Physikalische & Bauakustik

Akustik: Schall trifft Raum

Ein musikalischer Ton, der in einer Marmorkathedrale erklingt, hat kaum etwas mit demselben Ton gemein, der in einem reflexionsarmen Raum erzeugt wird. Der physische Raum wirkt als Mitspieler.

Die Geometrie des Nachhalls: Wallace Clement Sabine

Bis zum späten 19. Jahrhundert galt die Raumakustik als unberechenbares Handwerk. Wallace Clement Sabine an der Harvard University machte das Fachgebiet zur Wissenschaft, indem er den mathematischen Zusammenhang zwischen Abklingrate und Raumeigenschaften herleitete. Die klassische Sabine-Formel definiert die Nachhallzeit ($RT_{60}$), also die Zeit, in der die stationäre Schallenergie nach Ende der Schallquelle um 60 Dezibel abklingt:

Bestehen Oberflächen aus hartem, nicht porösem Putz (α ≈ 0,02), werden Schallwellen Hunderte Male reflektiert, bevor sie verklingen. Werden Wände dagegen mit dichter Glasfaser oder offenporigem Akustikschaum (α ≈ 0,85) behandelt, wird die Energie durch viskose Reibung im Porengefüge rasch abgebaut und erwärmt die Luft minimal.

Wellenüberlagerung und axiale Raummoden

Schall breitet sich in trockener Luft mit etwa 343 Metern pro Sekunde aus (bei 20 °C). Eine Bass-Welle von 50 Hz hat eine physikalische Wellenlänge von 6,86 Metern. Trifft diese Welle auf Wände, die genau 3,43 oder 6,86 Meter voneinander entfernt stehen, deckt sich die reflektierte Welle exakt mit der eintreffenden.

So entstehen stehende Wellen bzw. Raummoden. An bestimmten Positionen verdoppelt konstruktive Interferenz den Schalldruck und erzeugt eine dröhnende Resonanzspitze. In Knoten, die eine halbe Oktave entfernt liegen, löscht destruktive Interferenz die Frequenz vollständig aus. Tiefe Basstöne sind dann für die Hörerin oder den Hörer unabhängig von der Verstärkerleistung nicht zu hören.

Diffusion vs. Absorption: Die Lebendigkeit des Klangs bewahren

Wird ein Hörraum mit dünnen porösen Absorbern übermäßig behandelt, werden die Höhen abgeschwächt, während die dumpfen tiefen Moden völlig unverändert bleiben. Das erzeugt einen gedämpften, unnatürlichen Klangraum. Um die Brillanz zu erhalten und zugleich Flatterechos (schnelle Pingpong-Reflexionen zwischen parallelen harten Wänden) zu beseitigen, setzen Akustiker Schroeder-Diffusoren ein.

Quadratische Rest-Diffusoren (QRD) besitzen Vertiefungen mit berechneten Tiefen, die auf Primzahlresten basieren. Trifft eine kohärente Welle auf den Diffusor, wird die reflektierte Energie gleichmäßig über 180 Grad sowohl zeitlich als auch räumlich gestreut. So werden Reflexionen geglättet, ohne die Raumatmosphäre zu ersticken.

Tabelle der Materialien und Absorptionskoeffizienten