Ein Seminarraum mit Sichtbetondecke, Glasfassade und Holzstühlen funktioniert gut, solange er voll besetzt ist. Mit wenigen Personen wird jedes Wort undeutlich. Die Ursache liegt nicht in der Lautstärke, sondern in den Oberflächen. Publikum schluckt Schall, leere Holzstühle tun es kaum.
Die Raumakustik fragt, wie sich Schall in einem Raum verteilt und wie lange er nachklingt. Nach den Grundlagen führt Matthias Schuß (TU Wien) hier vom einzelnen Pegel zur Wirkung ganzer Räume.
Wohin der Schall an einer Wand geht
Trifft Schall auf ein Bauteil, teilt sich seine Energie in drei Anteile. Ein Teil wird reflektiert, ein Teil im Material in Wärme umgewandelt, ein Teil geht hindurch. Die drei Anteile ergeben zusammen immer eins. In der Raumakustik zählt als absorbiert alles, was nicht zurückgeworfen wird.
Der Schallabsorptionsgrad ist der Anteil der auftreffenden Energie, der nicht reflektiert wird. Er hängt stark von der Frequenz ab. Unverputzter Beton reflektiert fast alles, sein Absorptionsgrad liegt bei 0,01 bis 0,02. Ein schwerer Vorhang erreicht bei 500 Hz fast 1,0. Fensterglas verhält sich umgekehrt zu vielen Dämmstoffen: Es absorbiert tiefe Frequenzen relativ gut und hohe kaum.
Die äquivalente Schallabsorptionsfläche fasst alle Oberflächen eines Raumes zusammen. Sie ist eine gedachte Fläche, die vollständig absorbiert und genauso viel schluckt wie alle Flächen gemeinsam: \(A = \sum_i \alpha_i \cdot S_i\). 20 m² Glas mit α = 0,35 und 60 m² verputzte Ziegelwand mit α = 0,02 ergeben bei 125 Hz eine Fläche von 8,2 m². Weil α frequenzabhängig ist, gibt es für jedes Frequenzband ein eigenes A.
Drei Arten, Schall zu schlucken
Ein poröser Absorber wandelt Schall durch Reibung in seinen offenen Poren in Wärme um. Mineralwolle, Akustikschaum und Vorhänge gehören dazu, auch Menschen. Poröse Absorber wirken bei hohen Frequenzen gut, bei tiefen kaum. Mit Abstand zur Wand verbessert sich ihre Wirkung, weil die Luftteilchen erst im Abstand einer Viertelwellenlänge am stärksten schwingen.
Ein Plattenschwinger ist ein Masse-Feder-System: eine Platte, die auf einem Luftpolster oder Dämmstoff vor einer Wand schwingt. Er wirkt in einem engen Bereich um seine Resonanzfrequenz, meist bei tiefen Frequenzen. Eine Gipskartonverkleidung mit Hohlraum ist das typische Beispiel. Mit 10 kg/m² und 50 mm Luftschicht vor einer Massivwand liegt die Resonanzfrequenz bei rund 84 Hz.
Ein Helmholtz-Resonator besteht aus einem Luftvolumen hinter einer engen Öffnung. Die Luft im Hals schwingt als Masse, das Volumen dahinter wirkt als Feder. Gelochte Platten über Hohlräumen nutzen dieses Prinzip flächig.
Ist ein Raum über alle Frequenzen zu hallig, braucht es deshalb eine Kombination aus porösen Absorbern und Resonatoren. [Abbildung: Absorptionsgrad über der Frequenz, poröser Absorber steigend, Resonator mit Maximum bei tiefen Frequenzen.]
Was die Sabine-Formel über Hörsäle sagt
Die Nachhallzeit ist die Zeit, in der der Schallpegel nach dem Abschalten einer Quelle um 60 dB abfällt. Sie ist das wichtigste Maß für die Halligkeit eines Raumes. Die Sabine-Formel verknüpft sie mit Volumen und Absorption:
$$T = 0{,}163 \cdot \frac{V}{A}$$
Die Formel lässt sich auch rückwärts lesen. Aus der Soll-Nachhallzeit einer Nutzung folgt die nötige Absorptionsfläche. Ein Raum von 10 × 7,5 × 3,4 m hat 255 m³. Bei einer Nachhallzeit von 1,82 s besitzt er 22,8 m² Absorptionsfläche. Für 0,8 s wären 52 m² nötig, also rund 29 m² mehr.
Aus der Formel folgt auch eine Entwurfsregel. Die Nachhallzeit wächst mit dem Volumen, nicht mit der Grundfläche. Hohe Altbauräume oder Klassenzimmer können trotz kleiner Fläche stark hallen. Für Seminarräume gelten Werte über 1 s bereits als problematisch. Musik verträgt längere Zeiten als Sprache. Ein Raum, der für alle Nutzungen gleich gut funktioniert, existiert nicht. Das Opernhaus in Sydney wird als Beispiel für einen Bau genannt, der für Oper akustisch schwierig ist und heute mit aktiver Akustik nachhilft [prüfen].
Gemessen wird die Nachhallzeit mit Rauschen aus einem Kugellautsprecher oder mit einem kurzen Impuls, etwa einer Klappe. Die meisten Geräte messen nur einen Abfall von 20 dB und rechnen auf 60 dB hoch, weil sonst das Grundgeräusch die Messung beendet.
Warum sich Akustik mit anderen Zielen reibt
Akustik konkurriert im Entwurf mit Gestaltung, Energie und Brandschutz. Sichtbeton, Glas und Steinböden reflektieren stark und machen Räume hallig. Akustikputz auf einer Betondecke stört dagegen die Bauteilaktivierung, weil die Decke offen zum Raum bleiben muss, um zu kühlen. Abgehängte Deckensegel mit Absorbern verbinden beides: Sie schlucken Schall und lassen die Decke von Luft umspülen.
Oft wird Akustik erst bedacht, wenn ein Raum fertig ist und nicht funktioniert. Kindergärten und Schulen werden dann mit Akustikpaneelen nachgerüstet. Ein Restaurant mit wechselnden Betreibern scheiterte nach dieser Darstellung nicht am Konzept, sondern an seiner Nachhallzeit.
Zusammenfassung
Wie ein Raum klingt, hängt davon ab, wie viel Schall seine Oberflächen in jedem Frequenzband schlucken. Poröse Absorber wirken bei hohen, Resonatoren bei tiefen Frequenzen, weshalb meist beide nötig sind. Die Sabine-Formel verbindet Volumen, Absorptionsfläche und Nachhallzeit und zeigt, dass hohe Räume besonders gefährdet sind.