Absorber-varianten

In der Optimierung der Raumakustik spielt die Bedämpfung von Schall eine wichtige Rolle, um einerseits die Nachhallzeit zu kontrollieren, aber auch um beispielsweise Echos zu vermeiden. In den meisten Fällen findet die Bedämpfung in Form von Absorption statt. Sobald Schall in einem mit Luft gefüllten Raum emittiert wird, absorbiert die vorhandene Luft den Schall bereits. In der Praxis ist dieser Effekt jedoch häufig nicht ausreichend, um die gewünschte Akustik zu erzielen. Daher werden häufig zusätzliche Absorber eingesetzt. Am beliebtesten sind dabei die sogenannten porösen Absorber, welche sich insbesondere für den Frequenzbereich zwischen 200Hz und 20.000 Hz eignen. Im niederfrequenten Bereich stehen verschiedene Konzepte zur Auswahl. So können entweder verschiedene Resonatoren (Plattenresonatoren / Helmholtzresonatoren) eingesetzt, der Schall jedoch auch aktiv (Aktive Absorber) unterdrückt werden. In jedem Fall sollen Schallabsorber für eine Verringerung des vorhandenen Schalldruckpegels sorgen.

Poröse Absorber

Poröse Absorber wandeln Schallenergie in kinetische Energie um.

Die beliebteste und auch bekannteste Gruppe bilden die porösen Absorber. Zu dieser Gruppe gehören sämtliche Materialien, die durch ihre poröse Struktur in der Lage sind, Schallenergie in Wärmeenergie umzuwandeln und damit zu absorbieren. So sind beispielsweise das Melaminschaumharz Basotect©, der Akustikschaumstoff Aixfoam oder spezielle Akustikvliese bekannte Vertreter der porösen Schaumstoffe, welche aufgrund ihrer hervorragenden Absorptionseigenschaften häufig eingesetzt werden. Zur Gruppe der porösen Absorber gehören des Weiteren Mineralfaserplatten aus z.B. Glas- oder Steinwolle. Auch Vorhänge, Teppiche, Polstermöbel und sämtliche weiteren Stoffe eignen sich ebenfalls zur Schallabsorption, erreichen aber nicht den Wirkungsgrad der oben genannten Absorber.

 

Poröse Absorption beruht auf dem Wirkungsprinzip, Schallenergie (Summe aus potenzieller- und kinetischer Energie) in Wärmeenergie umzuwandeln. Das geschieht dadurch, dass die um ihre Ruheposition schwingenden Luffteilchen im Absorber aneinander und am Material anstoßen und damit Reibung erzeugen. Diese Reibung wiederum erzeugt Wärme und entzieht den Luftteilchen kinetische Energie. Um diesen Prozess nicht nur an den Randschichten sondern im gesamten Absorbermaterial zu gewährleisten, muss der Strömungswiderstand des Absorbers, abhängig von der Materialstärke, klein genug sein. Gute Werte für den spezifischen Strömungswiderstand liegen zwischen 1 und 3 kPa s/m.

 

Maximale Absorption wird bei maximaler kinetischer Energie der Luftteilchen erzielt. Daher sollten poröse Absorber nach Möglichkeit an Positionen maximaler Schallschnelle eingesetzt werden, da die Teilchen dort das Maximum an kinetischer Energie besitzen. Direkt an einer festen Wand befindet sich immer ein Schalldruckmaximum, da sich die Teilchen dort nicht bewegen können. Aus diesem Grund befindet sich 90° phasenversetzt vor der Wand ein Schallschnellemaximum. Bei einer Schallwelle mit 2.000 Hz befindet sich dieses Maximum kinetischer Energie daher ca. 4,5cm vor der Wand. Daraus ergibt sich auch der hohe Wirkungsgrad, mit dem poröse Schallabsorber hohe Frequenzen absorbieren können. Schließlich kann bereits mit einem sehr dünnen Absorber ein großer Teil der Schallschnelle dieser 2.000 Hz - Schwingung abgedeckt und damit absorbiert werden. Tiefe Frequenzen hingegen benötigen gewaltige Mengen an porösem Material. Die Absorption einer Schallwelle mit beispielsweise 40Hz benötigt bereits einen porösen Absorber mit deutlich mehr als 100cm Stärke.

Resonatoren

Resonatoren werden vornehmlich im Bassbereich eingesetzt und sind dort, im Gegensatz zu porösen Absorbern, in der Lage, gute Absorptionsgrade zu erzielen. Im Folgenden werden die Resonatoren in wichtige Konstruktionsprinzipien unterteilt: Helmholtzresonatoren und Plattenresonatoren. Beide Prinzipien wirken sehr unterschiedlich und finden an verschiedenen Stellen, oft auch in Kombination, ihren Einsatz.

Helmholtzresonatoren

Die nach dem Physiker Hermann von Helmholtz benannten Resonatoren zählen zu den Resonanzabsorbern, da sie auf dem Funktionsprinzip akustischer Resonanz basieren. Diese Resonatoren bestehen aus einem abgeschlossenen Luftvolumen, welches über einen im Verhältnis zum Volumen schmalen Auslass verfügt. Die Resonanzfrequenz des Resonators berechnet sich anhand der Dimensionierung des Auslasses (Durchmesser und Tiefe) sowie aus dem Verhältnis des Luftvolumens dazu. Ein einfaches Beispiel für einen Helmholtzresonator stellt beispielsweise eine Getränkeflasche dar. Der Flaschenhals entspricht dem Auslass und das Luftvolumen in der Flasche dem Resonator. Mit dem Füllegrad der Flasche lässt sich das Verhältnis des internen Resonanzvolumens zum Luftvolumen des Auslasses verändern. Dadurch ändert sich je nach Füllstand der Flasche deren Resonanzfrequenz. Diese kann beispielsweise durch Blasen über den Auslass angeregt werden.

 

Genau wie beim Prinzip der Glasflasche lässt sich der Helmholtzresonator durch externe Schallwellen anregen und schwingt anschließend mit seiner Resonanzfrequenz. Er verhält sich damit wie eine weitere Schallquelle im Raum, da er in seiner Resonanzfrequenz nur eine schwache Dämpfung erfährt und diese daher sowohl mit hohem Schalldruckpegel als auch langem Nachhall abstrahlt. Der Resonator emittiert den Schall jedoch um 90° phasenversetzt zum Originalsignal (bei seiner Resonanzfrequenz), was zu einer destruktiven Interferenz mit diesem und somit einer Abschwächung des Schalldruckpegels führt. Dieses Wirkungsprinzip funktioniert am besten bei sehr tiefen Frequenzen, da bei diesen das vorhandene Schallfeld wellenförmig ist und die vom Resonator emittierten Schallwellen so einen größeren Einfluss haben. Ab dem Bereich der Schröderfrequenz des Raumes ist das Schallfeld im Raum mehr und mehr vom Diffusschall geprägt, wodurch die um 90° phasenversetzten Schallwellen des Resonators an Bedeutung verlieren, da die Schallwellen aufgrund zahlreicher Reflexionen unterschiedliche Richtungsvektoren aufweisen. Am effektivesten arbeiten Helmholtzresonatoren, wenn sie zur Bedämpfung von schmalbandigen Überhöhungen im Bassbereich genutzt werden.

Plattenresonatoren

Die zweite große Gruppe des Resonatoren sind die sogenannten Plattenresonatoren. Sie werden auch als Membranabsorber bezeichnet da sie, im Gegensatz um Helmholtzresonator, eine schwingungsfähige Membran über einem abgeschlossenen Luftvolumen nutzen. Diese Kombination verhält sich wie ein Feder-Masse-System mit Resonanzfrequenz. Diese lässt sich mit Hilfe der Tiefe des Luftvolumens und dem Flächengewicht der eingesetzten Membran einstellen. Entgegen der intuitiven Annahme ist die Fläche der Membran für den Wirkungsgrad nicht von Belang, sofern sie größer als etwa 0,4m² ist und keine der Seiten eine Länge kleiner als 50 cm aufweist. Um den Wirkungsgrad des Resonators zu erhöhen kann zusätzlich Dämmmaterial in Form poröser Absorber in den Plattenresonator eingebracht werden. Dabei ist jedoch darauf zu achten, dass dieses keinesfalls in Kontakt mit der Membran gerät, da ansonsten deren Schwingverhalten bedämpft werden würde, was wiederum zu einem deutlichen Leistungsabfall führt. 

 

Im Bereich der Resonanzfrequenz zeigt der Plattenresonator das stärkste Absorptionsverhalten. Hier schwingt die Membran mit maximalem Hub wodurch das dahinter eingeschlossene Luftvolumen maximal komprimiert bzw. entfaltet wird. Diese Kompression bzw. Ausdehnung verursacht eine starke Reibung der Luftteilchen aneinander wodurch Schallenergie in Wärmeenergie umgewandelt wird. Das zur Verbesserung des Wirkungsgrades eingebrachte Dämmmaterial verstärkt diese Wirkung nochmals deutlich, da die Luftteilchen so einen größeren Strömungswiderstand vorfinden und der Verlust an kinetischer Energie noch größer ausfällt. Allerdings muss bei der Bestimmung der Resonanzfrequenz beachtet werden, dass eingebrachtes Dämmmaterial das Innenvolumen verkleinert und somit die Resonanzfrequenz verschiebt. Da Plattenresonatoren nur wirken können, wenn sich die Membran im Verhältnis zur hinteren Wand des Resonators bewegt, sollte diese erstens selbst sehr steif und zweitens möglichst fest an einer stabilen Wand angebracht werden. Die Montage an der Wand hat zudem den Vorteil, dass sich hier ein Maximum im Schalldruckpegel befindet, sodass der Absorber mit maximaler Wirksamkeit arbeitet. Aufgrund der höheren Güte wirken Plattenresonatoren in einem deutlich breiteren Frequenzbereich als Helmholtzresonatoren. Sie eignen sich speziell für den Frequenzbereich unterhalb von 500 Hz, da Schwingungen mit Frequenzen oberhalb von 500 Hz deutlich effizienter mit reinen porösen Absorbern absorbiert werden können. 

Aktive Absorber

Seit einigen Jahren besteht mit den sogenannten aktiven Absorbern eine weitere Möglichkeit, tieffrequenten Schall effektiv zu absorbieren. Am bekanntesten ist dieses Prinzip in Form der heute bereits gängigen Noise-Cancelling-Kopfhörer. Hier besteht aufgrund des kleinen, abgeschlossenen und somit kontrollierbaren Luftvolumens sogar die Möglichkeit, im mittleren und hohen Frequenzbereich mit aktiven Absorbern zu arbeiten. Aktive Absorber bestehen aus einem Mikrofon, welches den einfallenden Schall aufnimmt und das daraus gewonnene Signal in Echtzeit um 180° phasenversetzt an einen Lautsprecher weiter leitet. Dieser gibt das Signal mit dem Schalldruckpegel des Originalsignals wieder, welches sich dann aufgrund des 180° Versatzes in der Phase mit dem Originalsignal überlagert (durch destruktive Interferenz) und dieses somit in der Theorie komplett auslöscht. In der Praxis wird der Versatz häufig nicht genau 180° betragen oder der Schalldruckpegel nicht genau demjenigen des Originalsignals entsprechen. Daher ist eine 100%-Absorption kaum zu erreichen. Ein Vorteil aktiver Absorber liegt jedoch darin, dass die Phase der Wiedergabe eingestellt werden kann was wiederum eine Möglichkeit bietet, den gewünschten Wirkungsgrad des Absorbers zu justieren.

 

 

In normalen Räumen funktioniert das Wirkungsprinzip der aktiven Absorber, genauso wie bei Helmholtzresonatoren, nur im Frequenzbereich unterhalb der Schröderfrequenz. Oberhalb von dieser Frequenz handelt es sich beim vorliegenden Schallfeld um ein Diffusschallfeld, welches wiederum aufgrund der unterschiedlichen Richtungsvektoren des Schalls der notwendigen destruktiven Interferenz keine Möglichkeiten mehr bietet. Dieses Prinzip wird künftig auch in der Automobilbranche Anwendung finden, da hier die Position des menschlichen Gehörs konstant ist, wodurch sich die destruktive Interferenz relativ einfach erzielen lässt. Dennoch bleiben aktive Absorber zunächst primär ein effektives Mittel im niederfrequenten Bereich.

Fazit

In der Praxis ist häufig die Bedämpfung des fürs menschliche Gehör empfindlichsten Bereichs zwischen 500 Hz und 5 kHz am wichtigsten, weshalb den porösen Absorbern eine große Bedeutung zukommt. Sowohl für die Sprachverständlichkeit, als auch die Musik- bzw. Filmwiedergabe ist die Bedämpfung dieses Bereichs von höchster Priorität, weshalb bei der Akustikoptimierung auf poröse Absorber nicht verzichtet werden kann. Die Bedämpfung des niederfrequenten Bereichs ist primär für Heimkinos bzw. Musikanlagen relevant. Hier sollten zur Bedämpfung einzelner, durch Raummoden verursachter Überhöhungen im Frequenzspektrum Helmholtzresonatoren eingesetzt werden, während der allgemeine Nachhall bzw. breitbandige Überhöhungen im Bassbereich am besten mit Plattenresonatoren bedämpft werden sollten. Aktive Absorption bietet sich aufgrund der aufwendigen Installation in den wenigsten Fällen an. 

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