Schalldämmung
In folgender Abbildung ist der Weg eines Schallstrahles gezeigt. Die Dicke de Schallstrahles symbolisiert seine Intensität. Ausgehend von einer Schallquelle trifft der Schallstrahl auf die Außenwand eines Gebäudes. Durch geeignete Bauakustische Maßnahmen wird seine Intensität verringert. Er trifft auf die gegenüberliegende Wand und wird dort reflektiert. Ein Teil des Schalls geht durch diese Wand hindurch. Aufgrund der absorbierenden Eigenschaften der Bewandung wird ein Teil des Schalles absorbiert. Der restliche Anteil des Schalls wird reflektiert. Dieser Vorgang wiederholt sich an allen Bewandungsflächen. Das durch die verschiedenen Reflexionen an der Bewandung erzeugte Schallfeld wird Diffusfeld genannt. In der Bauakustik wird vor allem die Schalldämmung der Bewandung betrachtet. Eine Person im Raum hört aber nicht nur den direkt von der Schallquelle und durch die Bewandung abgeschwächten Schall, sondern auch die entsprechende Reflexionen.
So können Räume, welche dieselbe Schalldämmung und Geometrie besitzen, deren Bewandung aber unterschiedliche Absorptionseigenschaften haben, im innern völlig unterschiedlich laut sein. Je nachdem, wie stark der Diffusanteil des Schalls im Raum ist. Eine hohe Schalldämmung aller Wände kann sogar zu einer Erhöhung der Lautstärke im innern führen. Die Schalldämmung wirkt nicht nur von außen nach innen, sondern auch von innen nach außen. Wird an der ersten Reflexionsstelle ein großer Anteil des Schalls reflektiert, so steigt damit auch der Diffusanteil des Schalls. Geht hingegen ein großer Teil des Schalls durch die Wand hindurch, steht dieser Anteil der Schallintensität im Raum nicht mehr zur Verfügung. Folge: Es wird leiser weil die Schalldämmung der der Schallquelle gegenüberliegenden Seite Bewandung gering ist. Dieses extrem vereinfachte Beispiel mit einer einzigen Schallquelle, von der nur ein Schallstrahl betrachtet wird, macht deutlich, dass die gesamte Schallsituation, und nicht nur die Schalldämmung der Bewandung betrachtet werden muß, um die gewünschte Ruhe im Raum zu erzielen, sondern auch die raumkustischen Gegebenheiten eine entscheidende Rolle spielen.
Sprachverständlichkeit
Räum sind Begegnungsstädten von Menschen. Wenn Menschen sich begegnen sprechen sie miteinander - Sei es im kleinen Kreis, in einer Konferenz ( bei der alle miteinander sprechen ) oder bei einem Vortrag (bei dem im Wesentlichen einer spricht und die anderen Personen zuhören). Ein Raum, dessen Akustik die gegenseitige Verständigung erschwert, erfüllt eine seiner wesentliche Aufgabe nicht. Wie kommt es nun, dass in manchen Räumen jedes Wort problemlos verstanden wird, und in anderen nur mit größter Konzentration, wenn überhaupt, eine Sprachdarbietung verstanden wird?
Vom Sprecher aus gelangt ein Teil des Schalls direkt zum Hörer (Direktschall). Ein anderer Teil gelangt an die umgebende Bewandung, wird dort mehrfach reflektiert, und gelangt dann erst zu Hörer (Diffusschall). Es entsteht ein Nachhall.
Worte bestehen aus Konsonanten und Vokalen. Konsonanten sind im Vergleich zu Vokalen relativ kurz. Klingen die Vokale zu lange und zu intensiv nach, werden die Konsonanten vom Nachhall der Vokale überdeckt, und die Konsonanten werden nicht mehr verstanden. Bis zu einem gewissen Grad tut das der Sprachverständlichkeit keinen Abbruch. Unser Gehirn ist in der Lage die fehlenden Konsonanten zu ersetzen. Werden ca. 2% der Konsonanten nicht verstanden, so kann unser Gehirn die fehlende Information problemlos ergänzen. Je mehr Konsonanten nicht verstanden werden, desto mehr ist unser Gehirn damit beschäftigt diese zu ergänzen. Es wir immer anstrengender den Sprecher zu verstehen. Unbehagen setzt ein. Das Gehirn ist mit steigendem Konsonantenverlust derart mit dem Ergänzen der Konsonanten beschäftigt, dass seine Kapazität zur inhaltlichen Auseinandersetzung mit dem gesprochenen Text sinkt. Bis 7% Konsonantenverlust kann noch von einer guten Verständlichkeit gesprochen werden. Ab ca. 15% Konsonantenverlust ist das Gehirn nicht mehr in der Lage die fehlenden Konsonanten zu ergänzen.
Der Konsonantenverlust hängt nicht nur von der Nachhallzeit, sondern auch vom Volumen des Raumes, dem Abstand zwischen Sprecher und Hörer, und einigen physikalischen Konstanten ab.
Frequenz
Die Betrachtung der Nachhallzeit hat sich im Laufe der Untersuchungen auf diesem Gebiet als zu grob herausgestellt. Natürlich ist nicht der Mittelwert der Nachhallzeit über den gesamten Hörbereich betrachtet werden, sondern die Nachhallzeit für jedes Frequenzband (in Terzen gegliedert). In erster Linie ist die Nachhallzeit im Bereich der Sprache (ca. 400 Hz bis 10.000 Hz) relevant. Zudem sind noch Verzerrungen der Hörempfindlichkeit in Folge des Verdeckungeffektes zu berücksichtigen. Vor allem lange Nachhallzeiten bei tiefen Frequenzen tragen auch unterhalb von 400 Hz zur Senkung der Sprachverständlichkeit bei.
Entscheidend ist aber auch zu welchem Zeitpunkt die einzelnen Reflexionen mit welcher Intensität eintreffen.
Liegt die Haupanteil der beim Hörer eintreffenden Schallenergie innerhalb der ersten 50 ms nach eintreffen des Direktschalls, so ist das der Sprachverständlichkeit zuträglich. Später eintreffende Reflexionen sind der Sprachverständlichkeit nur dann abträglich, wenn Ihre Gesamtenergie ein gewisses Maß übersteigt. Zur Beurteilung von Räumen für Ihre Eignung hinsichtlich ihrer Sprachübertragungsqualität, wurde das Deutlichkeitsmaß (C50) eingeführt. Dabei werden die in den ersten 50 ms am Hörort eintreffende Schallenergie zur nachfolgenden Schallenergie ins Verhältnis gesetzt. Je mehr Schallenergie innerhalb der ersten 50 ms, und je weniger Schallenergie nach 50 ms zum Hörer gelangt, je höher also das Deutlichkeitsmaß ist, desto besser ist die Sprachverständlichkeit. Mit einem Deutlichkeitsmaß von C50 > 0 werden sehr gute Silbenverständlichkeiten von mehr als 70 % erreicht [Fas]. Für Mehrzweckhallen sollten Werte von 0 bis 4 dB angestrebt werden. [Ahn]
Wie bedeutsam eine befriedigende Sprachverständlichkeit sein kann, zeigt folgendes Beispiel:
Räume in einem frisch renovierten alten Schloß wurden von einem großen Unternehmen mehrere Tage zu Besprechungen angemietet. Bereits nach der Hälfte des ersten Tages waren die (ansonsten Stressresistenten) Teilnehmer zu ermattet, um sich weiter auf ihre Aufgabe zu konzentrieren. Vor Ende des ersten Tages reisten die Teilnehmer ab.
Die Sprachverständlichkeit war zu gering, die Gehirne der Teilnehmer waren weitgehend damit ausgelastet nicht verstandene Konsonanten zu ergänzen. Die Teilnehmer konnten sich nicht mehr auf die Inhalte konzentrieren.
Er ist schwer abzuschätzen, welcher volkswirtschaftlicher Schaden durch eine ungeeignete Raumakustik jährlich entsteht weil sich die Beteiligten nicht entspannt und mit der nötigen Konzentration ihrer Arbeit widmen können. Vernachlässigbar ist er jedenfalls nicht.
Parameter zur Beurteilung der Akustik eines Raumes
Ein allgemein bekanntes Maß zur Beurteilung eines Raumes ist die Nachhallzeit. Zur weitgehend vollständigen Beurteilung reicht dieser Wert bei weitem nicht aus. Um einen Raum zu planen oder zu beurteilen stehen folgende Parameter zur Verfügung:
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Höreindruck |
Kriterium |
Abkürzung |
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Nachhall |
Nachhallzeit |
RT 60 |
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Early-Decay-Time |
EDT |
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Baßratio |
BR |
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Deutlichkeit |
Deutlichkeitsgrad |
D50 |
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Durchsichtigkeit |
Deutlichkeitsmaß |
C50 |
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Schwerpunktzeit |
TS |
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Klarheitsmaß |
C80 |
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Articulationsverlust für Konsonanten |
Alcons |
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Sprachübertragungsindex RApid Speech Transmission Index |
RASTI |
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Speech Transmission Index |
STI |
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Raumeindruck |
Hallmaß |
H |
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Seitenschallgrad |
LF |
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Raumeindrucksmaß |
R |
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Lautstärke |
Schalldruckpegel |
L |
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Stärkemaß |
G |
Um eine angenehme akustische Atmosphäre zu gewährleisten dürfen die psychoakustischen und neuroakustischen Gesichtspunkte nicht außer Acht gelassen werden.
Raumreflexionen
In geschlossenen Räumen bildet sich aufgrund der Wandreflexionen ein diffuses Schallfeld aus. Der Schall erreicht den Zuhörer aus verschiedenen Richtungen. Nachfolgende Abbildung zeigt einen Sprecher nebst Hörer in einem geschlossenen Raum. Neben dem Direktschall (durchgezogen), treffen auf den Zuhörer auch Reflexionen aus dem Raum, (gestrichelt gezeichnet). Da diese Reflexionen unterschiedliche Wege zwischen Sprecher und Zuhörer zurücklegen, kommen sie zu unterschiedlicher Zeit am Hörerort an. Je länger der Weg, desto später kommen die Reflexionen an.
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Schallwellen werden in Luft, vor allem bei hohen Frequenzen, teilweise absorbiert. An den Reflexionsflächen wird für gewöhnlich nicht der gesamte Schall reflektiert, sondern in abgeschwächter Form. Diese an den Reflexionsflächen auftretende Absorption ist frequenzabhängig. Eine Ausnahme bilden sogenannte schallharte Begrenzungsflächen bei denen von einer vollständigen Reflexion über den gesamten Frequenzbereich ausgegangen wird. Durch die Energieverluste des reflektierten Schalls an Reflexionsflächen und in der Luft, kommt es zu einer Pegelminderung des reflektierten Schalls.
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Im Zeitbereich werden daher drei Bereiche unterschieden:
1. Direktschall (WD)
2. Anfangsreflexionen (WI)
3. Nachhallzeit (WR)
Für eine hohe Sprachverständlichkeit sollten die Anfangsreflexionen innerhalb 50 ms nach dem Direktschall am Ohr eintreffen. Später eintreffende erste Reflexionen mindern die Verständlichkeit. Bei Musikdarbietungen tragen Reflexionen, die innerhalb 80 ms nach dem Direktschall am Ohr eintreffen zur sog. Klangfülle bei. Später eintreffende Anfangsreflexionen stören die Durchsichtigkeit der Musikrezeption.
Echogramm
Natürlich sind in der Natur weder diese drei Bereiche, noch die einzelnen Reflexionen so deutlich getrennt, wie in obiger schematischer Darstellung. Abbildung 3 zeigt das Bild einer gemessenen Impulsantwort in einem sogenannten Echogramm. Der Direktschall ist deutlich zu erkennen. Nach zwei ersten Anfangsreflexionen treffen am Hörort erst mal keine weiteren Reflexionen ein. Zwischen ca. 50 ms und 100 ms sind weitere Anfangsreflexionen festzustellen. Der weitere Zeitverlauf zeigt den Nachhall mit einzelnen hervortretenden Reflexionen.
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Was bedeutet das für die Eigenschaften des Raumes bezüglich seiner Verwendbarkeit als Sprech- bzw. Musikdarbietungsraum ?
Für Sprechdarbietungen ist dieser Raum ohne zusätzliche Maßnahmen weitgehend ungeeignet, da innerhalb der ersten 50 ms nach dem Direktschall kaum Schallenergie vorhanden ist, nach 50 ms aber relativ viel Schallenergie am Hörort eintrifft. Für Musikdarbietungen ist der Raum schon geeigneter, da die meisten Reflexionen innerhalb 80 ms nach dem Direktschall beim Hörer eintreffen. Aber auch in diesem Fall fehlt Schallenergie bei ca 30 ms nach dem Dirktschall. Dies wird als relativ „dünner Sound“ empfunden. Dem Ohr fehlen dadurch auch Informationen, die zur Durchsichtigkeit des Klangs beitragen. Um einen Raum mit diesem Echogramm dahingehend akustisch zu verbessern, ist es nötig, durch raumakustische oder elektroakustische Maßnahmen, Reflexionen im Bereich von 30 ms nach dem Direktschall zu erzeugen.
Die Nachhallzeit kann aus diesem Echogramm nicht direkt abgelesen werden und muß daher getrennt gemessen werden.
Deutlichkeit
Zur Beurteilung von Räumen für Ihre Eignung hinsichtlich ihrer Sprachübertragungsqualität, wurde das Deutlichkeitsmaß (C50) eingeführt. Dabei werden die in den ersten 50 ms am Hörort eintreffende Schallenergie zur nachfolgenden Schallenergie ins Verhältnis gesetzt. Je mehr Schallenergie innerhalb der ersten 50 ms, und je weniger Schallenergie nach 50 ms zum Hörer gelangt, je höher also das Deutlichkeitsmaß ist, desto besser ist die Sprachverständlichkeit. Das Deutlichkeitsmaß läßt sich für den statistischen Fall näherungsweise folgendermaßen bestimmen:
Klarheit
Eine große Bedeutung für die Beurteilung der Eignung von Räumen für Musikrezeption besitzt die sog. Durchsichtigkeit, d. h. die Erkennbarkeit zeitlich aufeinander folgender Töne (Zeitdurchsichtigkeit) und die Unterscheidbarkeit gleichzeitig von verschiedenen Instrumenten erzeugter Klänge (Registerdurchsichtigkeit). Als objektiver Wert hierfür dient das Klarheitsmaß (engl.: Clarity: C80). Dabei werden die in den ersten 80 ms nach dem Direktschall eintreffende Schallenergie zu der nach den ersten 80 ms eintreffenden Schallenergie ins Verhältnis gesetzt. Bei polyphoner oder klassischer Musik ist eine etwas größere Durchsichtigkeit erwünscht, als bei romantischer Musik. Für die Wiedergabe von klassischer Musik sind Klarheitsmaße C80 von 2dB bis 6 dB optimal, wobei die geringeren Werte für Musik mit schnelleren Läufen gelten, die eine hohe Durchsichtigkeit erfordern, während große Werte für getragene sowie Chormusik günstiger sind .
Nachhallzeit
Die Nachhallzeit (abgekürzt „RT“: Reverbration Time) ist die wichtigste Größe zur Beurteilung der akustischen Eigenschaften eines Raumes. Sie bezeichnet diejenige Zeit, wie Abbildung 4 veranschaulicht, in der nach Beendigung der Schallabstrahlung in einem Raum der Schalldruckpegel um 60 dB gesunken ist. Die Nachhallzeit ist von der Frequenz abhängig und wird je nach Anwendungszweck für die einzelnen Terzen oder Oktaven angegeben.
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Baßverhältnis
Um den wärmenden Effekt bei tiefen Frequenzen zu quantifizieren, wurde das „Baßverhältnis“ (engl. Baß Ratio: abgekürzt BR) eingeführt. Das Baßverhältnis ist das Verhältnis der Nachhallzeiten der Oktavbänder mit den Mittenfrequenzen bei 125 Hz, 250 Hz, 500 Hz und 1000 Hz.
Hallradius
In der Entfernung des Hallradiuses von der Schallquelle herrscht ein Gleichgewicht zwischen Direktschall und Diffusschall.
Ort von Akustikelementen
Aus der Betrachtung des Reflexionsstrahlen wird Deutlich, daß nicht nur die Gesamtfläche, sondern auch der Ort, an dem sich Akustikelemente befinden eine entscheidende Rolle spielt. Das Verhältnis der ersten Reflexionen und der nachfolgenden Reflexionen kann durch die Ortswahl von Absorptionselementen bestimmt werden. Damit werden Deutlichkeit, Klarheit und Sprachverständlichkeit beeinflußt. Die Effektivität von Absorptionselementen ist ebenfalls ortsabhängig. Bestimmte Absorber haben in Ecken die bis zu dreifache Wirkung als an der Wand. Das bedeutet, daß in diesem Fall nur ein drittel an Absorptionsmaterial nötig ist, um die selbe Wirkung zu erzielen. Unter Akustikelementen versteht man aber nicht nur Absorptionselemente, sondern auch Reflektoren und Diffusoren. In vielen Räumen ist sie Sprashverständlichkeit, oder der Musikgenuß an unterschiedlichen Orten im Raum von unterschiedlicher Qualität. Der Schall ist in diesem Fall nicht gleichmäßig im Raum Verteilt. Reflektoren haben die Aufgabe den Schall an die Richtige Stelle zu leiten. Difussoren kommt die Aufgabe zu der Schall gleichmäßig im Raum zu verteilen.
Im kleinen Saal des Staatstheaters Stuttgart (Sprechtheater) war die Sprachverständlichkeit auf den schlechten Plätzen recht gut, nur auf den guten Plätzen, in der Mitte des Saales herrsche schlechte Sprachverständlichkeit. Durch den Einbau von Schallreflektoren, die mittels Laser ausgerichtet wurden, konnte die Schallenergie an die Stellen im Raum reflektiert werden, an denen sie fehlte. Dadurch konnte auch auf den guten Plätzen eine mehr als zufriedenstellende Sprachverständlichkeit erzielt werden.
Beschallungsanlagen
In jedem Wiedergaberaum, dessen Wände Schall reflektieren, ist mit Raumresonanzen und folglich mit Verfälschung der spektralen und zeitlichen Struktur des übertragenen Signals zu rechnen. Diese Verfälschungen sind umso größer, je länger die Nachhallzeit des betreffenden Raumes ist. Bevor in einem halligen Raum eine Beschallungsanlage installiert wird, sollte geprüft werden, ob nicht durch raumakustische Maßnahmen (Absorber, Reflektoren) Verbesserungen erzielt werden können. Die Sprachverständlichkeit wird in einem halligen Saal kaum verbessert, wenn neben dem Redner eine Lautsprecheranlage aufgebaut wird.
Ortung
Um ein möglichst natürliches Hörempfinden zu erreichen, ist es wichtig, daß die Schallquelle an der selben Stelle geortet wird, an der sich der Sprecher befindet. Für die Ortung maßgebend ist die Einfallsrichtung der ersten Wellenfront, d.h. der vom Sprecher ausgehende Direktschall. Spätere Schallanteile (Lautsprecher-Direktschall, Reflexionen) beeinflussen die Ortung nicht, wenn sie etwa 10-30 ms nach dem Direktschall eintreffen und ihre Pegel denjenigen des Direktschalls um nicht mehr als 10 dB überschreiten. Trotz Lautsprecheranlage wird also der Sprecher als Schallquelle geortet, wenn das Lautsprechersignal entsprechend zeitverzögert wird.
Rechtliche Relevanz
Eine akzeptable Akustik ist kein Luxus, den man sich leistet oder nicht, sie ist – neben vielen anderen Faktoren – die Grundlage „funktionierender“ Räume und unseres Wohlbefindens. Darüber hinaus können bestimmte Veranstaltungen grundsätzlich nicht ohne eine geeignete akustische Situation stattfinden. Falls ein einziger Aktionär mit gesundem Gehörorgan nicht alles auf einer Aktionärsversammlung akustisch versteht, muß die gesamte Versammlung wiederholt werden. Unter Berücksichtigung der Kosten und des Aufwandes, sowie der Bedeutung einer Aktionärsversammlung sollte die Notwendigkeit einer Wiederholung von vorn herein, durch eine geeignete Beschallung, welche in Verbindung mit einem Akustiker geplant und eingemessen wird, ausschließen.
Für den Energiekonzern EON und der Sportartikelherstellen PUMA konnten so zufriedenstellende Aktionärsversammlungen geplant und durchgeführt werden. Ein Gutachten über die Sprachverständlichkeut seitens des Akustikers sichert den Veranstalter zusätzlich gegen Angriffe bezüglich schlechter Verständlichkeit rechtlich ab.
Sicherheit
Eine gute Sprachverständlichkeit ist eine wesentlicher Sicherheitsaspekt an allen Orten an denen sich größere Menschenmassen befinden, wie z. Bsp. auf Flughäfen, und Bahnhöfen. Zu der Norwendigkeit Durchsagen bezüglich Flugplan oder Fahrplan zu verstehen, kann eine rasche und reibungslose Evakuierung nur durchgefühtr werden, wenn die entsprechenden Anweisungen auch von jedem Verstanden werden. Gerade in Zeiten zunehmender Bedohung durch terroristische Anschläge kommt diesem Gesichtspunkt eine besondere Bedeutung zu.