Schallabsorber und Schalldämpfer: Innovative akustische Konzepte und Bauteile mit praktischen Anwendungen in konkreten Beispielen

608 Pages·2010·24.66 MB·German

by  Helmut Fuchs (auth.)

Schallabsorber und Schalldämpfer
Helmut V. Fuchs
Schallabsorber
und Schalldämpfer
Innovative akustische Konzepte und Bauteile
mit praktischen Anwendungen
in konkreten Beispielen
3., wesentlich erweiterte und aktualisierte Auflage
123
Prof.Dr.-Ing.HelmutV.Fuchs
Terrassenstraße21C
14129Berlin
Deutschland
[email protected]
ISBN978-3-642-01412-3 e-ISBN978-3-642-01413-0
DOI10.1007/978-3-642-01413-0
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Vorwort
Keine Disziplin der angewandten Ingenieurwissenschaften dient so vielen Lebens-,
Arbeits-, Wohn- und Freizeitbereichen wie die Akustik. Und kaum eine Maßnahme
zum technischen Schallschutz oder zur Behaglichkeit des Menschen kommt ohne
Absorber der einen oder anderen Art in Wänden, Räumen oder Kanälen aus – eine
ständige Herausforderung für Forscher, Entwickler und Hersteller. Dieses Buch
will den aktuellen Stand von Wissen und Technik bei Luftschall-Absorbern für die
unterschiedlichsten Anforderungen und Anwendungen darstellen.
Geräusch-Emissionen sind eine lästige Begleiterscheinung fast aller technischen
Errungenschaften des Menschen. Lärmbekämpfung an Maschinen und Anlagen
gehört deshalb zu den notwendigen Übeln, denen man sich als Produzent oder
Verursacher zu widmen hat. Da Geräuscharmut aber i. a. nicht zu den hervorste-
chenden Qualitätsmerkmalen eines Gerätes gehört, verursachen schalltechnische
Maßnahmen zwar häufig erhebliche Kosten, bringen jedoch nur selten entspre-
chenden Mehrerlös. Auch bei der bau- und raumakustischen Gestaltung von Ge-
bäuden sehen Architekten und Bauherren nur selten einen triftigen Grund für pla-
nerische Zugeständnisse oder auch nur geringfügigen Mehraufwand. Entsprechend
gering ist daher üblicherweise die Wertschätzung derjenigen Ingenieure, die sich
mit der Minderung des Lärms oder der Erhöhung der akustischen Behaglichkeit
beschäftigen. Die Akustik gilt gerade dort als „brotlose Kunst“, wo sie wissen-
schaftlich an vorderster Front betrieben wird. Besonders wenn sie, wie in vielen
neuen Fakultäten der Hochschulen, als eine scheinbar unproduktive Fachdisziplin
des Umweltschutzes auftritt, wird sie von manchen als gerade noch förderungs-
würdig, von vielen aber als entbehrlich angesehen. Nur wenige vermuten hier
Chancen für umwälzende Innovationen oder gar lukrative neue Technologien, die
Arbeitsplätze erhalten oder gar schaffen könnten.
Es mag daher verwundern, dass sich eine Abteilung für Technische Akustik
und Raumakustik des Fraunhofer IBP überwiegend nicht mit öffentlicher, sondern
mit industrieller Unterstützung über 25 Jahre aufbauen und finanzieren ließ. Dies
wurde möglich, weil man sich nicht damit begnügte, ein akustisches Problem einer
wissenschaftlichen Klärung näher zu bringen, durch Analysen und Versuchsreihen
v
vi Vorwort
eine grundsätzliche Lösung aufzuzeigen, im Labor einen Prototypen auf die Beine
zu stellen und beim Patentamt etwas anzumelden, es im Übrigen aber bei ein-
drucksvollen Veröffentlichungen in der einen oder anderen Form zu belassen, so
als wäre es Sache anderer, vielleicht weniger ingeniöser „Techniker“, die neuen
Erkenntnisse als Produkt auf dem Markt praktisch umzusetzen. Nach diesem auch
von Akustikern weltweit favorisierten Modell B in Tabelle 1 landen leider unzäh-
lige „Halbfabrikate“ in Zeitschriften und Büchern, wie im Museum für unverkäuf-
liche Kunstwerke.
Nützlicher können sich Akustiker für Wirtschaft und Industrie machen, wenn
sie ihre Fachkompetenz nach Modell A als diverse Dienstleistungen prüfend, bera-
tend und anderweitig unterstützend bei Bedarf und nach Aufwand dem jeweiligen
Marktteilnehmer anzubieten verstehen. Zu einer echten Kooperation zwischen
Forschung und Entwicklung kommt es auf diesem Wege aber ebenso wenig wie
zur wirklichen Beteiligung an einem Markterfolg. Dagegen favorisierte eine
Gruppe von zeitweilig über 20 Wissenschaftlern, Ingenieuren und Technikern des
IBP das Modell C gemäß Tabelle 1. Man griff akute schalltechnische Probleme
von erheblicher Relevanz und Tragweite auf und erarbeitete innovative Werkzeu-
ge, Materialien und Konzepte zu ihrer Lösung. Erst mit einem exemplarischen
Prototyp und demonstrativen Umsetzungs-Projekten suchte man sich passende
Industrie-Partner und schloss mit ihnen oft langfristige Lizenz-, Know-how- und
Kooperations-Verträge ab.
Nach dem Modell C sind so inzwischen bereits 15 Alternative Faserfreie Ab-
sorber ALFA nach Abb. 1 bis zur Serienreife entwickelt worden. Die neuartigen
Schallabsorber und Schalldämpfer erfüllten offenbar einen dringlichen Bedarf in
einem Markt, der überwiegend von Materialen und Bauteilen beherrscht wird,
deren Konzeption bereits 40 bis 50 Jahre alt ist. Jedenfalls konnte mit ihrer Hilfe,
auch in Zeiten leerer öffentlicher Kassen und eines danieder liegenden Baumark-
tes, einiges zur Bekämpfung der viel beklagten Lärmbelastung des Menschen
erreicht und mehr als 10 Kleinen und Mittleren Unternehmen KMU eine neue
oder zusätzliche Operationsbasis geschaffen werden. 5 oder mehr von ihnen
haben sich mit der für diese KMU sprichwörtlichen Flexibilität und Kreativität
mit neuen und, so gut es eben geht, geschützten Akustik-Bauteilen in ihrer Bran-
che gegenüber konventionellen Anbietern durchgesetzt; einige entwickeln sich
als Innovatoren und Problemlöser zu hidden champions in ihrem jeweiligen
Marktsegment.
Einer raschen Umsetzung der Innovationen standen allerdings oft Normen und
Richtlinien als Abbildung der konventionellen Technologien, aber auch vorherr-
schende Lehrmeinungen im Wege. Auch wurden, für manchen Fachmann wohl
abschreckend, die Neuerungen oft wie etwas den überkommenen faserigen/porösen
Schallabsorbern Entgegengesetztes publiziert. Eine zusammenhängende Darstel-
lung aller schalldämpfenden Prinzipien und Erzeugnisse mit ihren jeweiligen An-
wendungsvorteilen fehlte dagegen lange.
Eine besonders schnelle Umsetzung in die industrielle Praxis gelang mit neuar-
tigen, hoch absorbierenden Auskleidungen für Akustik-Prüfstände in vielen For-
schungs- und Entwicklungslabors der Automobil-Hersteller und -Zulieferer. Das
Vorwort vii
kam nicht überraschend – arbeiten doch hier bei weitem die meisten Akustiker,
und zwar unter größter Wertschätzung des Managements, weil Lärmminderung
und akustischer Komfort (auch unter dem Begriff sound design) in der Kraftfahr-
zeug-Branche tatsächlich einen sehr hohen Stellenwert besitzt.
In der 1. Auflage dieses Werkes (2004) standen daher zunächst die Verbund-
platten-Resonatoren VPR und Breitband-Kompaktabsorber BKA und ihre Integ-
ration in reflexionsarmen Messräumen im Vordergrund. Ihre außerordentliche
Wirksamkeit, bei geringster Bautiefe, brachte sie aber auch in kommunikationsin-
tensiv genutzten Räumen wie z. B. Büros, Schulen, Konferenz- und Musikräumen
immer mehr zum Einsatz. In der 2. Auflage wurden deshalb der Grundlagenteil
vor allem um die große Familie der Mikroperforierten Absorber MPA ergänzt und
ein neuer Anwendungsteil „Raum-Akustik“ als Kap. 11 hinzugefügt.
Aber auch im Bereich der Schalldämpfer ließen sich – immer in enger Koope-
ration mit kompetenten Industriepartnern – besonders zur Verbesserung ihrer
Wirksamkeit bei tiefen Frequenzen und ihrer Beständigkeit gegenüber aggressiven
oder stark verschmutzenden Fluiden viel versprechende Alternativen entwickeln.
So wurden im Grundlagenteil die Ausführungen über Platten-Resonatoren erwei-
tert und zwei Kapitel über Interferenz-Dämpfer bzw. Aktive Resonatoren einge-
fügt. In einem dritten Anwendungsteil (Kap. 13) ging es nun auch um Energie
sparende und Kosten senkende „Kanal-Auskleidungen“ in raumlufttechnischen
und prozesslufttechnischen Anlagen.
Die 3. Auflage fasst die Erfahrungen des Autors aus 40 Jahren Forschung, Leh-
re und Beratung in der angewandten Technischen Akustik zusammen. Leitmotiv
ist dabei weiterhin die Innovation bei der Lösung allgegenwärtiger praktischer
Probleme. Aber nur solche Ideen werden hier als neu propagiert, für die nicht nur
eine Realisierung unter Laborbedingungen (vielleicht mit öffentlicher Förderung)
gelang, sondern eine vorteilhafte Umsetzung in konkreten Projekten. Auch werden
nur solche Prototypen von Akustik-Elementen beschrieben, die (mit entsprechen-
den Schutzrechten ausgestattet) inzwischen zu preiswerten Fabrikaten entwickelt
werden konnten.
Wissenschaftliche Grundlagen werden nur so weit behandelt, wie sie für ratio-
nell-ökologisch denkende Anwender und streng ökonomisch handelnde Umsetzer
unverzichtbar sind, um mit den neuen Erkenntnissen, Maßnahmen und Bauteilen
in der rauen Praxis erfolgreich sein zu können. So wurde z. B. im neuen
Abschn. 12.5 ein Rechenprogramm zur Simulation von Schallfeldern in refle-
xionsarmen Räumen beschrieben, welches die Planung von Akustik-Prüfständen
nach dem neusten Stand der Technik und entsprechend den jeweiligen Kunden-
anforderungen erleichtert und die Abnahmegarantie absichert.
Besonders fruchtbar war in den vergangenen 3 Jahren die Zusammenarbeit mit
einem KMU-Partner, der aus VPR- und BKA-Modulen, die in der 2. Auflage vor
allem als Nachrüst-Elemente für akustisch unzulänglich konditionierte Arbeits-
und Aufenthaltsräume beschrieben wurden, inzwischen komplette Innenausbau-
und Möbel-Systeme entwickelt hat, die den zeitgemäßen ergonomischen und ar-
chitektonischen Anforderungen in modernen Bürowelten optimal angepasst wur-
den, s. Abschn. 11.9. Neue Erkenntnisse wurden aber auch zusammen mit einem
viii Vorwort
erfahrenen Tonmeister in Räumen zur Darbietung, Aufnahme und Wiedergabe
von Sprache und Musik gewonnen, s. Abschn. 11.12.
Fachzeitschriften wie Bauphysik, Lärmbekämpfung, Gesundheits-Ingenieur, Ar-
beitswissenschaft, Acustica, Trockenbau-Akustik, Orchester, Beratende Ingenieure
haben mit vielen diese Entwicklungen begleitenden Veröffentlichungen geholfen,
die Fortschritte bei ihren Lesern bekannt zu machen. Außerdem erhielt der Autor
etliche aufschlussreiche Reaktionen und Kommentare von Fachkollegen, die ihn
ermuntert haben, das ganze Kap. 11 neu zu bearbeiten und durch einige grundsätz-
liche Überlegungen und charakteristische Fallbeispiele zu ergänzen.
Dem im Nachwort zur 2. Auflage begründeten Konzept eines work in progress
will auch diese Auflage wieder gerecht werden. Der Autor möchte dem Verlag
für die Betreuung dieses Werkes bei Konzeption, Satz und Druck danken und
seine Leser wiederum auffordern, ihm ihre kritischen Gedanken dazu nicht vor-
zuenthalten.
Berlin, August 2009 Helmut Fuchs
Vorwort ix

Abb. 1 Alternative Faserfreie Absorber ALFA für die Raumakustik und den Technischen
Schallschutz
x Vorwort
Tabelle 1 Wege zur Umsetzung von Innovationen aus der Forschung in den Markt mit Indus-
triepartnern über Dienstleistungen (DL) und Lizenz-, Know-how- und Kooperationsverträge (LV)
Inhaltsverzeichnis
1 Einführung.............................................................................................. 1
Literatur.................................................................................................... 3
2 Problemschwerpunkt tiefe Frequenzen................................................ 5
Literatur.................................................................................................... 13
3 Schallabsorption für den Lärmschutz
und die raumakustische Gestaltung...................................................... 15
3.1 Verhinderung schädlicher Reflexionen......................................... 17
3.2 Raumakustische Gestaltung.......................................................... 18
3.3 Pegelsenkung im Raum................................................................. 19
3.4 Vermeidung des Lombard-Effektes.............................................. 20
3.5 Herstellung akustischer Transparenz............................................ 21
3.6 Konditionierung akustischer Messräume...................................... 21
3.7 Schutz gegenüber Außenlärm....................................................... 23
3.8 Schalldämpfer in Strömungskanälen............................................. 25
3.9 Kapselung von Maschinen und Anlagen....................................... 26
3.10 Dämpfung von Körperschall......................................................... 27
3.11 Abschirmung ruhiger gegen laute Bereiche.................................. 28
Literatur.................................................................................................... 30
4 Passive Absorber.................................................................................... 31
4.1 Faserige Materialien...................................................................... 34
4.2 Offenporige Schaumstoffe............................................................ 37
4.3 Geblähte Baustoffe........................................................................ 39
Literatur.................................................................................................... 42
5 Platten-Resonatoren............................................................................... 43
5.1 Folien-Absorber............................................................................ 44
5.2 Platten-Schwinger......................................................................... 49
xi