IFA-LSA 01-234 - Geräuschminderung in Fertigungshallen Grundlagen und Auswahlkriterien zur Schallabsorption Lärmschutz-Arbeitsblatt LSA 01-234

In diesem Abschnitt werden zwei alternative Verfahren zur Ermittlung des mittleren Schallabsorptionsgrads ᾱ beschrieben. Das erste Verfahren geht von bekannten oder typischen Schallabsorptionsgraden der einzelnen Teilflächen aus. Das zweite Verfahren basiert auf einer Messung der Nachhallzeiten und anschließender Berechnung nach der statistischen Theorie. Wo immer es möglich ist, sollte eine Messung und Bestimmung der raumakustischen Kennwerte Vorrang vor einer Abschätzung haben.

4.1.1
Berechnung des mittleren Schallabsorptionsgradesᾱaus absorbierenden Teilflächen

Prinzipiell lässt sich der mittlere Schallabsorptionsgrad ᾱ nach Gleichung (3.4) aus der äquivalenten Absorptionsfläche A und der gesamten Raumoberfläche S berechnen. Die äquivalente Absorptionsfläche A kann dabei nach Gleichung (3.3) aus den Absorptionsgraden α_i der einzelnen Teilflächen S_i und den entsprechenden Größen der Flächen bestimmt werden. Die zugehörigen Absorptionsgrade α_i können dabei z. B. entsprechenden Tabellen in der Literatur entnommen werden. Für viele Materialien und spezielle Akustik-Produkte sollten sich Angaben der Hersteller (Prüfzeugnisse nach ISO 354 [7] oder ISO 11654 [8]) finden lassen.

Tabelle 4.1 zeigt die in der TRLV Lärm im Teil 3 [4] gegebene Auflistung von Schallabsorptionsgraden für verschiedene schallharte und schallabsorbierende Baumaterialien. Diese Werte sind jeweils über die Oktaven mit den Mittenfrequenzen von 500 Hz bis 4000 Hz gemittelt und eignen sich für eine überschlägige Ermittlung des mittleren Schallabsorptionsgrads ᾱ, z. B. zur Beurteilung von bereits existierenden Arbeitsräumen.

Für die Planung von neuen Arbeitsräumen empfiehlt sich jedoch die entsprechende Berechnung für die einzelnen Oktavbänder von 500 Hz bis 4000 Hz. Die in den Oktavbändern anzusetzenden Absorptionsgrade lassen sich z. B. der in der DIN 18041 [9] gegebenen Tabelle entnehmen. Außerdem sollten alle Hersteller von schallabsorbierenden Materialien die Absorptionsgrade für ihre Produkte angeben können. Aufgrund der Vielzahl von Varianten und der starken Abhängigkeit der Absorptionsgrade z. B. von der Materialstärke und der Art der Montage (siehe Abschnitt 5.1) sind bei dieser Rechnung größere Unsicherheiten möglich.

Beispiel:

Als einfaches Beispiel zu diesem Verfahren sei hier eine überschlägige Berechnung des mittleren Schallabsorptionsgrades ᾱ für die mittelgroße Halle (45 · 20 · 8 m³) aus Abschnitt 3.4 durchgeführt (Rechnung für Mittelwerte der Schallabsorption der Oktaven von 500 Hz bis 4000 Hz entsprechend Tabelle 4.1). Für die Raumbegrenzungsflächen wird die häufige Situation angenommen, dass die Decke aus Stahltrapezblech, die Wände aus unverputzten Ziegeln und der Boden aus Beton bestehen. In einer der Längswände befinden sich mehrere Fenster mit einer Gesamtfläche von 50 m². Dann ergibt sich:

Tab. 4.1
Schallabsorptionsgrade für verschiedene in industriellen Arbeitsräumen übliche Raumbegrenzungsflächen [4] (Mittelwerte über die Oktaven mit den Mittenfrequenzen von 500 bis 4000 Hz).

Somit ergibt sich nach Gleichung (3.3):

und

S = 900 m² + 990 m² + 50 m² + 900 m² = 2840 m²

Damit folgt nach Gleichung (3.4):

Da sich bei Schallabsorptionsmaterialien in Abhängigkeit von der Frequenz vielfach größere Unterschiede in der Schallabsorption ergeben, empfiehlt es sich, bei einer entsprechenden schallabsorbierenden Gestaltung von Teilflächen die obige Rechnung jeweils für die vier Oktaven mit den Mittenfrequenzen 500 Hz, 1000 Hz, 2000 Hz und 4000 Hz und den jeweils dazugehörigen frequenzabhängigen Schallabsorptionsgraden durchzuführen. Auch der Vergleich mit den entsprechenden Vorgaben der TRLV Lärm erfordert eine separate Betrachtung für die einzelnen Oktavbänder.

4.1.2
Ermittlung des mittleren Schallabsorptionsgradesᾱmit Hilfe der Nachhallzeit

Berechnung des mittleren Schallabsorptionsgrades:

Der mittlere Schallabsorptionsgrad ᾱ kann unter bestimmten räumlichen Bedingungen durch eine Messung der Nachhallzeit T und unter Verwendung der Gleichungen (3.2) und (3.4) bestimmt werden. Dazu sollte ein möglichst diffuses Schallfeld vorliegen, wie es mit Blick auf die in den Normen DIN 18041 [9] und DIN EN 12354-6 [10] gegebenen Hinweise unter folgenden Bedingungen angenommen werden kann:

• Der Raum ist möglichst quaderförmig. Räume mit komplizierten Primärformen (kreisförmiger oder elliptischer Grundriss, konkav gewölbte Schnittführungen, gekoppelte Räume usw.) sind i. d. R. nicht geeignet.

• Länge und Breite des Raumes betragen das 0,3- bis 3-fache der Raumhöhe und die Länge höchstens das 2-fache der Raumbreite.

• Ggf. vorhandene schallabsorbierende Flächen sind gleichmäßig verteilt und der Absorptionsgrad zwischen Paaren gegenüberliegender Oberflächen weicht um nicht mehr als einen Faktor 3 voneinander ab.

• Der Raum enthält nur eine begrenzte Anzahl größerer Objekte, d. h. das Verhältnis der Summe des Volumenanteils aller Objekte zum Volumen des leeren Raumes ist kleiner als 0,2.

Werden die obigen Bedingungen nicht eingehalten, so muss man auf jeden Fall mit größeren Unsicherheiten rechnen. So stößt man z. B. bei den vielfach üblichen Flachräumen (Länge > 5-fache Höhe, Breite > 3-fache Höhe) und Langräumen (Länge > 5-fache Höhe, Breite = 0,3- bis 3-fache Höhe) auf die Grenzen für die Nachhallzeitmessung und die entsprechende Berechnung des mittleren Absorptionsgrades. Zusätzliche Unsicherheiten können sich in sehr großen Hallen ergeben, da sich dort die Luftabsorption im Raumvolumen verstärkt auswirkt.

Da die Technischen Regeln zur Lärm- und Vibrations-Arbeitsschutzverordnung [4] raumakustische Vorgaben für die Oktavbänder von 500 Hz, 1000 Hz, 2000 Hz und 4000 Hz machen, sollte die Nachhallzeit T für diese Oktavbänder ermittelt werden. Im nächsten Schritt lassen sich dann die äquivalenten Absorptionsflächen A in diesen Frequenzbändern berechnen. So ergibt sich nach der im Abschnitt 3.3 eingeführten Zahlenwertgleichung (3.2) bei Auflösung nach der äquivalenten Absorptionsfläche A die folgende Gleichung:

dabei ist:

Der mittlere Absorptionsgrad ᾱ kann dann für die einzelnen Oktavbänder nach Gleichung (3.4) jeweils aus dem Verhältnis der äquivalenten Absorptionsfläche A zur gesamten Raumoberfläche S bestimmt werden. Für eine überschlägige Beurteilung eines Arbeitsraumes genügt die Betrachtung von nur einem Frequenzband, z. B. der Oktave mit der Mittenfrequenz von 1000 Hz.

Verfahren zur Ermittlung der Nachhallzeit:

Die DIN EN ISO 3382-2 [11] beschreibt mehrere Verfahren zur Ermittlung der Nachhallzeit T. Zur Anregung des Raumes und der Erfassung des anschließenden Pegelabfalls kann man entweder über einen Lautsprecher ein Rauschsignal erzeugen und dieses plötzlich ausschalten oder einen Schallimpuls erzeugen. Für letztere Anregung benötigt man eine Schallquelle, die einen ausreichend starken und breitbandigen Schallimpuls liefert. Dies kann z. B. der Schuss einer Signalpistole oder das Platzen eines Luftballons sein. Außerdem wird hinsichtlich Genauigkeit zwischen Kurz-, Standard- und Präzisionsverfahren mit entsprechend unterschiedlichem Messaufwand unterschieden.

Zusätzlich ist das Verfahren der integrierten Impulsantwort beschrieben. Damit lässt sich eine Raumimpulsantwort aufzeichnen, aus der alle notwendigen raumakustischen Eigenschaften berechnet werden können. Das Verfahren benötigt entsprechende Messsysteme, ist jedoch weniger anfällig gegenüber Störschall.

In diesem Lärmschutz-Arbeitsblatt wird nur das Kurzverfahren beschrieben, weil es mit relativ geringem Aufwand in der betrieblichen Praxis anzuwenden ist und für diese Anwendung ausreichend genaue Ergebnisse liefert.

Zur Ermittlung der Nachhallzeit bzw. Erfassung des Pegelabfalls nach der Schallanregung wird ein geeignetes Messsystem benötigt (siehe DIN EN ISO 3382-2, Abschnitt 4.2 [11]). In der Regel wird dazu ein Schallpegelanalysator eingesetzt, der eine Funktion zur Ermittlung der Nachhallzeit besitzt. Vielfach bieten die Schallpegelmesser dabei unterschiedliche Auswertungen an und weisen z. B. Nachhallzeiten mit den Bezeichnungen EDT (Early Decay Time), T₂₀ und T₃₀ als Messwerte aus. Diese Nachhallzeiten EDT, T₂₀ und T₃₀ basieren jeweils auf einer Auswertung kürzerer Abfallzeiten und Extrapolation auf den Pegelabfall von 60 dB. Dabei werden für EDT die Pegelabfälle zwischen 0 dB und 10 dB, für T₂₀ die Abfälle zwischen 5 dB und 25 dB und für T₃₀ die Abfälle zwischen 5 dB und 35 dB verwendet. In der DIN EN ISO 3382-2 wird der Verwendung von T₂₀ Vorrang gegeben, da für die Abschätzung des stationären Schalldruckpegels in einem Raum der frühere Teil des Abklingens geeigneter ist. Zudem kann die Auswertung über den größeren Pegelabfall von 30 dB in einigen Arbeitsräumen Probleme bereiten, da der Grundgeräuschpegel gewöhnlich zu hoch ist. Deshalb wird auch in diesem Lärmschutz-Arbeitsblatt die Erfassung der Nachhallzeit T₂₀ empfohlen, obwohl bei Ermittlung der Nachhallzeit T₃₀ bei ausreichendem Signal-Rausch-Abstand erfahrungsgemäß etwa die gleichen Ergebnisse zu erwarten sind.

Bei dem Kurzverfahren nach DIN EN ISO 3382-2 [11] ist die Nachhallzeit zweimal nacheinander zu erfassen, wobei die Schallquelle jeweils an derselben Stelle verbleibt, die Mikrofone aber an zwei unterschiedlichen Stellen positioniert werden. Bei Anwendung des Verfahrens mit Hilfe eines Lautsprechers und abgeschaltetem Rauschsignal ist aufgrund des Zufallscharakters des Signals für jede Mikrofonposition eine mehrfache Messung der Nachhallzeit und die Berechnung des entsprechenden Mittelwertes notwendig.

Die Schallquelle ist jeweils möglichst in der Nähe einer Ecke des Raumes aufzustellen. Die Mikrofone sollten einen möglichst großen Abstand zu der Schallquelle einhalten, um einen zu starken Einfluss des Direktschalls zu vermeiden. Im Rahmen der hier beschriebenen Anwendung sollte es ausreichen, wenn der Abstand zwischen Mikrofon und Schallquelle 1/3 der größten Raumabmessung beträgt. Außerdem ist zu beachten, dass das Mikrofon zur nächstgelegenen reflektierenden Oberfläche (einschließlich des Bodens) jeweils einen Abstand von mindestens 1 m einhält. Die beiden Mikrofonpositionen sollten mindestens 2 m voneinander entfernt sein. Es empfiehlt sich, Positionen in unterschiedlichen Bereichen des Raumes zu wählen und symmetrische Positionen zu vermeiden. Erfahrungsgemäß ergeben sich keine großen Unterschiede für die Nachhallzeiten an den beiden Messpunkten. Bei tiefen Frequenzen, z. B. bei 250 Hz und darunter, muss allerdings mit größeren Abweichungen zwischen verschiedenen Messungen gerechnet werden. Als Ergebnis ist jeweils der arithmetische Mittelwert aus den verschiedenen Messungen zu bestimmen.

Beispiel:

Als Beispiel für die Bestimmung des mittleren Schallabsorptionsgrades sei eine quaderförmige Halle mit den Abmessungen Länge · Breite · Höhe von 30 · 20 · 10 m³ betrachtet, d. h. das Verhältnis von Länge zu Höhe entspricht der oben empfohlenen Grenze von 3:1. In der Halle sind neun kleinere Maschinen aufgestellt, die allesamt eine Bauhöhe von weniger als zwei Metern haben. Alle Raumbegrenzungsflächen sind aus schallharten Materialien (Beton, Blech) ausgeführt (d. h. keine absorbierenden Raumbegrenzungsflächen). Somit kann ein ausreichend diffuses Schallfeld angenommen werden, so dass der mittlere Schallabsorptionsgrad ᾱ aus Nachhallzeitmessungen ermittelt werden kann.

In Tabelle 4.2 sind die Nachhallzeiten T von dieser Halle in den Oktavbändern von 500 Hz bis 4000 Hz zusammengestellt ( jeweils Mittelwerte aus zwei Messungen von T₂₀). Ebenso sind hier die nach Gleichung (4.1) berechneten äquivalenten Absorptionsflächen A und die nach Gleichung (3.4) berechneten mittleren Schallabsorptionsgrade ᾱ gelistet.

Tab. 4.2
Nachhallzeiten für eine 6000 m³ große Fertigungshalle sowie daraus berechnete äquivalente Absorptionsflächen A und mittlere Schallabsorptionsgrade ᾱ für die Oktavbänder mit den Mittenfrequenzen von 500 Hz bis 4000 Hz.

Die entsprechende Rechnung für die 500 Hz-Oktave ergibt sich wie folgt:

Das Raumvolumen ist V = 30 · 20 · 10 m³ = 6000 m³ und die gesamte Raumoberfläche ist

S = 2·20·30 m² + 2·10·30 m² + 2·10·20 m² = 2200 m².

Bei der Nachhallzeit von 3,5 s ergibt sich die äquivalente Absorptionsfläche nach Gleichung (4.1) zu:

und der mittlere Schallabsorptionsgrad nach Gleichung (3.4) zu: