Messungen der Luftschalldämmung bei tiefen Frequenzen ab 50Hz L. Krajči 1 Messungen der Luftschalldämmung bei tiefen Frequenzen ab 50Hz Luboš Krajči Empa, Swiss Federal Laboratories for Material Testing and Research CH-Dübendorf
2 Messungen der Luftschalldämmung bei tiefen Frequenzen ab 50Hz L. Krajči 1. Internationale Schall- und Akustiktage 2011
Messungen der Luftschalldämmung bei tiefen Frequenzen ab 50Hz L. Krajči 3 Messungen der Luftschalldämmung bei tiefen Frequenzen ab 50Hz 1. Einführung Untersuchungen haben gezeigt, dass die Wahrnehmung und die Wirkung tieffrequenter Geräusche ( Bässe ) deutlich von denjenigen mittel- und hochfrequenter Geräusche ( Sprachbereich ) abweichen. Das menschliche Ohr ist zwar für tiefe Frequenzen weniger empfindlich, jedoch können Geräusche im Bassbereich trotzdem stark belästigend wirken. Ab 60 Hz findet beim menschlichen Ohr der Übergang zur normalen Tonhöhenempfindung statt und die Geräusche sind besonders belästigend und gut hörbar, wenn sie tonhaltig sind. Welche Schallquellen erzeugen im Alltag Geräusche unterhalb von 100 Hz? Hier nur einige Beispiele: Moderne Musikanlagen, Multimedia- Computersysteme, Home Cinemas und Fernseher können oft Frequenzen unterhalb 100 Hz erzeugen. Heizungsanlagen und Ventilatoren. Trittschall und Gehschall insbesondere von Kindern (z.b. Gehen auf den Fersen). Verschiedene Musikinstrumente (tiefste Seite des E-Bass: 41 Hz; tiefster Ton eines Klaviers: 28 Hz). Strassenlärm (insbesondere von LKW). Abprallen von Bällen in Turnhallen (speziell in angrenzenden Wohnungen hörbar). Die oben genannten, z. T. alltäglichen Beispiele zeigen deutlich, dass es sinnvoll ist, bauakustische Messungen bis 50 Hz zu messen und zu qualifizieren. Und speziell im Leichtbau und in Mehrfamilienhäusern muss zukünftig durch gezielte Massnahmen die Körperund Luftschalldämmung bei tiefen Frequenzen verbessert werden. Gemäss Norm EN ISO 140-4 [1] erstreckt sich der bauakustisch relevante Frequenzbereich von 100 bis 3150 Hz. Die Bewertung erfolgt gemäss Norm ISO 717-1 [2], indem die definierte Bezugskurve nach normierten Verschiebungsregeln über die gemessene Kurve gelegt wird. Bei der Terzbandfrequenz von 500 Hz wird an der Bezugskurve das bewertete Schalldämm-Mass R w abgelesen. Im Frequenzbereich von 100 bis 3150 Hz sind die Anforderungen an den Schallschutz oft erfüllt. Die ausserhalb des Bewertungsintervalls unterhalb von 100 Hz auftretenden Störgeräusche werden aber in der Beurteilung ignoriert, obwohl deren Störungspotenzial bekannt ist. Problematisch ist dies besonders beim Holzbau. Allerdings sind Messungen im Frequenzbereich unterhalb 100 Hz mit manchen Schwierigkeiten verbunden, wie z. B. der geringen Raummodenverteilung bei den tiefen Frequenzen und der schlechte Diffusität. Es ist deshalb schwierig, im Sende- und Empfangsraum ein diffuses Schallfeld für tiefe Frequenzen gemäss EN ISO 140-4 zu gewährleisten. So bestehe zwar die Forderung, bis 50 Hz zu messen, jedoch sind bis jetzt kaum wirklich brauchbare Lösungen für die Messung bekannt. Die bekannte normierte Messmethode nach EN ISO 140-4 stellt hohe Anforderungen an die Randbedingungen, welche oft nicht eingehalten werden können. Die Raumgeometrie und die physikalischen Gesetze begrenzen die Möglichkeit der Erweiterung des Frequenzbereiches bis 50 Hz. Wir erwarten im Allgemeinen, dass ein Bauteil beim Einsatz im Bau überall die gleichen akustischen Schalldämmeigenschaften aufweist. Vor allem in tiefen Frequenzen stimmt dies aber nicht immer, weil bei tiefen Frequenzen die modale Überlappung von Eigenmoden im Empfangsraums klein ist. Die Messresultate und die Messgenauigkeit sind deshalb stark vom Raumvolumen des Empfangsraumes, der Fläche des Trennbauteils, der Raumgeometrie sowie der Anordnung von Mikrofon- und Lautsprecherpositionen abhängig. Somit können gemessene Bau-Schalldämmmasse des gleichen Bauteils je nach Bausituation sehr stark variieren.
4 Messungen der Luftschalldämmung bei tiefen Frequenzen ab 50Hz L. Krajči 1. Internationale Schall- und Akustiktage 2011 2. Ziel Ziel der hier vorgestellten Arbeiten der Empa ist es, die Schalldämmeigenschaften von Trennbauteilen in Räumen ohne diffuse Schallfelder bereits ab 50 Hz wiederholbar, vergleichbar und praxisnah mit einem kleinen Messaufwand messtechnisch erfassen zu können. Einerseits wird dazu die Norm ISO EN 140-4, Anhang D angewendet. Anderseits wird ein nicht normiertes Messverfahren ( Raumeckmessungen ) überprüft, um die Machbarkeit, Wiederholbarkeit und die Zuverlässigkeit der Resultate im Bezug zur Praxis eingesetzt. Es werden schliesslich die folgenden zwei Messmethoden miteinander verglichen: Konventionelle Messverfahren gemäss EN ISO 140-4 mit Erweiterung des Frequenzbereichs bis 50 Hz gemäss Anhang D. Eckmessungen in Analogie zur Norm ISO 16032 [2] nur für die Bausituation. 3. Stand des Wissens Die Messmethode nach Norm EN ISO 140-4 [1] ist für den Frequenzbereich von 100 bis 3150 Hz vorgesehen. Im informativen Anhang D dieser Norm ist eine Anleitung für Messungen in den unteren Frequenzbändern, insbesondere unterhalb 100 Hz beschrieben. Die Bedingungen eines diffusen Schallfeldes können allerdings in kleinen Räumen (Volumen von etwa 50 bis 100 m 3 ) für die tiefsten Frequenzbänder nicht erfüllt werden. Die modale Überlappung M in einem Raum sollte gemäss [13] nicht weniger als 1 betragen. In einem Raum mit einem Volumen von V = 50 m 3 und mit einer Frequenz von 50 Hz beträgt die modale Überlappung aber 0.13. Erst oberhalb der Frequenz von 200 Hz wird eine genügende Überlappung erreicht. Dies zeigt, dass nach EN ISO 140-4 bei der Frequenz von 100 Hz immer noch nicht die notwendige modale Überlappung M erfüllt ist. Eine Möglichkeit diesen Problemen auszuweichen bietet die Intensitätsmessung. Sie wird heute zur Messung der Schallleistung vielfach eingesetzt. Die Norm EN ISO 9614 [3] beschreibt entsprechende Messverfahren. Auf den gleichen Funktionsprinzipien basiert die EN ISO 15186 Teil 2 [4] für bauakustische Messungen. Das Ziel dieser Norm ist es, weniger abhängig von Volumen, Nachhallzeit und Modenverteilung der Messräume zu werden und eine bessere Reproduzierbarkeit der Messresultate zu erhalten. Das Messverfahren, wie es heute in der EN ISO 15186-2 definiert ist, wurde seinerzeit unter anderen von Pedersen [10] für den Messbereich von 50 bis 160 Hz entwickelt und geprüft. Mit einer geschätzten Standardabweichung von 2.5 Dezibel zwischen 50 und 80 Hz hat diese Methode im Vergleich zu anderen Methoden eine sehr hohe Reproduzierbarkeit und Wiederholgenauigkeit. Eine weitere Methode, reproduzierbare Luftschallmessungen in den drei Terzen unterhalb 100 Hz zu durchzuführen, wurden von Simmons [11] und später auch von Hopkins [7] vorgestellt. Die Methode beruht auf einer Kombination der Standardmessung nach EN ISO 140-4 und verschiedenen Eckmessungen im Sende- und Empfangsraum. Die höheren Schallpegel im Bereich der Raumbegrenzungen werden so in die Beurteilung einbezogen. Da im Wohnbereich speziell diese Randzonen mit Betten, Sofas etc. möbliert sind, ist diese Messung sehr praxisnah. Es gibt noch keine internationale Norm für diese Methode. Eine ähnliches Verfahren wird auch in der EN ISO 16032, Messung des Schalldruckpegels von haustechnischen Anlagen in Gebäuden [2], angewendet. 4. Bestimmung der Luftschalldämmung gemäss EN ISO 140-4 Anhang D Messen von tiefen Frequenzen mit der EN ISO 140-4, Anhang D Es besteht allgemein das Problem unterhalb 400 Hz, und insbesondere unterhalb 100 Hz in den tiefen Terzbändern 50, 63 und 80 Hz, dass in Räumen mit kleinem Raumvolumen
Messungen der Luftschalldämmung bei tiefen Frequenzen ab 50Hz L. Krajči 5 von ca. 50 m 3 die von ISO 104-4 verlangten Bedingungen für ein diffuses Schallfeld nicht eingehalten werden können, weil die Anzahl von Eigenmoden und deren modale Überlappung in diesen Frequenzbändern klein ist. In Weiterem beeinflussen die Anordnungen von Lautsprecherpositionen die Eigenschwingungen des Raumes. Der Schalldämmmass des gleichen Bauteils ändert sich, je wie die Eigenschwingungen des Raumes (abhängig von der Anordnung des Lautsprechers) angeregt werden. Gemäss Norm ISO 140-4, Anhang D kann geschlossen werden, dass es in Räumen mit kleinem Volumen und ungünstigen Massen nicht mehr möglich ist, zuverlässige Ergebnisse von Messungen bei tiefen Frequenzen zu erhalten. Folgende Faktoren sind dabei kritisch: Die Raumabmessungen gemäss Norm sollten in einer Richtung nämlich mindestens einer Wellenlänge und eine weiteren einer halben Wellenlänge der tiefsten Bandmittenfrequenz entsprechen. Zum Beispiel sollte also bei der Frequenz von 50 Hz (und der Schallgeschwindigkeit von 340m/s) die eine Dimension 6.8 m und die andere 3.4 m betragen. Dies entspricht bei einer Raumhöhe von 2.8 m einem Raumvolumen von ca. 65 m 3. Die Räume der meisten schweizerischen Haushalte haben aber ein Volumen von ca. 30 m 3. Bei den Messungen im 50 Hz-Band sind die folgenden Mindestabstände einzuhalten: 1.4 m zwischen Mikrofonpositionen, jedoch die unterste Grenze 1.2m 1.0 m zwischen jeder Mikrofonposition und den Raumabgrenzungen oder Diffusoren 2.0 m zwischen Mikrofonposition und der Schallquelle Die Anzahl der Mikrofonpositionen muss im Vergleich zum konventionellen Messbereich erhöht werden. Bei Räumen mit Raumabmessungen gleich einer halben Wellenlänge, müssen die Mikrofonpositionen ausserhalb des Mittelteils des Raumes liegen. Mindestanzahl von Lautsprecherpositionen sollte drei sein. Die Mittelungszeit sollte Aufgrund der geringeren Bandbreite des Filters und der geringerer Überlappung der Moden mindestens 15 s betragen. Bei Messungen mit bewegten Mikrofon mindestens 60 s. Lange Nachhallzeiten sollten vermieden werden. Besonders kritisch ist die Frage der Mikrofonpositionen. Je kleiner die Räume und je tiefer die zu messenden Frequenzen sind, umso schwieriger ist es, normgerechte Mikrofonpositionen zu finden. In Abbildung 1 ist die zentrale Zone mit möglichen Mikrofonpositionen in einem Raumvolumen von 60.5 m 3 nach Norm dunkelgrau eingezeichnet. Falls nach Anhang D im erweiterten Messbereich ab 50 Hz gemessen werden soll, muss anstatt nur 0.7 m ein Abstand von 1.4 m von den Raumbegrenzungen gehalten werden. Insbesondere in der Höhe bleibt kaum noch eine Möglichkeit eine Mikrofonposition zu finden, und die Messung ist kaum mehr repräsentativ für das Prüfobjekt und auch für den Raumbenützer.
6 Messungen der Luftschalldämmung bei tiefen Frequenzen ab 50Hz L. Krajči 1. Internationale Schall- und Akustiktage 2011 Abbildung 1: Grundriss und Schnitt eines Raumes mit Dimensionen 4.8 m x 4.5 m x 2.8 m. Oben links: Messzone im Grundriss für Mikrofonpositionen gemäss ISO EN 140-4; Unten links: Messzone hellgrau im Grundriss für Mikrofonpositionen gemäss ISO EN 140-4 Anhang D; Oben rechts: Messzone im Schnitt für Mikrofonpositionen gemäss ISO EN 140-4; Unten rechts: Keine Messzone hellgrau im Schnitt für Mikrofonpositionen gemäss ISO EN 140-4 Anhang D vorhanden. 5. Bestimmung der Luftschalldämmung mit zusätzlichen Eckmessungen in Analogie zu ISO 16032 Messen von tiefen Frequenzen mit zusätzlichen Mikrofonpositionen in Raumecken in Analogie zu ISO 16032 Die Messungen mit erweitertem Frequenzbereich erfolgt in Analogie zu der Norm ISO 16032 [9] mit zusätzlichen Messpositionen in den Raumecken. Die Abstände von einzelnen abgrenzenden Raumoberflächen betragen 0.5 m (siehe Abbildung 2). Abbildung 2: Die blauen (Senderaum) und grünen Bereichen (Empfangsraum) sind die zentralen Messzonen wo der mittlere Schalldruckpegel gemäss Norm ISO 140 für 100 3150 Hz gemessen werden soll. Die kleinen grauen Würfel bezeichnen die Mikrofonposition im Abstand 0.5 m von der angrenzenden Raumoberfläche, welche für die Erweiterung zu tiefen Frequenzen erforderlich sind. Links: Messpositionen in alle Raumecken; Rechts: Reduzierte Anzahl von Mikrofonpositionen.
Messungen der Luftschalldämmung bei tiefen Frequenzen ab 50Hz L. Krajči 7 Bei der Messung von Schalldruckpegeln in den Raumecken stehen zwei Messmethoden zur Verfügung. Im Sende- sowie auch im Empfangsraum werden die Schalldruckpegel in allen Raumecken gemessen. Vereinfachte Messmethode: Im Senderaum werden die Schalldruckpegel nur in den am weitesten entfernten Raumeckpositionen vom Lautsprecher gemessen. Im Empfangsraum müssen alle vier Raumeckpositionen der gegenüberliegender Wand oder des gegenüberliegenden Bodens berücksichtigt werden. Ermittlung des Schalldruckpegels aus Messungen gemäss Norm ISO 140-4 in Kombination mit Raumeckmessungen. Bei den Messungen gemäss Norm ISO 140-4 werden die gemessenen Schalldruckpegel L ISO140 in den zentralen Zonen ermittelt. Aus den Raumeckmessungen werden die maximalen Schalldruckpegel L maxcorner ermittelt und gemäss Gleichung (1) der sende- und raumseitige Schalldruckpegel L LF berechnet. L LF L ISO140 L maxcorner Raumseitiger Schalldruckpegel [db] Mittlerer Dauerschallpegel gemessen gemäss Norm ISO 140 [db] Maximaler Schalldruckpegel gemessen in den Raumecken gemäss ISO/DIS 16032 [db] Die Gleichung (1) basiert auf Untersuchungen von Simmons [11]. Die ermittelten Schalldruckpegel in der zentralen Raumzonen basieren auf empirischen Berechnungen gemäss Norm ISO 140-4 und sind nicht aus einem theoretischen Model abgeleitet. In Weiterem müssen auch die Nachhallzeiten in den tiefen Frequenzen gemessen werden. Das Messverfahren ist teilweise beschrieben in der Norm ISO 3382 [6]. 6. Erste Ergebnisse von Untersuchungen der Empa 6.1. Objekt Die Messungen der Luftschalldämmung bei tiefen Frequenzen ab 50 Hz wurden an einer im Bau eingebauten Holz-Beton-Verbunddecke (HBV) durchgeführt. Sie gehört zu einem Teilprojekt des Kooperationsprojektes Schallschutz im Holzbau der Lignum. In der Abbildung 3 ist der Aufbau der HBV-Deckenkonstruktion schematisch dargestellt. (1) Abbildung 3: Vertikaler Schnitt durch Deckenaufbau einer Holz-Betonverbunddecke. (Urheberrecht des Konstruktionsaufbaus: Firma Erne AG.)
8 Messungen der Luftschalldämmung bei tiefen Frequenzen ab 50Hz L. Krajči 1. Internationale Schall- und Akustiktage 2011 6.2. Resultate In der Abbildung 4 sind die Terzbandspektren (50 bis 5000 Hz) im Senderaum (SR) sowie auch im Empfangsraum (ER) dargestellt. In der Darstellung sind die maximalen Eckpegeln sowie die konventionell gemessenen mittlere Schalldruckpegeln L ISO 140 nach ISO 140 ersichtlich. Abbildung 4: Gemessene Schalldruckpegeln L ISO 140 und L LFCorner mit beiden Testmethoden (gemäss Norm ISO 140 und in den Raumecken). Im Frequenzbereich zwischen 50 und 125 Hz unterscheiden sich Schalldruckpegel welche mit der normierter Messmethode und der Raumeckmessmethode gemessen wurden. 7. Fazit Die Problematik des Tieftonbereichs wird immer aktueller, jedoch ist es sehr schwierig, entsprechende Messungen durchzuführen. So ist für die Messung der Schalldämmung in Räumen mit kleinen Raumvolumen ( 50m 3 ) die Norm ISO 140-4 Anhang D nicht tauglich. Eine alternative Messmethode ist zurzeit in der Entwicklungsphase, aber es liegen noch erst wenige Messdaten vor. Bei den Nachhallzeitmessungen sowie in der Bewertung von Messkurven sind weitere Untersuchungen und Forschungsarbeiten notwendig. Die Bewertungskurve ist zurzeit nur für den Frequenzbereich von 100 bis 3150 Hz vorgesehen und somit für den Bereich unterhalb 100 Hz nicht anwendbar. Aufgrund von Messresultaten zeigt sich, dass die Raumeckmessmethode um ca. 2 4 db tiefere Bauschalldämmmasse liefert als konventionelle Messmethode nach Norm ISO 140-4. Mit der Messmethode in den Raumeckpositionen wird die praxisnahe Situation berücksichtigt. Der Messaufwand solcher Messungen wird durch die erhöhte Anzahl von Mikrofonpositionen aber um etwa ein Drittel steigen. Im Vergleich zu der viel aufwändigeren Intensitätsmessmethode ist diese Kostenerhöhung aber vernachlässigbar.
Messungen der Luftschalldämmung bei tiefen Frequenzen ab 50Hz L. Krajči 9 8. Normenverzeichnis [1] EN ISO 140-4: Messung der Schalldämmung in Gebäuden und von Bauteilen, Teil 4: Messung der Schalldämmung in Gebäuden und von Bauteilen, Brüssel, 1998. [2] EN ISO 717-1: Bestimmung der Schalldämmung in Gebäuden und von Bauteilen aus Schallintensitätsmessungen, Teil 1: Messungen im Prüfstand, Brüssel, 2006. [3] EN ISO 16032: Messung des Schalldruckpegels von haustechnischen Anlagen in Gebäuden, Standardverfahren. [4] EN ISO 9614-3: Bestimmung der Schallleistungspegel von Geräuschquellen aus Schallintensitätsmessungen, Brüssel, 2002. [5] EN ISO 15186-2: Akustik-Bestimmung der Schalldämmung in Gebäuden und von Bauteilen aus Schallintensitätsmessungen, Teil 2: Messungen am Bau. Brüssel: s.n., 2003. [6] EN ISO 3382-2: Messung von Parametern der Raumakustik, Teil 2: Nachhallzeit in gewöhnlichen Räumen, Brüssel, s2006. 9. Literaturverzeichnis [7] Hopkins, Carl: Sound Insulation, USA, 2007, Butterworth-Heinmann. [8] Hopkins, Carl; Turner, P. : Sound insulation in timber-framed buildings, Improving the reliability and relevance of field measurements in the low frequency range, DAGA, 2005. [9] Hopkins, Carl; Turner, P. : Field measurement of airborne sound insulation between rooms with non-diffuse sound fields at low frequencies, Watford, 2005. [10] EMPA: SOP 177-1, Messung der Luftschalldämmung von Bauteilen und Bauelementen im Laboratorium, Dübendorf, 2005. [11] Pedersen, Dan B.: Measurement of the Low-Frequency Sound Insulation of Building Components, Frauenhofer-Institut für Bauphysik, Stuttgart, 1999. [12] Simmons, Christian: Measurement of sound pressure levels at low frequencies in rooms. comparision of available methods and standards with respect to microphone position, Swedish National Testing and Research Institute, Sweden, 1997. [13] Genuit, Klaus: Tiefe Frequenzen sind nicht gleich tiefe Frequenzen- Tieffrequente Geräuschanteile und deren Wirkungen. [14] Craik, Robert J.M.: Sound Transmission Through Buildings Using Statistical Energy Analysis, Gower Publishing Limited, Hampshire GU11 3HR, 1996