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Bessere Dämpfung akustischer Raummoden durch abstimmbare Helmholtz-Resonatoren

05.06.2013

In bestimmten Frequenzbereichen ist die Dämpfung störender Schallwellen mit herkömmlichen Absorbern nicht möglich. Mit einem Optimierungsverfahren lassen sich unter Einsatz feinabgestimmter Resonatoren, die entsprechend dimensioniert und im Raum positioniert werden, verschiedene Dämpfungswirkungen erzielen.

Problemstellung

Raummoden bestimmen das Schallübertragungsverhalten in kleinen Räumen, bei denen die Wellenlänge des Luftschalls in der Größenordnung der Wandabstände liegt. Dies äußert sich in starken Veränderungen des Frequenzgangs der Schallübertragung zwischen einer Schallquelle (z.B. einem Lautsprecher) und einem Schallempfänger wie dem menschlichen Ohr. Diese Störung ist zudem sowohl vom Ort der Schallquelle als auch vom Empfangsort abhängig und kann sich in einer Erhöhung oder Verminderung des Schalldrucks bei den Resonanzfrequenzen äußern. 

Lösung

Da Schall bei Frequenzen unter 100 Hz nicht mit gewöhnlichen Schallabsorbern gedämpft werden kann, wurde untersucht, welche Möglichkeiten sich durch den Einsatz von Helmholtz-Resonatoren ergeben. Solche Resonatoren können bei Abstimmung auf eine der Raumresonanzen und geeigneter Positionierung im Raum an die betreffende Raummode angekoppelt werden und bei optimaler Dimensionierung zu einem deutlich verbesserten Schallübertragungsfrequenzgang führen. Da über ein entsprechendes Optimierungsverfahren in der Fachliteratur bisher keine Aussagen gemacht wurden, sind entsprechende Berechnungen im Rahmen einer Diplomarbeit durchgeführt und an realen Räumen verifiziert worden.

Anwendungen

Anwendungen finden sich in vielen Bereichen wie bei der Lautsprecherbeschallung in Tonregieräumen, in der raum- und bauakustischen Messtechnik oder bei Tonaufnahmen in kleinen Studios. Besonders dann, wenn parallel stehende harte Wände mit einer der Resonanzfrequenzen beschallt werden, bilden sich die so genannten stehenden Wellen aus, wobei ganzzahlige Vielfache der halben Wellenlänge λ/2 genau zwischen die beiden parallelen Wände passen.  Zwischen den lokalen Schalldruckmaxima ergeben sich Orte, an denen der Schalldruck dieser Frequenz minimal wird, die so genannten Schalldruckknoten. Diese Orte zeichnen sich außerdem dadurch aus, dass eine Schallquelle hier bei der entsprechenden Resonanzfrequenz kaum Schall abstrahlen kann.

Wirkung der Resonatoren

Durch den Einsatz abstimmbarer Resonatoren lassen sich - je nach Optimierungskriterium - drei verschiedene Wirkungen erzielen:

  1. Eine Überhöhung des Frequenzganges der Schallübertragung kann auf ein Minimum reduziert werden.
  2. Ein einzelnes störendes tonales Geräusch (Beispiele: Transformatorbrummen, Lüftergeräusch) im Raum kann, wenn dessen Frequenz genau mit einer Resonanz des Raumes übereinstimmt, unangenehm verstärkt in Erscheinung treten. Ein abgestimmter Resonator mit hoher Güte kann diesen Ton selektiv stark dämpfen, ohne die akustischen Eigenschaften des Raumes bei anderen Frequenzen zu beinträchtigen. Pegelverringerungen von mehr als 30 dB konnten nachgewiesen werden.
  3. Das Ein- und Ausschwingverhaltens eines Tones bei der Raumresonanzfrequenz kann deutlich verkürzt werden. Die Wirkung dieser Maßnahmen ist umso stärker, je höher die Güte der ungedämpften Raummode ist.

Die praktische Realisierung der optimalen Abstimmung wird durch einen speziellen Mechanismus ermöglicht, bei dem die Resonanzfrequenz und die Dämpfung des Helmholtz-Resonators weitgehend unabhängig voneinander eingestellt werden können.

Durch Messungen in einem Messraum der Bauakustik bei der tiefsten Resonanzfrequenz von 38 Hz konnten die theoretischen Werte aller drei Kriterien verifiziert werden.

(Hör-)Beispiel: Dämpfung einer Resonanz im Treppenhaus des neuen Gästehauses der PTB.

Beim Schließen der unteren Tür des Treppenhauses wird eine Raumresonanz von 38,5 Hz angeregt, die bis zu 7 s lang deutlich hörbar nachklingt. Durch einen abgestimmten und optimal gedämpften Resonator ist es gelungen, den Nachklingvorgang bei dieser Frequenz auf ein nicht mehr wahrnehmbares Minimum zu reduzieren. Durch Vergleich der Türgeräusche ohne und mit Resonator in einem Klangbeispiel kann die Wirkung auralisiert d.h. hörbar gemacht werden. Hierzu empfiehlt sich die Verwendung eines Kopfhörers mit guter Tieftonwiedergabe.

Bild 1: Berechnete Schalldruckverteilung bei 38,5 Hz im Treppenhaus ohne Resonator in einem bestimmten Moment, rot: positiver Schalldruck, blau: negativ.

Ansprechpartner:

Ingolf Bork, FB 1.6, AG 1.63, E-Mail: ingolf.bork@ptb.de