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Viel schlank ist besser

Schallabsorbierende Unterdecken aus Lochblech werden oft auch für Heizung und Kühlung aktiviert. Die rückseitigen Wärmeleitprofile verringern dabei jedoch den Schallabsorptionsgrad der Decken, weil sie die Löcher überdecken. Messwerte gibt es meist nur für einen geprüften Belegungsgrad. Was geschieht aber mit der Absorption, wenn in der Praxis Belegungsgrad und Profilbreite abweichen? (Foto: Elmar Schröder)

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Foto: Elmar Schröder

Unterdecken und Wandverkleidungen aus Lochblech bestehen in der Regel aus 0,5 mm bis 0,8 mm dicken perforierten Metallkassetten, die meist rückseitig ein aufkaschiertes Vlies und –  je nach Anwendungsfall – auch eine Dämpfungseinlage aufweisen. Das Lochblech allein hat einen geringen Schallabsorptionsgrad und ist daher ohne zusätzliche Absorber für akustische Zwecke wenig geeignet.

In Abhängigkeit von der relativen freien Lochfläche, der Dicke des Lochblechs und in geringerem Maße auch der Lochweite haben perforierte Bleche einen vergleichsweise hohen Transmissionsgrad (Durchgang des Schalls). Dieser ist umso größer, je höher die relative freie Lochfläche, je kleiner die Dicke des Lochblechs und je geringer die Lochweite ist. In Abbildung 1 ist der rechnerische Transmissionsgrad bei verschiedenen relativen freien Lochflächen dargestellt. Dabei zeigt sich die typische Abnahme der Transmission zu hohen Frequenzen hin.

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Abb. 1: Rechnerischer Transmissionsgrad eines Lochblechs. Alle Abbildungen: Dipl.-Phys. Elmar Schröder

Der vergleichsweise hohe Transmissionsgrad von Lochblech ermöglicht aber die Anordnung von schallabsorbierenden Materialien hinter den Lochblechkassetten. In diesem Anwendungsfall ist das Lochblech im Prinzip die gestalterische Abdeckung eines dahinter befindlichen Schallabsorbers, z. B. aus Mineralfaser­platten. Der Schallabsorptionsgrad einer Unterdecke aus Lochblechkassetten ohne und mit einer Dämpfungsauflage aus Mineralfaser ist in Abbildung 2 dargestellt.

Häufig wird auf der Rückseite des Lochblechs ein Vlies aufkaschiert, dessen Dicke in der Regel weniger als 1 mm beträgt. Dieses Vlies übernimmt zunächst die Funktion des Staub- und Sichtschutzes. Wenn das Vlies zudem noch bestimmte akustische Eigenschaften aufweist, kann die Schallabsorption deutlich erhöht werden. Um die maximal mögliche Schallab­sorption zu erreichen, kommt es dabei auf den spezifischen Strömungs­widerstand des Vlieses an. Weitere Eigenschaften des Vlieses, wie der Strukturfaktor und die Porosität, bedürfen bei den marktüblichen Vliesen in der Regel keiner weiteren Optimierung. Der optimale spezifische Strömungswiderstand des Lochbleches mit aufkaschiertem Vlies beträgt etwa R S = 1.000 Pa × s/m.

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Abb. 2: Schallabsorptionsgrad einer Lochblechdecke ohne und mit Dämpfungsauflage aus 30 mm Mineralfaser.

Aufgrund der Geschwindigkeitstransformation der Schallwelle im Loch muss der spezifische Strömungswiderstand des Vlieses dem Lochflächenanteil angepasst werden. Bei einer relativen freien Lochfläche von A 0 = 20 % ergibt sich unter Berücksichtigung des optimalen spezifischen Strömungswiderstands der Gesamtkonstruktion von R S = 1.000 Pa × s/m ein rechnerisch optimaler Strömungswiderstand für das Vlies von etwa R S = 200 Pa × s/m.

Dickere Dämpfungen erhöhen die Absorption von tiefen Frequenzen

Im Detail sind die Dinge allerdings etwas komplizierter, da zum einen das Geschwindigkeitsprofil im Loch nicht homogen ist und sich hieraus ein Einfluss der Lochweite ergibt und zum anderen die Faservliese durch das Aufkaschieren mit Kontaktkleber zwar einen sehr guten, aber keinen perfekten luftdichten

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Abb. 3: Schallabsorptionsgrad einer Lochblechdecke mit aufkaschiertem Vlies und ohne sowie mit zusätzlicher Dämpfungsauflage aus 50 mm dicker Mineralfaser.

Abschluss zum Lochrand bilden. Bei großen Löchern von mehr als 5 mm Lochweite sind aufgrund des geringen Lochumfangs im Verhältnis zur Lochfläche die genannten Einflüsse meist vernachlässigbar, so dass sich die rechnerisch erwartete Geschwindigkeitstransformation des Strömungswiderstands auch tatsächlich einstellt. Bei den sogenannten Mikroperforationen, d. h. sehr geringen Lochweiten von in der Praxis meist 0,5 mm bis 0,8 mm, führt bereits die Anströmung des Lochrands zu einer merklichen Erhöhung des Strömungswiderstands, so dass sich hier auch ohne Vlies eine merkliche Erhöhung der Schallabsorption einstellt.

Bei relativen freien Lochflächen zwischen 15 % und 25 % und einem typischen Prüfaufbau mit 200 mm Deckenhohlraum (E-200 nach ISO 354) lassen sich mit vlieskaschierten Lochblechunterdecken bewertete Schallabsorptionsgrade von maximal aw = 0,80 erreichen. Diese vergleichsweise hohen bewerteten Schallab­sorptionsgrade erfordern jedoch eine optimale Abstimmung des Strömungs­widerstands auf die jeweilige relative freie Lochfläche und ggf. auch noch auf die Lochweite. In der Praxis steht wenig dafür, für jede relative freie Lochfläche ein anderes Vlies zu verwenden, zumal auch deren Strömungswiderstand Produktions­schwankungen unterliegt, so dass ein bewerteter Schallabsorptionsgrad von aw = 0,75 eine sinnvolle Zielgröße darstellt.

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Abb. 4: Schallabsoprtionsgrad einer Lochblechdecke mit aufkaschiertem Vlies bei verschiedenen Deckenabständen.

Wenn ein höherer Schallabsorptionsgrad erforderlich ist, kann dies mit einer zusätzlichen Dämpfungsauflage, z. B. aus Mineralfaser oder Polyesterfaser, erreicht werden. Damit sind bei 200 mm Gesamtaufbauhöhe (E-200 nach ISO 354) bewertete Schallabsorptionsgrade von aw = 1,00 erreichbar. Je dicker die zusätzliche Dämpfungsauflage gewählt wird, desto weiter kann die Schallabsorption auch im tieffrequenten Bereich erhöht werden (siehe auch Abbildung 3).

Deckenabstand und Lochbild beeinflussen die Absorption

Der Abstand zwischen der Lochblechdecke und der Rohdecke bestimmt von tiefen Frequenzen kommend die Lage des ersten Maximums der Schallabsorption. Bei senkrechtem Schalleinfall liegt das erste Maximum bei einer Frequenz, deren akustische Wellenlänge dem Vierfachen des Deckenabstands entspricht. Bei diffusem Schalleinfall, d. h. auch flacheren Einfallswinkeln, liegt die Frequenz des ersten Maximums etwas tiefer. Wie die Messergebnisse des Schallabsorptionsgrads in Abbildung 4 zeigen, kann durch eine Erhöhung des Deckenabstands die Schallabsorption zu tiefen Frequenzen hin erhöht werden.

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Abb. 5: Schallabsorptionsgrad einer Lochblechwandverkleidung mit verschiedenen Lochbildern.

Wie bereits bei den Erläuterungen zum Transmissionsgrad erwähnt, hängt dieser sowohl von der relativen freien Lochfläche, von der Dicke des Lochblechs als auch von der Lochweite ab. Um den Abfall der Schalltransmission zu möglichst hohen Frequenzen hin zu verschieben, muss das Lochblech dünn, die relative freie Lochfläche hoch und die Lochweite klein sein.

Bei der in der Praxis kleinsten möglichen Dicke des Lochblechs von s = 0,6 mm wird selbst bei einer relativen freien Lochfläche von nur A 0 = 4 % die Schallabsorption bis 1.000 Hz nur in geringem Maße verringert, wenn gleichzeitig die Lochweite mit w = 0,7 mm klein gewählt wird. Durch den Abfall der Schallabsorption in der 4.000 Hz-Oktave wird der bewertete Schallabsorptionsgrad kleiner, was in der raumakustischen Praxis jedoch in den meisten Fällen unproblematisch sein dürfte.

Bei einer geeigneten Dimensionierung des Vlieses und der Dämpfungsauflage ist der Architekt, abgesehen von Feinheiten in der Schallabsorption bei hohen Frequenzen, somit weitgehend frei in der Auswahl des Lochbilds (siehe Abbildung 5).

Mehr schmale Wärmeleitprofile sind akustisch zu bevorzugen

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Abb. 6: Schallabsorptionsgrad einer Lochblechunterdecke ohne und mit Wärmeleitprofilen bei unterschiedlichen Belegungsgraden.

Zum Heizen und/oder Kühlen können Wärmeleitprofile rückseitig auf Metalldecken befestigt werden. Aus thermischen Gründen ist dabei ein flächiger Kontakt zwischen den Wärmeleitprofilen und dem Lochblech erforderlich, so dass die vom Wärmeleit­profil abgedeckte Fläche nicht schallabsorbierend wirken kann. Mit zunehmendem Belegungsgrad durch Wärmeleitprofile nimmt daher der Schallabsorptionsgrad ab. Die Abnahme des Schallabsorptionsgrads mit zunehmendem Belegungsgrad durch Wärmeleitprofile erfolgt bei hohen Frequenzen schneller als bei tiefen Frequenzen (siehe Abbildung 6).

Ein Grund hierfür liegt in der Abhängigkeit des Transmissions­grads von der Frequenz. Einen zusätzlichen Einfluss hat der Strömungswiderstand des Vlieses. Durch die Wärmeleitprofile wird die effektive freie Fläche verringert, so dass sich der resultierende Strömungswiderstand des vlieskaschierten Lochblechs erhöht. Bei einem Belegungsgrad mit Wärmeleitprofilen von 50 % ergibt sich rechnerisch gegenüber dem vlieskaschierten Lochblech ohne Wärmeleitprofile eine Verdoppelung des resultierenden Strömungswiderstands.

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Abb. 7: Schallabsorptionsgrad einer Lochblechunterdecke mit Wärmeleitprofilen und mit 30 bzw. 80 mm dicker Dämpfungsauflage.

Wenn der resultierende Strömungswiderstand des vlieskaschierten Lochblechs ohne Wärmeleitprofile - wie in dem Beispiel in Abbildung 6 - bereits den doppelten Wert vom Zielwert aufweist, nimmt der Schallabsorptionsgrad durch die Wärmeleitprofile breitbandig ab. Vor diesem Hintergrund ist auch verständlich, dass eine zusätzlich eingebrachte Dämpfungsauflage nahezu keinen Einfluss auf den Schallabsorptionsgrad aufweist (siehe Abbildung 7).

Der akustische Effekt, dass die schallabsorbierende Fläche größer ist als die geometrische Fläche des Absorbers ist allgemein bekannt und wird aus der Kantenbeugung erklärt. Je größer der Umfang der Wärmeleitprofile im Verhältnis zu deren Fläche ist, desto mehr wirkt sich der Kantenbeugungseffekt auf den Schallabsorptionsgrad aus. In Abbildung 8 ist der Schallabsorptionsgrad bei gleichbleibendem Belegungsgrad mit Wärmeleitprofilen, aber unterschiedlichen Profilbreiten dargestellt. Oberhalb von 400 Hz ist mit zunehmendem Verhältnis von Umfang zu Fläche auch eine steigende Schallabsorption erkennbar. Innerhalb der in Abbildung 8 darge­stellten extremen Belegungsmuster kann der Schallabsorptionsgrad um etwa 10 % erhöht werden.

Lochblechverkleidungen machen breitbandige Absorption möglich

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Schallabsorptionsgrad einer Lochblechunterdecke ohne und mit Wärmeleitoprofilen bei unterschiedlichen Breiten der Wärmeleitprofile.

Mit perforierten Metalldecken und Wandverkleidungen lassen sich grundsätzlich sehr hohe Schallabsorptionsgrade erreichen. Wenn ein ausreichender Decken- bzw. Wandabstand zur Verfügung steht, kann eine über den gesamten raumakustischen Frequenzbereich gleichmäßige Schallabsorption erreicht werden. Verkleidungen aus Lochblech sind daher eine schalltechnisch gut geeignete Konstruktion, wenn es darauf ankommt, eine möglichst hohe, breitbandige Schallabsorption zu gewährleisten. Das ist beispielsweise häufig bei der Gestaltung von Einzel- und Mehrpersonenbüros, Besprechungsräumen sowie Klassenräumen gewünscht.

In manchen Anwendungsfällen, wie Tonstudios und Abhörräumen, ist ein hoher Schallabsorptionsgrad gar nicht gewünscht, sondern vielmehr ein möglichst breitbandiger und gleichmäßiger Verlauf des Schallabsorptionsgrads bei αS = 0,6…0,8. In diesen Fällen kann durch ein gezieltes Überabstimmung des Lochblechs, d. h. durch Auswahl eines Vlieses mit hohem Strömungswiderstand, kontrolliert ein nahezu beliebiger Schallabsorptionsgrad eingestellt werden.

Bei der Auswahl der Lochbilder ist der Architekt nahezu frei von akustischen Vorgaben, da selbst bei geringen relativen freien Lochflächen von A0 = 4 % nur kleine Abstriche bezüglich der Schallabsorption nötig werden. Das ist besonders für Oberflächen interessant, die im nahen Blickbereich liegen. Bei Lochweiten von w = 0,7 mm tritt kein störender Moiré-Effekt auf.

Aufgrund der vergleichsweise hohen Wärmeleitung von Stahl ist Lochblech mit rückseitig aufgebrachten Wärmeleitprofilen für flächige Kühlung und Heizung gut geeignet. Die Wärmeleitprofile begrenzen, je nach Belegungsgrad, den bewerteten Schallabsorptionsgrad von akustisch optimierten Lochblechkassetten auf Werte um ca. αw = 0,50 (± 0,10). In einem der häufigsten Anwendungsfälle, dem Mehrper­sonenbüro, ergibt sich bei vollflächiger Deckenverkleidung und in Verbindung mit der sonstigen Raumausstattung eine optimale Bedämpfung des Raums und der Schallausbreitung.