Schalldämmende Eigenschaften von unterschiedlichen Materialien. Schleswig-Holstein

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1 Schalldämmende Eigenschaften von unterschiedlichen Materialien Schleswig-Holstein Tobias Löffler Schule: Gymnasium Kronshagen Suchsdorfer Weg Kronshagen DGZfP e.v.

2 Inhalt 1 Einleitung Material und Methode Versuchsaufbau und Material Methode Versuchsdurchführung Versuchsauswertung Ergebnisse Messergebnisse Sperrholz PVC Styropor Dämmwolle Auswertung Diskussion Welche Fehler sind aufgetreten? Wie könnte man an dem Thema weiterarbeiten? Zusammenfassung DGZfP e.v.

3 1 Einleitung Nachdem ich vorletztes Jahr mit dem Thema "Wie muss eine Bahn geformt sein, damit eine Kugel sie in möglichst kurzer Zeit durchläuft?" bei "Schüler experimentieren den ersten Platz gewonnen hatte, wollte ich eigentlich schon letztes Jahr wieder mitmachen. Ich überlegte lange, welches Thema ich nehmen könnte. Als meine Mutter sich eines Nachmittags mal wieder bei mir beschwerte, weil ich meine Stereoanlage ihrer Meinung nach zu laut anhatte, machte ich mir zum ersten Mal Gedanken über dieses Thema. Mir fiel auf, dass bei niedriger Lautstärke im Wohnzimmer nichts von der Musik zu hören war. Bei größerer Lautstärke hörte man nur die Bässe und bei noch größerer Lautstärke konnte man auch die hohen Töne hören. Das interessierte mich, und ich beschloss mit dem Thema "Schalldämmende Eigenschaften von unterschiedlichen Materialien bei "Jugend forscht" mitzumachen. Leider war ich bis zum Abgabetermin mit meiner Arbeit noch nicht fertig. Deshalb beschloss ich dieses Jahr mitzumachen. 2 Material und Methode 2.1 Versuchsaufbau und Material Abb. 1: Versuchsaufbau Diese Abbildung ist nicht maßstabsgetreu! Als Lautsprecherbox habe ich einen Kunststoffkasten benutzt, vor dessen Öffnung ich eine Holzplatte mit einem 10x20 cm großem Schallloch geschraubt habe. Die Kiste habe ich bis auf einen kleinen Hohlraum hinter dem Schalloch komplett mit Schall-dämmmatten aus einem Lautsprechergehäuse gefüllt und in den Hohlraum den Lautsprecher gestellt. An dem Lautsprecher wurden nun ein Verstärker und daran ein Tongenerator angeschlossen. Als Verstärker habe ich eine Stereoanlage benutzt, an deren Eingang ich den Tongenerator angeschlossen habe. Vor die Schallöffnung habe ich dann in einem Abstand von 17 cm ein db Messgerät gestellt DGZfP e.v. 3

4 2.2 Methode Versuchsdurchführung Um möglichst genaue Messergebnisse zu bekommen und damit später eine genauere Auswertung zu ermöglichen, wurden alle Versuche unter denselben Bedingungen durchgeführt: Der Versuchsaufbau wurde während der Versuche nicht verändert. Das db-messgerät stand immer genau im Abstand von 17 cm vor dem Schallloch. Die Lautstärke wurde immer in db(c) gemessen. (db(c) wird normalerweise zum Messen von akustischen Schallsignalen und Körperschall (Lautsprecher) benutzt, db(a) normalerweise zum Messen von Umweltgeräuschen (Fahrzeuge, Maschinen usw.). Der Frequenzverlauf von db(a) ist dem menschlichen Ohr angepasst.) Die Grundlautstärke (siehe Abb. 2) war immer 90roß. Das db Messgerät stand immer in einem Abstand von 17 cm vor der Schallöffnung Um jetzt die schalldämmenden Eigenschaften verschiedener Materialien herauszufinden, habe ich je drei Platten (20x30cm) in verschiedenen Stärken (10 mm, 15 mm und 20 mm) genommen. Eine der Platten wurde dann jeweils mit zwei Gurten genau mittig vor die Schallöffnung geschnallt, nachdem ich den Lautsprecher bei jeder Frequenz auf eine Grundlautstärke (Grundlautstärke = db G = ungedämmte Lautstärke) von 90dB eingestellt hatte. Jetzt konnte ich die gedämmte Lautstärke ( ) messen und ausrechnen, um wie viel db der Ton gedämmt worden war. Diesen Wert habe ich als bezeichnet (db G minus ). Dies führte ich in dem Frequenzbereich 40Hz bis 10kHz für die Frequenzen 40hz, 100Hz, 500Hz, 1kHz, 2kHz, 3kHz,..., 10kHz für alle Materialien in allen Stärken mit immer derselben Grundläutstärke (db G = 90dB) durch. Als Materialien habe ich Sperrholz, PVC, Styropor und Wärmedämmwolle genommen. Ich habe mich für diese Materialien entschieden, da sie von ihrer Art her recht unterschiedlich sind, und ich sie alle, mit Ausnahme des Holzes, in den Stärken 10mm, 15mm und 20mm bekommen konnte. Da es 10mm Holz auch in Spezialgeschäften nicht gibt, musste ich es in den Stärken 9 mm, 15 mm und 20 mm nehmen. Abb. 2: Grundlautstärke (DB G ) und gedämmte Lautstärke (DB G ) Diese Abbildung ist nicht maßstabsgetreu! 4 DGZfP e.v.

5 2.2.2 Versuchsauswertung Um die so ermittelten Messwerte besser miteinander vergleichen zu können, möchte ich mehrere Arten von Diagrammen erstellt: 1. In der ersten Diagrammart (Abb. 3 bis Abb. 6) möchte ich auf der y-achse die gedämmte Lautstärke ( ) eingetragen und auf der x-achse die Frequenz (Hz). Jedes Diagramm soll die Werte für eine Materialart in allen Dicken darstellen. In dieser Diagrammart ich den Zusammenhang zwischen gedämmter Lautstärke ( ) und Dicke des Materials gut zu erkennen. 2. In der zweiten Diagrammart (Anhang, Abb. 8 bis Abb. 10) möchte ich wie bei 1. auf der y-achse die gedämmte Lautstärke ( ) und auf der x-achse die Frequenz (Hz) eingetragen. Jedoch soll jedes Diagramm die Dämmeigenschaften aller vier Materialien gleicher Stärke darstellen. 3. Die dritte Diagrammart (Anhang, Abb. 11 bis Abb. 13) soll im Großen und Ganzen wie die zweite werden, nur dass ich auf der y-achse die (db G minus ) eingetragen will. Um den Vergleich zwischen den einzelnen Werten zu vereinfachen will ich sie in Form eines Balkendiagramms dargestellt. Im Gegensatz zu Diagrammart zwei wird man hier einfach und schnell auf den ersten Blick die erkennen können. 4. In dem vierten Diagrammtyp (Anhang, Abb. 14) wird man an der y-achse, wie bei 3., die, an der x-achse jedoch die drei Materialdicken ablesen können. Für dieses Diagramm werde ich den Mittelwert der en bei allen Frequenzen einer Dicke eines Materials nehmen. Bei diesem Diagramm wird man unabhängig von der Frequenz gut erkennen können, welches Material durchschnittlich am besten dämmt und wie der Zusammenhang zur Materialstärke ist. Neben dem Vergleich der Werte in Form von Diagrammen werde ich auch auf rechnerische Art versuchen, Regelmäßigkeiten wie Proportionalitäten in den Werten zu finden. Um herauszufinden, ob zwei Reihen von Messwerten proportional zueinander sind, muss man die zueinander gehörenden Werte durcheinander teilen. Kommt bei allen Wertepaaren dasselbe heraus, so sind sie proportional zueinander. Um herauszufinden ob die Werte antiproportional zueinander sind, muss man sie miteinander multiplizieren. Kommt bei allen Wertepaaren dasselbe heraus, so sind sie antiproportional zueinander. DGZfP e.v. 5

6 3 Ergebnisse 3.1 Messergebnisse Sperrholz Dichte: 9mm = 0,685 g/cm 3 15mm = 0,689 g/cm 3 durchschnittliche Dichte = 0,694 g/cm 3 20mm = 0,708 g/cm 3 Hz 9 mm 15 mm 20 mm 40Hz 65dB 25dB 68dB 22dB 67,5dB 22,5dB 100Hz 63dB 27dB 62dB 28dB 63dB 37dB 500Hz 70dB 20dB 71dB 19dB 67dB 33dB 1000Hz 73dB 17dB 70dB 20dB 70dB 20dB 2000Hz 59dB 31dB 52dB 38dB 54dB 36dB 3000Hz 73dB 17dB 55dB 35dB 61dB 29dB 4000Hz 64dB 26dB 56dB 34dB 62dB 28dB 5000Hz 67dB 23dB 70dB 20dB 66dB 24dB 6000Hz 58dB 32dB 52dB 38dB 52dB 38dB 7000Hz 65dB 25dB 60dB 30dB 61dB 29dB 8000Hz 52dB 38dB 56dB 34dB 50dB 40dB 9000Hz 57dB 33dB 58,5dB 31,5dB 54dB 36dB 10000Hz 55dB 35dB 50dB 40dB 50dB 40dB Die Grundlautstärke (db G ) betrug für jede Frequenz 90dB. Tabelle 1 Abb. 3: Vergleich der gedämmten Lautstärke der drei Dicken beim Sperrholz 6 DGZfP e.v.

7 3.1.2 PVC Dichte: 10mm = 1,50 g/cm 3 15mm = 1,54 g/cm 3 durchschnittliche Dichte = 1,51 g/cm 3 20mm = 1,50 g/cm 3 Hz 10 mm 15 mm 20 mm 40Hz 67,5dB 22,5dB 64dB 26dB 64dB 26dB 100Hz 66dB 24dB 57dB 33dB 59,5dB 30,5dB 500Hz 75dB 15dB 68dB 22dB 70dB 20dB 1000Hz 75dB 15dB 66dB 24dB 72dB 18dB 2000Hz 58dB 32dB 54dB 36dB 59dB 21dB 3000Hz 54dB 36dB 52dB 38dB 50dB 40dB 4000Hz 54dB 36dB 59dB 31dB 69dB 21dB 5000Hz 57dB 33dB 65dB 25dB 63dB 27dB 6000Hz 56dB 34dB 67dB 23dB 55dB 35dB 7000Hz 57dB 33dB 67dB 23dB 59dB 31dB 8000Hz 52dB 38dB 55dB 35dB 54dB 36dB 9000Hz 58dB 32dB 52dB 38dB 54dB 36dB 10000Hz 54dB 36dB 52dB 38dB 56dB 34dB Die Grundlautstärke (db G ) betrug für jede Frequenz 90dB. Tabelle 2 Abb. 4: Vergleich der gedämmten Lautstärke der drei Dicken bei PVC DGZfP e.v. 7

8 3.1.3 Styropor Dichte: 10mm = 0,0175 g/cm 3 15mm = 0,0167 g/cm 3 durchschnittliche Dichte = 0,0167 g/cm 3 20mm = 0,0158 g/cm 3 Hz 10 mm 15 mm 20 mm 40Hz 88dB 2dB 84,5dB 5,5dB 83,5dB 6,5dB 100Hz 88dB 2dB 85dB 5dB 83dB 7dB 500Hz 89dB 1dB 90dB 0dB 89,5dB 0,5dB 1000Hz 92dB 8dB 88,5dB 1,5dB 87dB 3dB 2000Hz 81dB 9dB 77dB 13dB 77dB 13dB 3000Hz 85dB 5dB 76,5dB 13,5dB 78,5dB 11,5dB 4000Hz 82dB 8dB 74dB 16dB 71,5dB 18,5dB 5000Hz 78dB 12dB 75,5dB 14,5dB 75dB 15dB 6000Hz 88dB 2dB 84dB 6dB 85dB 5dB 7000Hz 83dB 6,5dB 71,5dB 18,5dB 81dB 9dB 8000Hz 79dB 11dB 70dB 20dB 80dB 10dB 9000Hz 68dB 22dB 74dB 16dB 91dB 9dB 10000Hz 67dB 23dB 69,5dB 20,5dB 85dB 15dB Die Grundlautstärke (db G ) betrug für jede Frequenz 90dB. Tabelle 3 Abb. 5: Vergleich der gedämmten Lautstärke der drei Dicken bei Styropor 8 DGZfP e.v.

9 3.1.4 Dämmwolle Dichte: 0,0121 g/cm 3 Hz 10 mm 15 mm 20 mm 40Hz 89dB 1dB 89dB 1dB 88,5dB 1,5dB 100Hz 88,5dB 1,5dB 89dB 1dB 89dB 1dB 500Hz 90,5dB -0,5dB 90,5dB -0,5dB 90dB 0dB 1000Hz 89dB 1dB 89dB 1dB 88,5dB 1,5dB 2000Hz 86dB 4dB 86dB 4dB 85dB 5dB 3000Hz 88dB 2dB 89,5dB 0,5dB 92dB -2dB 4000Hz 85dB 5dB 89dB 1dB 87dB 3dB 5000Hz 91dB 1dB 84dB 6dB 88dB 2dB 6000Hz 88,5dB 1,5dB 87dB 4dB 85dB 5dB 7000Hz 89,5dB 0,5dB 94,5dB -4,5dB 83dB 7dB 8000Hz 83dB 7dB 84dB 6dB 82dB 8dB 9000Hz 83,5dB 6,5dB 87dB 3dB 89dB 1dB 10000Hz 87dB 3dB 87,5dB 2,5dB 84,5dB 5,5dB Die Grundlautstärke (db G ) betrug für jede Frequenz 90dB. Tabelle 4 Abb. 6: Vergleich der gedämmten Lautstärke der drei Dicken bei Dämmwolle DGZfP e.v. 9

10 3.2 Auswertung Vergleicht man die unterschiedlichen Diagramme und Werte miteinander, so kann man einige Auffälligkeiten und Regelmäßigkeiten feststellen: Es gibt deutliche Unterschiede bei der unterschiedlicher Materialien. Mit Abnahme der Dichte eines Materials nimmt auch fast immer dessen ab (siehe Abb. 7). Abb. 7: Zusammenhang zwischen Dichte und Keines der untersuchten Materialien dämmt bei allen Frequenzen gleich gut. Bei höherer oder niedrigerer Frequenz gibt es keine lineare Zu- oder Abnahme der, die Frequenz und die sind also nicht proportional zueinander. Das kann man auch rechnerisch beweisen: Dividiert man die Frequenzen durch die jeder Stärke, und es kommt immer dasselbe Ergebnis heraus, so sind die Werte einander proportional. Das ist nicht der Fall, also sind die Werte einander nicht proportional. Auch sind die Werte einander nicht antiproportional, das erkennt man daran, dass sie miteinander multipliziert nicht dasselbe Ergebnis haben. Auf dieselbe Art habe ich ebenfalls herausgefunden, dass auch die Materialstärke und die nicht proportional oder antiproportional zueinander sind. Die steigt / sinkt nicht linear mit zunehmender / abnehmender Materialdicke. Niedrige Frequenzen werden im Allgemeinen schlechter gedämmt als hohe, besonders bei Materialien mit hoher Dichte. (Anhang, Abb. 8 bis Abb. 10) Bei unterschiedlichen Materialien gleicher Stärke oder gleichen Materialien in unterschiedlicher Stärke wird der Ton bei etwa denselben Frequenzen vergleichbar gut oder schlecht gedämmt. Das kann man daran erkennen, dass die Kurven etwa parallel verlaufen Manche Materialien haben bei bestimmten Frequenzen den Ton nicht gedämmt, sondern ihn sogar verstärkt. Das liegt meiner Meinung nach daran, dass das Material anfing zu schwingen und deshalb wie eine große Membran wirkte. Darauf ist auch die allgemein schlechte von Styropor und Dämmwolle zurückzuführen. Nach meinen Ergebnissen müsste das ideale schalldämmende Material eine möglichst hohe Dichte haben. Es könnte jedoch auch sein, dass Materialien, die eine noch höhere Dichte als PVC haben, den 10 DGZfP e.v.

11 Schall schlechter dämmen, und dass das ideale schalldämmende Material mit der Dichte zwischen Holz und PVC liegt. Um das noch genauer herauszufinden hätte man noch mehr und genauere Versuche mit mehr Materialien durchführen müssen. Sehr interessant ist es auch, dass, wie ich es vorher erwartet hatte, die und die Materialdicke nicht proportional zueinander sind. Diese Ergebnisse bestätigen auch meine in der Einleitung genannte Beobachtung, dass beim Musikhören in den Nachbarräumen in der Regel nur die Bässe zu hören sind. 4 Diskussion 4.1 Welche Fehler sind aufgetreten? Wie ich bei der Durchführung der Versuche festgestellt habe, kann es trotz sehr guter Geräte leicht zu Fehlmessungen und Messungenauigkeiten kommen. Das kann folgende Ursachen haben: Die Geräte waren sehr gut, trotzdem könnten Ungenauigkeiten zum Beispiel beim Einstellen der Frequenz oder beim Messen der Lautstärke vorliegen. Mit noch besseren Geräten könnte man solche Ungenauigkeiten noch verringern. In einigen Fällen konnte man das db-messgerät nicht ganz genau ablesen, da es sich um ein Zeigermessgerät handelt. Ich musste beim Ablesen des db-messgeräts möglichst immer an derselben Stelle stehen, um Beeinflussungen des Schalls (zum Beispiel Reflektionen) zu vermeiden. Ein weiteres Problem war es, eine genügend große Grundlautstärke zu erreichen, da bei meiner ersten Grundlautstärke von 80dB der Ton bei einigen Materialien so stark gedämmt wurde, dass er außerhalb des Messbereichs meines db-messgeräts lag. Gelöst habe ich dieses Problem, indem ich meine Stereoanlage als Verstärker zwischen den Tongenerator und den Lautsprecher geschaltet habe, jedoch konnte ich auch so keine Lautstärken über 90dB erreichen. Das ist der Grund, weshalb ich mit nur einer Grundlautstärke gearbeitet habe. 4.2 Wie könnte man an dem Thema weiterarbeiten? Ich habe bei der Auswertung meiner Messergebnisse keine Zusammenhänge wie Proportionalitäten oder Formeln gefunden, die es ermöglichen, die schalldämmenden Eigenschaften von Materialien zu berechnen. Bei genauerer Auswertung würde man solche Zusammenhänge eventuell ausfindig machen. Außerdem hätte man noch folgende Versuche durchführen können: Man könnte für noch mehr Materialien in noch mehr verschiedenen Stärken Versuche durchführen können. Noch tiefere und höhere Frequenzen könnten untersucht werden. Auch könnten Versuche mit Materialkombinationen durchgeführt werden. Bei meinen Versuchen habe ich mit unterschiedlichen Materialien, unterschiedlichen Materialstärken und unterschiedlichen Frequenzen gearbeitet, hatte jedoch immer dieselbe Grundlautstärke. Es wäre bestimmt interessant gewesen, noch jeweils mehrere Grundlautstärken zu benutzen, um den Zusammenhang zwischen der Grundlautstärke und der herauszufinden. Auch könnte untersucht werden, ob unterschiedlich geformte Oberflächenstrukturen einen Einfluss auf die haben. Da ich Holz nur in 9 mm statt 10mm Stärke bekommen konnte, kann man die Werte des Holzes in dieser Stärke nur schlecht mit den anderen Werten vergleichen. Um eine genauere Auswertung zu ermöglichen, müsste man eine Lösung für dieses Problem finden. Was man auch noch beachten muss ist, dass es sich bei dem Holz nicht um Massivholz sondern um Sperrholz, sprich viele dünne, aufeinander geleimte Holzschichten handelte und also auch die Leim- DGZfP e.v. 11

12 schichten zur Dämmung beitrugen. Um genauere Ergebnisse zu bekommen, sollte man also Versuche mit Massivholz durchführen. 5 Zusammenfassung Beim Musikhören war mir aufgefallen, dass man, je nachdem wie laut die Musik war, in den benachbarten Räumen teilweise nur die Bässe, teilweise alle Frequenzen hören konnte. Das interessierte mich, und ich beschloss, mit dem Thema "Schalldämmende Eigenschaften von unterschiedlichen Materialien" bei "Jugend forscht" teilzunehmen. Methode: Ich habe für vier Materialien (Sperrholz, PVC, Styropor und Wärmedämmwolle) in jeweils drei Dicken für die Frequenzen 40Hz, 100Hz, 500Hz, 1000Hz, 2000Hz, 3000Hz, 4000Hz..., 10000Hz die Dämmeigenschaften bestimmt. Dafür habe ich eine Box dick mit Lautsprecherdämmwolle ausgekleidet und einen Lautsprecher hineinge-stellt, den ich an einen Tongenerator angeschlossen habe. Um die schalldämmenden Eigenschaften eines Materials herauszufinden, habe ich eine Platte des jeweiligen Materials vor die Öffnung geschnallt. So konnte ich mit Hilfe eines db-messgerätes messen, um wie viel db das Material einen Ton von 90dB bei den jeweiligen Frequenzen gedämmt hat. Ergebnisse: Die Versuche haben folgende Ergebnisse gebracht: Die untersuchten Materialien dämmen insgesamt unterschiedlich gut. Kein Material dämmte alle Frequenzen gleichgut. Die Dämmung und die Frequenz sind nicht proportional oder antiproportional zueinander. Dicke Materialien dämmen nicht bei allen Frequenzen besser als dünnere, es gibt also auch hier keine proportionale oder antiproportionale Zuordnung. Niedrige Frequenzen werden im Allgemeinen schlechter gedämmt als hohe. Bei einigen Frequenzen erfolgte bei manchen Materialien keine Dämmung sondern eine Verstärkung der Lautstärke. Das führe ich darauf zurück, dass das Material anfing, wie eine Membran zu schwingen und den Ton so verstärkte. Mit Zunahme der Dichte meiner Materialien nahm auch ihre Dämmung zu. Diskussion: Bei meinen vier Materialien nahm mit steigender Dichte auch fast immer die Dämmung zu. Es könnte also allgemein zutreffen, dass Materialien mit einer möglichst hohen Dichte gut dämmen, eine weitere Möglichkeit ist jedoch auch, dass Materialien mit einer noch höheren Dichte wieder schlechter dämmen. An der Arbeit könnte man noch mit folgenden Versuchen weiterarbeiten: Man könnte für noch mehr Materialien in noch mehr verschiedenen Stärken Versuche durchführen können. Noch tiefere und höhere Frequenzen könnten untersucht werden. Auch könnten Versuche mit Materialkombinationen durchgeführt werden. Interessant wäre es auch zu untersuchen, ob unterschiedlich geformte Oberflächenstrukturen einen Einfluss auf die haben. 12 DGZfP e.v.

13 Alle Materialien in der selben Stärke (10 bzw. 9mm) im Vergleich DB Hz Holz 9mm PVC 10mm Styropor 10mm Dämmwolle 10mm Abb. 8 db 100 Alle Materialien derselben Stärke (15mm) im Vergleich Hz Holz 15mm PVC 15mm Styropor 15mm Dämmwolle 15mm Abb. 9 DGZfP e.v. 13

14 db 100 Alle Materialien derselben Stärke (20mm) im Vergleich Hz Holz 20mm PVC 20mm Styropor 20mm Dämmwolle 20mm Abb. 10 db Vergleich der aller Materialien in derselben Stärke (10mm) Hz PVC 10mm Holz 9mm Styropor 10mm Dämmwolle 10mm Abb DGZfP e.v.

15 Vergleich der aller Materialien in derselben Stärke (15 mm) db Hz -10 PVC 15mm Holz 15mm Styropor 15mm Dämmwolle 15mm Abb. 12 db 45 Vergleich der aller Materialien in derselben Stärke (20mm) Hz -10 PVC 20mm Holz 20mm Styropor 20mm Dämmwolle 20mm Abb. 13 DGZfP e.v. 15

16 in db 35 der vier Materialien in Abhängigkeit von ihrer Dicke mm Holz PVC Styropor Dämmwolle Abb DGZfP e.v.