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Akustischer Komfort bei besonderen Grundrissen
Grenzen vereinfachter Nachweise

Vereinfachte Rechenverfahren zum Nachweis der raumakustischen Qualität gehen stets vom diffusen Schallfeld aus. Diese Grundannahme ist aber bei besonderen Raumgrundrissen und asymmetrischer Anordnung von absorbierenden Materialen nicht immer gegeben. Das kann dazu führen, dass die Nachweise nach den vereinfachten Methoden zu falschen Ergebnissen führen und unbefriedigende Raumakustik gegeben ist. Dies trifft nicht nur auf Konzertsäle oder große Veranstaltungsräume zu. Es zeigt sich, dass hier auch typische Bürosituationen oder besonders gestaltete Besprechungsräume betroffen sein können.

Bauphysik Schallschutz & Akustik Messung & Monitoring

Raumakustische Nachweise nach ÖNORM

Die arbeitsrechtlichen bzw. gesetzlichen Anforderungen zur Raumakustik sind in Österreich in ÖNorm 8115-3 geregelt. Diese legt Anforderung für Räume fest, in denen eine gute Hörsamkeit (z.B. Hörsäle, Schulklassen) erreicht oder die Lärmentwicklung (z.B. Kindergarten, Produktionsstätten) verringert werden soll.

Die ÖNorm kennt hierfür lediglich zwei raumakustische Parameter; die Nachhallzeit T sowie den mittleren Schallabsorptionsgrad αm. Die ÖNorm legt jedoch keine Berechnungsmethode für den Nachweis der Nachhallzeit fest. Vereinfachend wird oftmals die Formel von SABINE herangezogen und in einfachen Tabellenkalkulationen die Nachhallzeit in Abhängigkeit der Oktavbandfrequenzen berechnet. Nicht berücksichtigt werden dabei die Geometrie des Raumes selbst bzw. die Anordnung der schallabsorbierenden Oberflächen. Die ÖNorm weist daher korrekterweise darauf hin, dass die Formel von SABINE nur dann herangezogen werden darf, wenn im Raum eine ausreichende Diffusität vorhanden ist [1] und dass die schallabsorbierenden Maßnahmen möglichst gleichmäßig im Raum verteilt werden sollten.

Grenzen vereinfachter Berechnungsmodelle

Typischerweise kommen raumakustische Maßnahmen an der Decke zur Anwendung. Darüber hinaus wird allenfalls noch ein Teppichboden verlegt. Absorber an Wänden werden aufgrund des erhöhten Aufwandes oft vermieden.

Diese ungleichmäßige Verteilung der Absorber wie auch allenfalls besondere geometrische Situationen z.B. besonders lange und schlanke Räume oder Räume mit gebogenen Oberflächen führen dazu, dass das übliche Rechenverfahren nach SABINE dem Grunde nach nicht mehr anwendbar ist und detailliertere Rechenverfahren anzuwenden sind.

Bei einer Simulation der Nachhallzeit mittels Spiegelschallquellenverfahren sowie der Schallteilchenmethode (z.B. CATT-Acoustic [2]) werden sowohl raumgeometrische Effekte als auch die tatsächliche Anordnung der Absorber berücksichtigt. Unterschiede zu vereinfachten Berechnungsverfahren ergeben sich vor allem daraus, dass nun der Weg bzw. die Zeit berücksichtigt wird, bis Absorption an Oberflächen stattfindet und auch die Verteilung des Schalldruckfeldes aufgrund von Reflexion, Streuung und Absorption im Raum berechnet wird.

Neben den grundlegenden Kenngrößen der Raumakustik wie Nachhallzeit oder mittlerer Schallabsorptionsgrad können so weiterführende wichtige Maßzahlen zur Sprachverständlichkeit oder zum Raumklang wie EDT, STI, Deutlichkeitmaß oder Diffusität ermittelt werden.

Beispiel Großraumbüro

Schon bei einfachen Geometrien zeigen sich die Grenzen vereinfachter Berechnung nach SABINE. Bei fehlender Diffusität ergeben sich gravierende Abweichungen in der berechneten Nachhallzeit. Das Zusammenspiel von besonderer Raumgeometrie und ungleichmäßige Anordnung von Schallabsorptionsflächen kann dazu führen, dass vereinfachte Rechenverfahren völlig versagen können.

Als Beispiel sei ein typisches Großraumbüro (ohne Einrichtung) angeführt. Der Raum mit den Abmessungen 24 x 12 x 3 m soll mit akustisch hoch schallabsorbierender Decke ausgeführt werden.

Gemäß SABINE wäre eine Nachhallzeit T = 0,42 s zu erwarten. Die rechtlichen Anforderungen (T < 0,7 s) sind scheinbar nachgewiesen. Tatsächlich liegt die Nachhallzeit aber bei T = 1,31 s und damit deutlich außerhalb der geforderten Qualitäten.

Besondere Geometrien

Zu völlig unzureichenden Schlussfolgerung führen vereinfachte akustische Berechnung dann, wenn spezielle Geometrien und asymmetrische Absorberanordnung zusammen treffen.

Hier zeigen sich nicht nur Abweichungen in der Berechnung der Nachhallzeit, sondern es treten auch mitunter unangenehme und unerwartete raumakustische Effekte auf, die Sprachverständlichkeit, Deutlichkeit oder Klarheit negativ beeinflussen können.

Ein besonderes Beispiel stellt ein jüngst in unserem Team bearbeiteter, kreisrunder Konferenzraum (Abb. 2) dar. Durch die konkav gekrümmte Fassade ergeben Fokussierungseffekte, welche sich besonders ungünstig für den akustischen Komfort im Raum auswirken.

Die aus der Nutzung und dem Raumvolumen abgeleitete anzustrebende Nachhallzeit ergibt sich zu T = 0,62 s [1]. Bei einer reinen akustischen Aktivierung der Decke könnte über die Formel von SABINE eine mittler Nachhallzeit von T = 0,163*294/80 = 0,60 s  erreicht werden. Die Anforderungen an die Nachallzeit wären somit erfüllt.

Wie mit einer detaillierteren Berechnung mittels CATT-Acoustic unter Berücksichtigung der Lage und Beschaffenheit der Oberflächen im Raum gezeigt werden kann, ergibt sich tatsächlich eine etwa doppelt so hohe Nachhallzeit von T = 1,14 s (Abb. 3).

Die Abweichung der Nachhallzeit ist durch die Mehrfachreflexionen an den schallharten Fensterflächen gegeben. Die Decke ist aufgrund der vorhandenen Raumhöhe und die fehlende Streuung in der Vertikalen für die Schallabsorption und die Reduktion der Nachhallzeit erst spät wirksam.

Dieser Effekt spiegelt sich auch in der Auswertung des Deutlichkeitsmaßes D50 wider. Als Zielwert für akzeptable Sprachverständlichkeit sollte ein Deutlichkeitsmaß D50 > 0,0 erreicht werden.

Es zeigt sich, dass bereits bei geringen Abständen vom Sprecher (Abb. 4) ein zu geringes Deutlichkeitsmaß D50 erreicht wird. Die Kommunikation im Konferenzraum ist damit deutlich beeinträchtigt.

Alternative Maßnahmen zur Verbesserung

Um den Anforderungen zu entsprechen und ein akustisch vertretbare Situation zu erreichen, sind jedenfalls zusätzliche raumakustisch wirksame Maßnahmen erforderlich. Die Möglichkeiten, die Schallabsorption vor Fensterflächen über die Materialwahl zu verbessern sind gering. Es böten sich z.B. Lösungen mit gespannten, transparenten und akustisch wirksamen Folien oder auch schwere Lamellenstore an. Beide Varianten sind aber im gegenständlichen Fall aus gestalterische Gründen nicht erwünscht.

Alternativ können die wichtigen raumakustischen Eigenschaften (Nachhallzeit und D50) durch eine Anpassung der Geometrie verbessert werden, ohne dass zusätzliche Absorber eingebracht werden. Dies kann durch die gezielte Steuerung der Reflexionen zur Effizienzsteigerung der vorhandenen Akustikflächen erfolgen.

Im gegenständlichen Fall kann die Fensterfassade schlicht leicht nach außen geneigt (vgl. Abb. 5) werden. Dadurch wird die erste Reflexion an der Wand auf die absorbierende Decke gelenkt und deren Wirksamkeit deutlich verbessert.

Bereits mit geringen Neigungswinkeln (etwa 6°) kann die Nachhallzeit bei nahezu gleichbleibender schallabsorbierender Fläche an der Decke maßgeblich reduziert werden; außerdem wird ein deutlich diffuseres Schallfeld im Raum erreicht. Nun liegt die tatsächlich erreichbare Nachhallzeit im Bereich einer vereinfachten Berechnung nach SABINE (vgl. Abb. 6).

Bessere Verständlichkeit durch verbesserte Raumakustik

Mit der Absenkung der Nachhallzeit kann auch eine verbesserte Sprachverständlichkeit erreicht werden. In Abbildung 7 ist das Deutlichkeitsmaß D50 für die angepasste Geometrie dargestellt. Hier zeigt sich eine deutliche Verbesserung im Vergleich zu der ursprünglichen Variante, ohne dass zusätzliche schallabsorbierende Flächen vorgesehen wurden. Späte Reflexionen, welche als störend empfunden werden, werden durch die geneigten Flächen und Absorption an der Decke effizient vermieden. Das mittlere Deutlichkeitsmaß liegt bei dieser Variante bei D50 = 4,24 [-]. Dies ist mit einer sehr guten Verständlichkeit gleichzusetzen. Es ist zu erwähnen, dass die geometrische Maßnahme in Summe sogar effizienter ist, als die Alternative über die Gestaltung der Oberflächen mit zusätzlichen schallabsorbierenden Elementen.

Zusammenfassung

Das vereinfachte Nachweisverfahren für die Beurteilung der Raumakustik nach SABINE ist oftmals nicht anwendbar, da die geforderten Bedingungen einer ausreichenden Diffusität nicht gegeben sind. Dies kann auch schon bei typischen Büroräumen der Fall sein.

Besonders bei geometrisch sehr charakteristischen Räumen, wie zB konkav gekrümmten Wänden, werden raumakustische Eigenschaften falsch eingeschätzt. Hier sollte jedenfalls auf ein detaillierteres Rechenverfahren zurückgegriffen werden. Über zusätzliche raumakustische Parameter können zudem genauere Aussagen über die zu erwartende Verständlichkeit und Deutlichkeit oder die zu erwartenden Schalldruckpegel im Raum getroffen werden.

Quellen

[1] ÖNorm 8115-3 2005.12.01 – Schallschutz und Raumakustik im Hochbau, Teil 3: Raumakustik

[2] CATT-Acoustic v9.1a

Abb. 1: Vergleich der ermittelten Nachhallzeiten mittels vereinfachten Rechenverfahren und Simulation. Aufgrund der ungleichmäßigen Verteilung der Absorptionsmaßnahmen sind die Grundlagen für die Anwendung des vereinfachten Rechenverfahrens nicht gegeben. Es führt daher auch zu falschen Berechnungsergebnissen.
Abb. 2: Konferenzraum (A ~ 84 m²) mit kreisrundem Grundriss, umseitig Verglast, Raumhöhe = 3,5 m, Decke akustisch belegt. Die Markierungen zeigen die Sprecherposition (rot) sowie ausgewerteten Empfangspositionen (blau) an.
Abb. 3: Optimale Nachhallzeit nach ÖNorm 8115-3, Nachhallzeit nach Sabine und Nachhallzeit unter Berücksichtigung der tatsächlichen Oberflächeneigenschaften und Raumgeometrie mittels CATT-Acoustic
Abb. 4: Grafische Darstellung des Deutlichkeitsmaßes D50 auf einer Höhe von 1,2 m, Fokussierung an gegenüberliegender Stelle des Sprechers erkennbar, Durchschnittlich liegt das Deutlichkeitsmaß bei D50 = -1,01
Abb. 5: Konferenzraum mit kreisrundem Grundriss, umseitig Verglast, Raumhöhe = 3,5 m, Decke akustisch belegt, Fassade 6° nach außen geneigt. Die Markierungen zeigen die Sprecherposition (rot) sowie ausgewerteten Empfangspositionen (blau) an.
Abb. 6: Optimale Nachhallzeit nach ÖNorm 8115-3, Nachhallzeit nach Sabine und Nachhallzeit unter Berücksichtigung der tatsächlichen Oberflächeneigenschaften und Raumgeometrie mittels CATT-Acoustic. (Abnahme der Nachhallzeit nach SABINE aufgrund der größeren Deckenflächen wegen dem Schrägstellen der Außenwände)
Abb. 6: Optimale Nachhallzeit nach ÖNorm 8115-3, Nachhallzeit nach Sabine und Nachhallzeit unter Berücksichtigung der tatsächlichen Oberflächeneigenschaften und Raumgeometrie mittels CATT-Acoustic. (Abnahme der Nachhallzeit nach SABINE aufgrund der größeren Deckenflächen wegen dem Schrägstellen der Außenwände)