Akustik und Lärmschutz: Intensität, Wahrnehmung und Dämmung

Schallintensität und Dezibel-Skala

Per Definition existiert zwischen zwei Schallintensitäten ein Unterschied von einem Bel (B), wenn ihr Verhältnis 10 beträgt. Wenn Intensitäten mit einer Referenzintensität verglichen werden, definiert die Anzahl der Dezibel (dB) für jede Intensität ihren Pegel auf einer logarithmischen Skala. Der Null-Pegel (0 dB) entspricht dabei der Referenzintensität.

Dieser Null-Pegel ist in der Regel so gewählt, dass er der durchschnittlichen menschlichen Hörschwelle bei 1000 Hz entspricht.

Schallempfindung und Lautheit (Phon)

Die Größe der Empfindung eines Tones hängt von der Intensität und der Frequenz der akustischen Welle ab. Die menschliche Empfindlichkeit ist im mittleren Frequenzbereich erhöht.

Die Kurven gleicher Lautheit (Isophone), die die akustische Intensität in Abhängigkeit von der Frequenz darstellen, bilden die Grundlage der physiologischen Akustik. Sie dienten zur Entwicklung verschiedener Bewertungskurven (Weighting Curves), um die Lautstärke in Abhängigkeit von der Frequenz zu gewichten.

Die A-Bewertungskurve (Kurve A) ist international zur Bewertung komplexer Geräusche akzeptiert. Bei der Messung mit einem Schallpegelmesser, der auf Kurve A eingestellt ist, wird der Schallintensitätswert direkt in dB(A) ausgegeben. Die dB(A)-Skala wird als einfache Bewertungsmethode geschätzt, da sie der menschlichen Hörempfindung bei Musik, Sprache und Umgebungsgeräuschen (Verkehr, Haushaltsgeräte) am nächsten kommt. Sie ermöglicht zudem einfachere Berechnungen bezüglich des Materialverhaltens gegenüber Lärm.

Verkehrslärmquellen

Verkehrslärm wird in verschiedene Kategorien unterteilt, die jeweils spezifische Mess- und Bewertungsverfahren erfordern:

Straßenverkehrslärm

Straßenverkehrslärm hat einen zufälligen Charakter, da er sich aus den Beiträgen mobiler Lärmquellen zusammensetzt. Zur Charakterisierung muss der energetische Aspekt berücksichtigt und die Schwankungen über die Zeit bewertet werden. Dies erfordert eine statistische Behandlung, um globale Parameter festzulegen. Ein weiterer wichtiger Faktor ist die Konfiguration der Umgebung (z. B. Bebauung), welche die Schallausbreitung und die Eigenschaften des Schallfeldes beeinflusst.

Fluglärm

Fluglärm erfordert spezielle Maßeinheiten, die das spezifische Spektrum und den Pegel des erzeugten Lärms sowie die Anzahl der Flüge zu bestimmten Tages- und Nachtzeiten berücksichtigen. Obwohl er in dB gemessen werden kann, existieren spezifische Kennzahlen zur Bewertung der Belästigung durch Flugzeuge.

Bahnlärm

Bahnlärm wird im Wesentlichen durch zwei Faktoren bestimmt: den Lärm der Fahrzeuge selbst und die Verkehrsfrequenz innerhalb eines bestimmten Zeitraums. Die Hauptquellen sind das Rad-Schiene-System und das Antriebssystem der Schienenfahrzeuge. Im Innenraum der Züge müssen auch zusätzliche Einrichtungen berücksichtigt werden.

Lärmquellen in Gebäuden und Anlagen

Lärm durch Gebäudetechnik und kommunale Einrichtungen

Zu den Hauptlärmquellen in Gebäuden zählen:

• Heizungsanlagen
• Hydraulische Anlagen
• Lüftungs- und Klimaanlagen
• Aufzüge
• Müllschluckanlagen
• Beleuchtungssysteme

Heizungsanlagen

Kessel und Brenner erzeugen Luft- und Körperschall, der Pegel zwischen 70 und 90 dB erreichen kann. Zur zentralen Heizungsanlage gehört die Umwälzpumpe, die Geräuschemissionen von bis zu 90 dB verursachen kann. Dieser Lärm wird über die Rohre und die darin zirkulierende Flüssigkeit in die Gebäudestruktur übertragen.

Die Rohre sind der bevorzugte Übertragungsweg für Geräusche, die im Kessel, Brenner oder der Umwälzpumpe entstehen. Sie können jedoch auch selbst Lärmquellen darstellen, verursacht durch turbulente Strömungsverhältnisse aufgrund hoher Flüssigkeitsgeschwindigkeiten, schlechter Netzgestaltung (z. B. T- oder X-Verzweigungen) oder Querschnittsveränderungen. Die direkte Schallabstrahlung der Rohre ist gering, aber ihre Verbindung zu den Wänden kann zu erheblichen Lärmpegeln führen. Heizkörper sind kleinere Lärmquellen, selbst wenn sie entlüftet werden. Lärmquellen entstehen im Kesselraum und in den Rohrleitungen.

Hydraulische Anlagen

Lärmquellen in hydraulischen Anlagen umfassen Umwälzpumpen, Rohrleitungen, Zu- und Abwasserleitungen, Armaturen sowie das Befüllen oder Entleeren von Behältern oder Speichern.

Armaturen (Wasserhähne) sind eine wichtige Lärmquelle aufgrund von Kavitationserscheinungen, wobei die Lautstärke mit dem Druck und der Geschwindigkeit zunimmt. Das abrupte Schließen einer Armatur kann zum sogenannten Druckstoß (Wasserschlag) führen. Dessen Beseitigung wird durch den Einsatz von Ausdehnungselementen in den Rohrleitungen erreicht. Zusätzlich zum Auslassgeräusch kann das Befüllen von Wasserbehältern Lärmpegel von bis zu 75 dB erreichen.

Lüftungsanlagen

Lüftungssysteme stellen einen einfachen Übertragungsweg für Luftschall zwischen Räumen sowie für die Emission von Geräuschen nach außen dar. Bei gängigen Lüftungsschächten, insbesondere in der Nähe kleiner Fenster und Öffnungen, wird zur Erhöhung der akustischen Trennung eine labyrinthartige Anordnung empfohlen. Ein rechtwinkliges Umlenkstück (Ellbogen) bietet eine mittlere Dämpfung in der Größenordnung von 3 dB.

Klimaanlagen

Klimakanäle begünstigen die Ausbreitung von Lärm und Vibrationen, die von Verdichtern und Ventilatoren erzeugt werden. Sie dienen auch als Übertragungsweg für Umgebungsgeräusche zwischen verschiedenen Gehäusen oder Räumen. Der Luftaustritt durch Öffnungen ist eine zusätzliche Lärmquelle, die ein optimiertes Design erfordert, begünstigt durch eine Reduzierung der Strömungsgeschwindigkeit der Luft. Angestrebte Lärmpegel liegen oft bei 40 dB.

Die Schallausbreitung über diese Kanäle wird durch die Beschichtung der Innenflächen mit absorbierendem Material reduziert.

Aufzüge

Der Hauptlärm entsteht im Maschinenraum und muss dort isoliert werden. Weitere Lärmquellen sind das Öffnen und Schließen der Türen sowie das Gleiten der Kabine. Der Aufzugschacht ist ein Hohlraum, dessen Resonanzeffekt durch eine absorbierende, feuerhemmende Beschichtung reduziert werden kann.

Müllschluckanlagen (Abfallentsorgung)

Müllschluckanlagen sind eine sporadische Quelle für Luft- und Körperschall. Im Inneren können Pegel von bis zu 80 dB erreicht werden. Die Schächte müssen von der Gebäudestruktur isoliert werden; es ist ratsam, sie in einem separaten Schacht zu führen. Wenn Metallrohre verwendet werden, ist es unerlässlich, die Außenseite mit Harz oder anderen Schwingungsdämpfern zu behandeln. Die Einwurftüren müssen mit elastischen Gelenken und Dichtungen von der Struktur isoliert werden.

Beleuchtungssysteme

Lärmquellen sind:

• Leuchtstoffröhren und Vorschaltgeräte: Diese erzeugen diskrete Frequenzen und können störenden Lärm verursachen (typischerweise nicht mehr als 60 dB).
• Schalter und Relais: Diese dienen zum Schalten der Beleuchtung in Treppenhäusern und Fluren (Timer). Sie haben einen impulsiven Charakter und können maximal 75 dB erreichen.

Zur Reduzierung dieser Geräusche ist eine Montage erforderlich, die durch feuerbeständigen, absorbierenden Kunststoff unterstützt wird.

Lärm durch private und Haushaltsgeräte

Dieser Abschnitt behandelt Lärmquellen, die typischerweise von Nutzern in Wohnungen oder Büros betrieben werden, einschließlich elektrischer Geräte und Audiowiedergabe.

Haushaltsgeräte

Typische Lärmpegel von Haushaltsgeräten:

• Waschmaschinen, Mixer, Staubsauger: ca. 70 dB
• Kühlschränke: ca. 35 dB
• Geschirrspüler: ca. 90 dB

Bei Waschmaschinen und Geschirrspülern wird der Lärm oft über die Aufstellflächen und das Abwasser übertragen.

Elektrische Heizkörper

Elektrische Heizkörper können durch mechanische Systeme Resonanzlärm erzeugen. Sie sind besonders problematisch aufgrund der dominanten diskreten Frequenzen. Wenn sie an Wänden montiert sind, können ähnliche Übertragungssituationen wie bei Rohrleitungen auftreten.

Klimageräte (Fenster- oder Wandmontage)

Diese Geräte werden oft an Fenstern oder Wänden installiert. Es muss unbedingt vermieden werden, dass die maximale Leistung direkt auf die Gebäudestruktur übertragen wird. Eine elastische Lagerung oder eine isolierte Unterbringung in einem separaten Gehäuse ist ratsam.

Audiogeräte und Musikinstrumente

Bei Musikinstrumenten, wie dem Klavier, ist eine Lärmminderung notwendig, da sie einen wichtigen Teil ihrer Energie über die Stützen an die Gebäudestruktur übertragen können.

Aufgrund ihrer Auswirkungen auf die Beziehungen in der Gemeinschaft sind bei der Installation und Wartung von Geräten und Instrumenten in einem Gebäude die Einhaltung der Ruhezeiten und entsprechende akustische Maßnahmen von großer Bedeutung.

Lärm durch menschliche Aktivitäten

Dieser Lärm wird durch die Nutzung und Belegung des Gebäudes durch Personen erzeugt:

• Fußgängergeräusche (Trittschall): Körperschall, reich an tiefen Frequenzen (ca. 55 dB).
• Spiele von Kindern
• Personenverkehr in Transitbereichen (Übertragung über die Struktur)
• Möbelrücken: ca. 65 dB
• Bedienung von Jalousien: ca. 70 dB
• Gespräche: ca. 70 dB

Akustische Absorption und Dämmmaterialien

Grundlagen der Schallabsorption

Akustische Absorption beschreibt den Prozess der Entnahme von Energie aus dem Schallfeld. Dies geschieht durch zwei mechanische Phänomene: Resonanz und die Umwandlung von Schallenergie in Wärme durch Reibung.

Die meisten Absorptionsmaterialien weisen Eigenschaften auf, bei denen eines dieser Phänomene dominiert. Man unterscheidet grundsätzlich zwischen Resonanzabsorbern und Reibungsabsorbern (porösen Materialien).

Der Absorptionskoeffizient ist das Verhältnis der absorbierten Energie zur einfallenden Energie und ist frequenzabhängig.

Lärmminderung durch Absorption

Die gesamte Absorption eines Raumes wird durch den mittleren Absorptionskoeffizienten bestimmt. Die äquivalente Absorptionsfläche wird in Sabine-Einheiten gemessen.

Absorption ist eine logische Ergänzung zur akustischen Isolierung (Schalldämmung), da sie den Geräuschpegel im Innenraum reduziert, indem sie die Energie der Emission absorbiert. Die maximale Geräuschreduzierung durch Absorption beträgt typischerweise 10 dB, wird aber in den meisten Fällen nicht erreicht (normale Reduzierungen liegen bei 2–4 dB, selten über 5 dB).

Diese Reduzierung ist wichtig als Ergänzung und insbesondere zur Verkürzung der Nachhallzeit eines Raumes. Die Nachhallzeit ist die Zeit, die vergeht, nachdem die Schallquelle verstummt ist, bis die Schallintensität um 60 dB abgefallen ist.

Typen von Absorptionsmaterialien

Resonanzabsorber

Resonanzabsorber haben eine ausgeprägte Wirkung in einem bestimmten Frequenzband, das um ihre Resonanzfrequenz liegt. Man unterscheidet zwei Grundtypen:

1. Membran-Resonator: Besteht aus leichten Holz-, Kunststoff- oder Metallplatten, die so montiert sind, dass ein Luftpolster zwischen ihnen und der tragenden Wand entsteht.
2. Helmholtz-Resonator: Besteht aus einem Hohlraum, der über Löcher oder Schlitze mit dem Raum verbunden ist.

Die Hohlräume können ganz oder teilweise mit porösem Material gefüllt werden, wenn Sie das wirksame Frequenzband erweitern wollen.

Poröse Materialien (Reibungsabsorber)

Diese Materialien bestehen aus gebundenen Spänen oder Fasern, die Lücken aufweisen und ihnen ihre poröse Struktur verleihen. Auch expandierte Materialien können diesen gleichgestellt werden. Die Absorption erfolgt durch die Umwandlung mechanischer Energie in Wärme, verursacht durch die Reibung der Luft an den Oberflächen des Materials.

Körperschallminderung und Schwingungsisolierung

Die Isolierung einer Maschine oder Anlage von der Gebäudestruktur wird als Feder-Masse-Schwingsystem betrachtet. Das Verhalten dieses Systems wird im Wesentlichen durch seine Resonanzfrequenz bestimmt, wodurch zwei Bereiche mit unterschiedlichem Verhalten definiert werden:

1. Isolationsbereich: Bei Anregungsfrequenzen, die deutlich über der Resonanzfrequenz des Systems liegen (typischerweise wenn das Verhältnis der Anregungsfrequenz zur Resonanzfrequenz größer als √2 ist), dämpft das System die Übertragung von Vibrationen.
2. Resonanzbereich: Bei Anregungsfrequenzen nahe oder unter der Resonanzfrequenz wird die Übertragung nicht nur nicht gedämpft, sondern sogar verstärkt.

Die Übertragung kann durch eine Reduzierung der Resonanzfrequenz und einen geeigneten Dämpfungsfaktor reduziert werden. Die statische Durchbiegung des Dämmmaterials unter der Last der Quelle dient als Maßstab zur Beurteilung der Resonanzfrequenz.

Die elastische Lagerung muss so gewählt werden, dass sie eine effektive Schadensbegrenzung ermöglicht. Als Faustregel sollte die Resonanzfrequenz des Systems gleich oder kleiner als ein Drittel der niedrigsten Anregungsfrequenz gewählt werden.

Der Dämpfungsfaktor sollte so gering wie möglich gehalten werden (z. B. bei Metallfedern), es sei denn, die Quellen weisen ausgeprägte intermittierende Betriebsregime auf (z. B. Motoren). In diesem Fall sollte der Dämpfungsfaktor so hoch wie möglich gewählt werden, um Resonanzspitzen beim An- und Ausschalten zu minimieren.