Was eine Wand dämmt: Masse, Koinzidenz und zwei Schalen

An der Südautobahn bei Wien standen früher flache Erdwälle. Heute säumen hohe Wände die verbreiterte Trasse, fast wie ein Tunnel. Die Höhe ist kein Zufall. Je breiter die Straße, desto weiter liegt die Wand von der Fahrbahn entfernt und desto höher muss sie werden, um noch zu wirken.

Der Weg vom Lärm im Freien zur Dämmung einzelner Bauteile folgt einer Frage: Wie lässt sich Schall daran hindern, dorthin zu gelangen, wo er stört? Matthias Schuß (TU Wien) behandelt dazu zuerst die Ausbreitung im Freien und dann die Luftschalldämmung von Wänden.

Wie Schall im Freien abnimmt

Eine punktförmige Quelle, etwa ein Gerät auf dem Dach, strahlt kugelförmig ab. Ihr Pegel sinkt um 6 dB pro Abstandsverdopplung. Eine stark befahrene Straße wirkt dagegen wie eine Linie und strahlt zylindrisch ab, der Pegel sinkt nur um 3 dB pro Verdopplung. Werden in 5 m Abstand 80 dB gemessen, sind es bei einer Punktquelle erst in rund 89 m noch 55 dB.

Eine Lärmschutzwand unterbricht die Sichtlinie zwischen Quelle und Empfänger. Schall erreicht den Empfänger dann nur noch durch Beugung über die Wandkrone. Die Wirkung hängt vom Beugungswinkel und vom Verhältnis der effektiven Höhe zur Wellenlänge ab. Tiefe Frequenzen mit großer Wellenlänge werden schlechter abgeschirmt. Eine zur Quelle geneigte Krone vergrößert den Winkel, eine absorbierende Oberfläche verhindert Reflexionen auf die Gegenseite.

Wirksamer als jede Wand ist oft eine Maßnahme an der Quelle: langsamer fahren, leisere Beläge. Schallschutzfenster beim Anrainer verlieren an Wert, weil im wärmeren Klima auch nachts gelüftet werden muss. Gebäude parallel zur Straße wirken als Schallschutzriegel und schützen ihre Rückseite.

Warum Masse dämmt

Das Schalldämm-Maß beschreibt, wie viel Schallenergie ein Bauteil zurückhält. Es ist der zehnfache Logarithmus des Kehrwerts des durchgelassenen Anteils: \(R = 10 \cdot \lg(1/\tau)\). Ein Bauteil mit 40 dB lässt nur ein Zehntausendstel der Energie durch, eines mit 20 dB ein Hundertstel. 20 dB sind also nicht „doppelt so gut“ wie 10 dB, sondern lassen zehnmal weniger Energie durch.

Gemessen wird das Schalldämm-Maß im Prüfstand, in dem das Bauteil entkoppelt zwischen zwei Räumen sitzt. So zeigt der Wert nur, was das Bauteil selbst kann. Im Gebäude kommt Schall zusätzlich über die angrenzenden Bauteile, die Flankenübertragung.

Aus den 16 Terzwerten entsteht das bewertete Schalldämm-Maß Rw. Eine Bezugskurve wird in ganzen dB-Schritten verschoben, bis die Unterschreitungen im Mittel höchstens 2 dB betragen. Abgelesen wird bei 500 Hz.

Für einschalige Bauteile gilt das Massegesetz. Je schwerer ein Bauteil pro Quadratmeter, desto besser dämmt es. Eine Näherung für massive Bauteile über 100 kg/m² lautet \(R_w \approx 32{,}4 \cdot \lg m' - 26\) dB. Eine 20 cm dicke Stahlbetonwand mit 480 kg/m² erreicht damit rund 61 dB. „Masse ist in der Akustik oft alles“ lautet der dazugehörige Merksatz.

Wo dünne Platten schwächeln

Das Massegesetz hat eine Grenze. Trifft Schall schräg auf eine Platte, regt er in ihr Biegewellen an. Stimmen die Spur der Luftschallwelle und die Biegewellenlänge überein, schwingt die Platte besonders leicht mit, und die Dämmung bricht ein. Die Frequenz, ab der das auftritt, heißt Koinzidenzfrequenz.

Bei dicken, massiven Bauteilen liegt sie sehr tief. 25 cm Beton erreichen etwa 78 Hz, also unter dem bauakustischen Bereich. Bei dünnen, biegesteifen Platten liegt sie mitten im Hörbereich. 8 mm Glas haben eine Koinzidenzfrequenz von rund 1560 Hz, mitten in der Sprache. Für Glas gilt die einfache Rw-Näherung deshalb nicht.

[Abbildung: Koinzidenzfrequenz über der Plattendicke für Beton, Ziegel, Gipskarton und Glas, mit markiertem Bereich 100 bis 3150 Hz.]

Wann zwei Schalen schaden

Ein zweischaliges Bauteil besteht aus zwei Schalen mit einer federnden Schicht dazwischen. Es bildet ein Masse-Feder-Masse-System mit einer Resonanzfrequenz. Unterhalb dieser Frequenz schwingen beide Schalen gemeinsam, an der Resonanz verschlechtert sich die Dämmung, erst darüber spielt die Konstruktion ihren Vorteil aus. Das Ziel ist deshalb eine möglichst tiefe Resonanzfrequenz.

Dass zwei Schalen auch schaden können, zeigte die Einführung der Wärmedämmverbundsysteme. Die dünne Putzschale auf dem Dämmstoff bildete mit der Massivwand ein System mit ungünstiger Resonanz. Bewohner an Hauptstraßen hörten danach tiefe Verkehrsgeräusche deutlicher als vorher. Bei Leichtbauwänden übertragen Ständer und Anschlüsse Schall von Schale zu Schale. Getrennte Ständerreihen und elastische Verbindungen schaffen Abhilfe, müssen aber standfest bleiben.

Zusammenfassung

Im Freien sinkt der Pegel mit dem Abstand, und Lärmschutzwände wirken über den Beugungswinkel, am besten nahe der Quelle. Bauteile dämmen vor allem durch Masse, bis die Koinzidenz bei dünnen Platten wie Glas einen Einbruch erzeugt. Zweischalige Bauteile sind nur dann besser als einschalige, wenn ihre Resonanzfrequenz tief genug liegt.