Schallabsorption

Schallabsorption

Feste Fahrbahn auf der Schnellfahrstrecke Köln–Rhein/Main mit Schallabsorbern zur Reduktion der Ausbreitung des Rad-Schiene-Geräusches.

Die Schallabsorption bezeichnet den Vorgang der Verminderung der Schallenergie insbesondere (aber nicht notwendigerweise) durch Umwandlung in Wärme. „Absorbieren“ ist gleichbedeutend mit „Schlucken“ und „Aufsaugen“. Der Begriff wird sehr ähnlich wie Schalldissipation und wie Schalldämpfung verwendet. Die Unterscheidung zur Dissipation besteht darin, dass unter ihr ausschließlich die Umwandlung in andere Energie als Schall, insbesondere Wärme, verstanden wird, während bei der Absorption grundsätzlich auch andere Arten des „Verschwindens“ des Schalls gemeint sein können (siehe Absorptionsgrad). Schalldämpfung bezeichnet dagegen jede Art von Verringerung der Schallintensität, die nicht notwendigerweise mit einer Verringerung der Schallenergie zu tun haben muss, zum Beispiel durch Divergenz, also durch Verteilung der Schallenergie auf eine größere Fläche.

Zur quantitativen Bestimmung der Schallabsorption werden zwei Größen verwendet, der Absorptionskoeffizient und der Absorptionsgrad.

Absorptionskoeffizient

Der Absorptionskoeffizient ist wie in der Optik der Exponentialkoeffizient der Abnahme der Intensität einer ebenen (also divergenzfreien) Welle. Er ist eine Materialkonstante des Übertragungsmediums bei der Schallausbreitung. Weil diese Materialkonstante nur durch dissipative Absorption gekennzeichnet ist, ist sie faktisch identisch mit dem Dissipationskoeffizient.

Absorptionsgrad

Der Schallabsorptionsgrad $ \alpha $ ist ein Maß für die geschluckte Schallintensität. Der Schallreflexionsgrad $ \rho $ ist ein Maß für die reflektierte Schallintensität. Der Schalltransmissionsgrad $ \tau $ ist ein Maß für die durchgelassenen Schallintensität. Der Schalldissipationsgrad $ \delta $ ist ein Maß für die "verlorengegangene" Schallintensität.

Zusammenhänge:

$ \begin{align}\rho + \alpha &=& 1\\ \rho + \tau + \delta &=& 1\\ \alpha &=& \tau + \delta \end{align} $

Die erste Gleichung besagt, dass die Summe von reflektierter und absorbierter Schallintensität, also von Schallreflexion und Schallabsorption, stets der gesamten Schallintensität entspricht. Die letzte Gleichung drückt aus, dass sich die absorbierte Schallintensität aus durchgelassener (transmittierter) und "verlorengegangener" (dissipierter) Schallintensität zusammensetzt. Schallabsorption entsteht also durch gleichzeitige Schalltransmission und Schalldissipation.

Schallabsorber

Nicht alle Konstruktionen, die heute unter dem Begriff 'Schallabsorber' behandelt werden, beruhen eigentlich auf Absorption, also auf der Umwandlung von Schall- in Wärmeenergie. Vier physikalisch grundsätzlich verschiedene Wirkungsweisen der Reduktion von Schallreflexion werden unten aufgelistet.

Ferner ist gedanklich zu unterscheiden zwischen einer Schallabsorption zur Reduktion von Reflexionen (etwa zur Unterbindung von Nachhall und/oder Stehwellen in Innenräumen) gegenüber einer Schallisolation (Abschirmung) nach außen. - So lässt sich Schallisolation bereits über die schiere Masseträgheit einer glatten und schallharten Wand bewirken (etwa aus Stahl oder Beton), welche aber innenräumig (diesseitig) gerade eine maximale Schallreflexion bewirkt.


Schallabsorption durch Schallwegvergrößerung

Für die Absorption von Luftschall verwendet man in der Praxis poröse und/oder faserige Absorptionsmaterialien. Dadurch wird die Oberfläche, auf welche der Schall auftrifft, um ein vielfaches vergrößert. Ein Teil der Schallenergiereduktion kann also bereits auf einer bloßen Verlängerung des Schallwegs beruhen, indem der Schall vielfach umgelenkt (reflektiert) wird, bevor er wieder aus dem Absorber austritt. - Da sich Schallenergie quadratisch reziprok zum zurückgelegten Schallweg verhält (s. Dissipation), ist der Energiepegel des wieder aus dem Absorber austretenden Schalls bereits veringert, selbst schon bei einem starren Absorptionsmaterial (z. B. Meerschaum oder andere schallharte Materialien, wie etwa Röhren, o. dergl.), denn er hat bereits einen längeren Weg hinter sich, als dies bei einer glatten und planen Reflexionsfläche der Fall wäre.

Schallabsorption durch mechanische Dämpfung

Darüber hinaus wird Schallenergie auch in kinetische Energie gewandelt, wenn das Dämpfungsmaterial (s. o.) zudem auch elastisch (Wollfasern, Gummimoleküle, u. a.) oder beweglich verformbar ist (Sand, Späne, u. a.), wodurch der Energiepegel des aus dem Absorber austretenden Schalls noch um ein weiteres reduzierbar ist.

Schallabsorption durch Resonatoren

Eine weitere Möglichkeit zur Schallreduktion bieten Resonatoren. Als eine Absorber-Konstruktion eignet sich ein Plattenresonator (Membranabsorber), bzw. ein Helmholtz-Resonator.

Reflexionsreduktion durch Gegenschall

Ferner lässt sich Schall auf elektronischen Wege ('aktiv') auslöschen. Bei diesem Verfahren ist nicht eigentlich von Absorption (Wandlung in Wärme- oder kinetische Energie) zu sprechen, sondern von Schallauslöschung. Dabei wird dem eintreffenden Schall durch Lautsprecherkonstruktionen ein gegenphasiges Signal entgegengesetzt, sodass es durch Phasenauslöschung abgeschwächt wird (s. Gegenschall).

Kombinierte Wirkungsweisen

Viele Konstruktionen zur Reflexionsreduktion kombinieren die oben genannten Wirkungsweisen, so. z. B. eine Plattenschwingerkonstruktion (Resonator), die zusätzlich mit elastischem Material befüllt ist.

Schallabsorption in der Bauakustik

Der in einem Raum erzeugte Schall breitet sich als Luftschallwelle aus und trifft auf Raumbegrenzungsflächen, die den Schall teilweise absorbieren und teilweise reflektieren. Teppiche sind die einzigen Bodenbeläge, die eine ausreichende Schallabsorption luftgetragener Geräusche ermöglichen. Bei der raumakustischen Berechnung wird z. B. für Teppichböden der geforderte Schallabsorptionsgrad festgelegt. Die Messung erfolgt in einem Hallraum durch Vergleich der Nachhallzeiten mit und ohne Belag.

Siehe auch

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