) (u. U. auch gebeugt und gestreut), durchgelassen (P_t), als Körperschall fortgeleitet (P_f), aber auch absorbiert (P_a), mit

P _i =P _r +P _t +P _f +P _a .

Die nach Anwendungsbreite und Marktvolumen weitaus größte und wichtigste Gruppe von Schall-Absorbern folgt dem Prinzip, den Schallwellen bei ihrem Auftreffen nach Abb. 3.1 einen möglichst geringen Widerstand W entgegenzusetzen.

In Kap. 4 ging es einleitend – darin der historischen Entwicklung folgend – um die passiven Absorber. Entsprechend ihrer im Markt dominierenden Präsenz nehmen sie in allen zitierten Standard-Darstellungen von Schallabsorbern und -dämpfern den weitaus größten Raum ein. Im Zusammenhang mit der als Rieselschutz üblichen Abdeckung von Faser-Absorbern mit Folien als vorgesetzte luftundurchlässige Schichten sollte deren Masse nach Gl. (4.11) eine gewisse Grenze nicht überschreiten, um den Schalleintritt in das poröse Material als dem eigentlichen Absorber möglichst wenig zu behindern. In Abschn. 6.2 wird beschrieben, wie mit nur teilweiser, z. B. streifenförmiger, massefreier Abdeckung eines hinter den so gebildeten Eintrittsschlitzen dicht gepackten porösen oder faserigen Materials sehr breitbandig wirksame Absorber für mittlere Frequenzen geschaffen werden können. Im Folgenden werden reaktive Absorber behandelt, die dem Schallfeld eine undurchlässige Schicht entgegensetzen, deren flächenbezogene Masse m'' nicht klein, sondern groß gegenüber der in der auftreffenden Welle mitbewegten Luftmasse nach Gl. (3.2) ist. Eine solche Masse kann mit dem Schallfeld reagieren, wenn sie als Teil eines Resonanzsystems anregbar gemacht wird.

In Abschn. 4.1 ist das Verhalten von Loch- oder Schlitzplatten als vorgesetzte schalldurchlässige Schichten für den Sicht- oder Berührungsschutz diskutiert worden. Dort sollte die effektive Plattendicke t_eff bzw. das Lochflächen-Verhältnis σ nach (4.12) bestimmte Grenzen nicht über- bzw. unterschreiten, um den Schalleintritt in das poröse Material als dem eigentlichen Absorber möglichst wenig zu behindern. Anhand konventioneller und innovativer Platten-Resonatoren wurde in Kap. 5 gezeigt, wie auch mit schweren Stahlplatten abgedeckte Schichten durch Resonanz-Mechanismen zu sehr breitbandigen Absorbern werden.

Die vorstehend behandelten passiven und reaktiven Schallabsorber und Schalldämpfer dienen seit langem dem Lärmschutz und der akustischen Behaglichkeit. Mit den Verbundplatten-Resonatoren in Abschn. 5.3, den Membran-Absorbern in Abschn. 6.3 sowie den Rohr-Schalldämpfern in Abschn. 7.3 wurden auch bereits einige neuartige Varianten vorgestellt, die eine besonders hohe und breitbandige Wirksamkeit bei tiefen Frequenzen aufzuweisen haben und faserfrei aufgebaut werden können. In den Medien erregt daneben die „Aktive Lärmminderung“, auch als „Antischall“-Maßnahme tituliert, immer wieder großes Interesse. Weil diese aber einen sehr hohen elektronischen Aufwand erfordert, blieb ihr praktischer Einsatz bisher auf wenige Sonderfälle, wie z. B. die Kopfhörer von Hubschrauber-Piloten, beschränkt. Hier soll dagegen ein relativ einfach funktionierendes Prinzip zur aktiven Unterstützung reaktiv wirksamer Absorber vorgestellt werden, das sich bereits als hochwirksame Schalldämpfereinheit für kompakte Klimageräte und an Heizungsanlagen in großer Stückzahl dauerhaft besonders bei tiefen und mittleren Frequenzen bewährt hat.

Im Vorangegangenen wurde zunächst in Kap. 4 ein Überblick gegeben über alle klassischen Materialien für und Bauformen von Schall-Absorbern. Diese bestehen überwiegend aus den verschiedensten faserigen/porösen Stoffen, die sich Luftschallwellen gegenüber passiv verhalten. Allerdings rücken heute diverse Resonatoren immer mehr in den Vordergrund, die mit dem sie anregenden Schallfeld auf sehr unterschiedliche Weise reagieren (Kap. 5–8). Ob letztere nun materiell mit Platten, Folien oder Membranen (Kap. 6 und 8) oder nur mit unterschiedlich ausgeformten Luftvolumina (Kap. 7 und 8) zum Mitschwingen veranlasst werden: Auch deren Wirksamkeit kann (mit Ausnahme nur des Membran-Absorbers) durch das Anbringen bzw. Einbringen einer kleineren oder größeren Menge akustischen Dämpfungsmaterials aktiviert bzw. optimiert werden. Im folgenden Kapitel geht es um Absorber, die grundsätzlich ganz ohne Dämpfungsmaterialien eine relativ breitbandige Wirkung entfalten. Die Idee für die Nutzung der Reibung in kleinen Löchern und Schlitzen zur Absorption von Schallenergie ist viel älter als der Einsatz von extrem dünnen Mineralfasern in zunächst vergleichsweise groben Strukturen für den gleichen Zweck und geht ursprünglich auf russische Arbeiten von Rschevkin et al. 1941, 1959 sowie Veliszhanina 1951 zurück. Aber dem Altmeister der chinesischen Akustiker, Maa 1975, war die Theorie zu verdanken, nach welcher vor nunmehr 16 Jahren der Einsatz des ersten Mikroperforierten Absorbers MPA in einem spektakulären raumakustischen Sanierungsfall gelang, s. Fuchs et al. 1993. Inzwischen sind neben diesem transparenten Acrylglas-Absorber eine ganze Familie faserfreier Akustik-Bauteile aus diversen Metallen, Kunststoffen, Holz und in jüngster Zeit sogar aus Flachglas entwickelt worden.

In den Kapiteln 11 bis 13 geht es darum, die praktische Anwendung konventioneller wie innovativer Akustik-Elemente in 3 ausgewählten Arbeitsbereichen exemplarisch darzustellen. Für die Auslegung und den Bau von Schalldämpfern (Kap. 13) wird ein detailliertes, aber einfach handhabbares Rechenprogramm zugrunde gelegt, welches dem Berater oder/und Planer lufttechnischer Anlagen bei der Erfüllung der jeweiligen, natürlich stets frequenzabhängigen Emissions- oder Immissionsanforderungen nach den allgemein und strikt geltenden Normen und Richtlinien die nötige Sicherheit gibt. Auch das komplexe Simulationsprogramm für Freifeldräume (Kap. 12) zielt zusammen mit einem innovativen Auslegungsund Auskleidungskonzept auf die akribische Einhaltung der von den einschlägigen internationalen Standards vorgegebenen, sehr engen Toleranzen, wiederum selbstverständlich frequenzabhängig und auf Bruchteile eines dB genau.

In der Einleitung wurde bereits auf die immer noch wachsende Bedeutung der Verkehrsgeräusche als der mit Abstand stärksten Lärmbelastung hingewiesen (vgl. Abb. 1.1). Moll 2005 schließt in seiner Rezension der ersten Auflage dieses Buches daran die interessante Frage an: „Wo sind die meisten Akustiker beschäftigt? Als Inhaber oder Angestellte in Akustik-Ingenieurbüros? In Lehre und Forschung? In der Bauindustrie? Bei Immissionsschutzbehörden? Weit gefehlt. Die Antwort lautet: in der Automobilindustrie. Alle bedeutenden Automobilhersteller beschäftigen Hunderte von Akustikfachleuten, um die Geräuschemission der Fahrzeuge nach den geltenden Richtlinien und Normen zu begrenzen und als „sound designer“ dem Autokäufer ein Produkt zu liefern, welches ihm nicht die Freude am Fahren vergällt, sondern im Gegenteil sie in allen Fahr- und Bediensituationen steigert. So hat z. B. der japanische Hersteller Mazda seinerzeit bei der Entwicklung des MX-5-Roadsters eine ganze Wagenladung verschiedener Ansaugkrümmer ausprobiert, um je nach gewählter Leistung dem Fahrer den richtigen Sound zu bieten: sanft schnurrend wie ein Kätzchen oder wild brüllend wie ein Löwe. Die technisch und physikalisch anspruchsvollen Entwicklungen verlangen aber ausgefeilte Prüfeinrichtungen, natürlich zuallererst zur Minimierung der Lärmemission, aber auch zur Optimierung der Innengeräusche.“

In den Kapiteln 4 bis 10 wurden Schall absorbierende Bauteile hinsichtlich ihrer

a) akustischen Wirksamkeit,

b) mechanischen Belastbarkeit und

c) optischen Erscheinung

in zahlreichen Ausformungen und in Verbindung mit anderen Funktionen beschrieben. Bei ihrer Installation in geschlossenen Räumen (s. Kap. 11 und 12) spielt der mit a) eng zusammen hängende Raumbedarf, insbesondere für tiefe Frequenzen, bereits eine große Rolle, weil er auf die Rohbaukosten der Gebäude einen direkten Einfluss hat. Die Haltbarkeit b) empfindlicher poröser/faseriger Dämpfungsmaterialien lässt sich hier durch akustisch transparente Abdeckungen und Verkleidungen nach Bedarf erhöhen. Die Eigenschaften a) und b) gewinnen zusammen eine um ein Vielfaches höhere Bedeutung, wenn Schallabsorber als Auskleidungen oder/und Kulissen in Kanäle eingebaut werden, in denen sie einer starken turbulenten Umströmung eines u. U. auch chemisch aggressiven Fluids und vielleicht zusätzlich noch Erschütterungen ausgesetzt sind. Wenn das Strömungsmedium Schwebteile, z. B. Reststäube, mit sich führt, besteht außerdem die Gefahr, dass Ablagerungen an solchen Schalldämpfern ihre Wirksamkeit a) mindern. Hier bieten „verhautete“ Materialien (vgl. Abschn. 4.2), aber besonders die reaktiven, rundum „versiegelten“ Metall-Kassetten nach Abschn. 6.3 und 10.6 eindeutige Vorteile. Die beiden Letztgenannten können, ebenso wie der „gesinterte“ Glasschaum nach Abschn. 4.3, auch sehr hohen Temperaturen im Kanal standhalten.