Geräuschentwicklung und Schall bei der Lüftung

Grundlagen und Definition von Schall

 

Unter Schall versteht man die sich wellenförmig ausbreitende Schwingung, in einem gasförmigen, flüssigen oder festen Stoff, die Geräusche verursacht. Die Schallfrequenz (Tonhöhe) bezeichnet die Anzahl an Schwingungen der Schallwelle pro Sekunde, gemessen in Hertz [Hz]. Der Hörbereich des Menschen liegt zwischen 16 Hz und 20.000 Hz, wobei der obere Frequenzbereich mit fortschreitendem Alter zu kleineren Frequenzen hin abnimmt. Das bedeutet, hohe Töne werden von Erwachsenen zumeist schlechter wahrgenommen als von Kindern. Die für den Menschen nicht hörbaren Schallwellen mit Frequenzen unterhalb von 16 Hz werden als Infraschall, solche mit einer Schwingungszahl von über 20.000 Hz als Ultraschall bezeichnet. Diese werden von verschiedenen Tierarten zur Verständigung oder zur Orientierung genutzt.

Das menschliche Ohr als Sinnesorgan zur Aufnahme von Geräuschen empfindet diese nicht nur leise oder laut, sondern auch angenehm oder unangenehm. Neben den physikalischen Gesetzmäßigkeiten sind daher auch die physiologischen Zusammenhänge durch das subjektive Hörempfinden bei der Geräuschbewertung von Bedeutung.

 

Schall - der Frequenzbereich

Schallübertragung und Schallarten

Schallwellen können sich nicht im luftleeren Raum ausbreiten, sondern brauchen ein sogenanntes Übertragungsmedium, dessen bewegliche Teilchen die Welle weiterleiten kann – beispielsweise Luft, Wasser, Gestein oder Metall.

Als „Körperschall“ werden mechanische Schwingungen bezeichnet, die sich in festen Stoffen ausbreiten. Dieser kann nicht direkt vom Ohr wahrgenommen werden, sondern wird durch Abstrahlung von Wänden und anderen Oberflächen als Luftschall abgestrahlt, den das menschliche Ohr hören kann. Die Oberfläche des Körpers versetzt dabei wie die Membran eines Lautsprechers die umgebende Luft in Schwingung. Beispiele für Körperschall sind: Einen Nagel in die Wand schlagen, Gegenstände fallenlassen oder Treppe steigen (Trittschall).

„Luftschall“ wird direkt durch Druckschwingungen der Luft übertragen, wie beispielsweise beim Sprechen. Die Schallausbreitung erfolgt im Freien kugelförmig nach allen Seiten und ist abhängig von der Entfernung der Schallquelle, Hindernissen auf dem Weg und der sogenannten Schallreflexion, die zur Entstehung eines Echos führt. 



Vom Schalldruck zum Schalldruckpegel

Schalldruck und Schallempfindlichkeit des Gehörs

Vom menschlichen Gehör wird der Schalldruckpegel wahrgenommen, der sich je nach Räumlichkeit und Abstand von der Schallquelle verändert. Eine Schallwelle ist eine Abweichung des Luftdrucks vom sonst herrschenden Luftdruck. Dieser sogenannte Schalldruck [p] wird in Pascal [Pa] gemessen.

Unser Gehör ist dafür da, diese schnellen Luftdruckschwankungen zu registrieren. Sie liegen bei einem normalen Gespräch bei etwa 0.05 Pa (1/2.000.000 des atmosphärischen Luftdrucks). Wetterveränderungen lassen den Luftdruck manchmal um mehrere tausend Pascal schwanken. Schalldruck bzw. Schalldruckpegel verändern sich entfernungsabhängig, d. h. je weiter man sich von der Schallquelle entfernt, umso kleiner werden die Druckschwankungen und umso leiser wird der Schall empfunden.

Schallempfindlichkeit des Gehörs und Schalldruckpegel

 

Das Gehör kann einen Schalldruckbereich von 0.00002 Pa (Hörschwelle) bis ca. 20 Pa (Schmerzgrenze) verarbeiten. Das menschliche Gehör kann dabei langsame Druckschwankungen ignorieren, etwa durch den Höhenunterschied beim Treppensteigen (mehrere 10 Pa) oder bei einer Wetterveränderung. Der vorhandene statische Luftdruck hat keinen Einfluss auf das Hören, denn er wirkt auf der Trommelfellaußen- und -innenseite gleichermaßen. Ein Druckausgleich kann beim Gähnen oder bei anderen Kieferbewegungen stattfinden.

Schalldruck und Geräuschpegel

 

Schalldruckpegel bzw. Geräuschpegel

Der Lautstärkeeindruck hängt nicht allein vom Schalldruck ab, sondern auch von der Wahrnehmungsfähigkeit des menschlichen Ohres. Für schwache Signale ist das Ohr sehr empfindlich, für starke Signale ist die Empfindsamkeit deutlich kleiner. 

Der Schalldruck eines Tons ist ein sehr kleiner absoluter Wert und die Skala sehr weit. Um die Stärke des Schalls anzugeben, wird der Schalldruck p eines Tons mit dem eines gerade noch wahrzunehmenden Tons (Hörschwelle 1 kHz) verglichen. Der Schalldruckpegel (bzw. Schallpegel) Lp ist somit eine relative Bezugsgröße. Die Maßangabe erfolgt in Dezibel [dB] auf einer logarithmischen Skala. Die Schalldruckwerte von 0.00002 Pa bis 20 Pa werden durch die Dezibel-Werte von 0 bis 120 dB abgebildet. 

Der Schalldruckpegel lässt sich aus dem Schalldruck und dem Bezugsschalldruck von 1kHz mit der folgenden Formel berechnen:

Fofmel zum Schalldruckpegel

Auch das menschliche Gehör arbeitet in etwa logarithmisch, das Dezibelmaß des Schalldruckpegels erlaubt damit eine bessere Abbildung des Lautstärkeeindrucks eines akustischen Signals. Ein Mensch kann Unterschiede von unter einem Dezibel nicht wahrnehmen. Eine Erhöhung des Schallpegels um 10 dB wird als etwaige Verdoppelung der Lautstärke wahrgenommen. Eine Abstandsverdoppelung zur Schallquelle bewirkt eine Pegelreduzierung von ca. 5 dB.


Schallschutz bei Lüftungen

Wind und Wetterveränderungen wirken sich auf den Luftvolumenstrom aus, der durch eine Lüftungsanlage fließt. Mitunter können dadurch wahrnehmbare und störende Geräusche entstehen. Eine Schallreduzierung lässt sich durch manuelle Regelungen oder durch eine automatisierte Anpassung mittels geeigneten Zubehörs erreichen. 

 

Schallreduzierung bei Lüftungssystemen

Grundsätzlich gilt: Je höher der Luftvolumenstrom, desto lauter sind die Geräusche, die durch ein dezentrales Lüftungssystem entstehen können. Bei einer Verringerung des Luftvolumenstroms sinken folglich die Strömungsgeräusche.

Um diese Reduzierung des Luftvolumenstroms zu erreichen gibt es grundsätzlich zwei Möglichkeiten:

  • Aktive Anpassung durch den Nutzer

  • Passive Nutzung von Zubehörteilen, um Strömungsgeräuschen und Luftvolumenstrom zu verringern 

 

 

inVENTer PAX für hohe Schalldämmung

inVENTer PAX Schalldämmlüfter sind akustisch kaum wahrzunehmen und bieten eine Lösung bei erhöhtem Schallschutzbedarf, beispielsweise bei windexponierten Gebäuden oder Gebäuden mit geringer Wandstärke.

 

"Wir haben hier im Norden Deutschlands stets das Problem gehabt, dass der starke Nordwind die Ventilatoren unserer Lüftungssysteme zum Übersteuern brachte. Das konnte man auch akustisch wahrnehmen. Mit dem neuen inVENTer PAX haben wir nun endlich eine Lösung für alle betroffenen Wohneinheiten an der Küstenregion." – Olaf Elbinger, Geschäftsführer von Brüggemann Energiekonzepte GmbH

 

Der Schalldruckpegel bzw. Geräuschpegel wird bei allen inVENTer-Produkten nach DIN EN ISO 10052 (zum Nachweis für DIN 4109) geprüft und unterliegt somit klar definierten Standards zum Versuchsaufbau. Die Messungen finden an mehreren festen Positionen im Raum statt, dabei werden auch schallverstärkende Geometrien und Materialien berücksichtigt. Der Abstand zur Schallquelle beträgt dabei 1,5 m, der Abstand zu schallreflektierenden Objekten mindestens 0,5 m.

Schallvergleich und dezentrale Lüftung



Messverfahren für Normschallpegeldifferenz und Schalleistung

Zusammenhang zwischen Schallleistung und Schalleistungspegel

Die abgestrahlte Schallleistung [P] einer Geräuschquelle pro Zeiteinheit wird in Watt angegeben und beschreibt allgemein gesagt die Leistung der Schallquelle. Sie kann durch die Messung des Schalldrucks an mehreren Stellen eines geschlossenen Raumes bestimmt werden. Aus den Schalldruckpegeln in einem bestimmten Abstand von der Schallquelle kann deren Schallleistung oder bei gegebener Schallleistung der Schalldruckpegel in einem bestimmten Abstand berechnet werden.

Berechnung der Schalleistung:

Berechnen von der Schallleistung

I - Schallintensität
A - Bezugsfläche

Die Schalleistung [P] ist eine entfernungs- und raumunabhängige Größe, die sich als Ausgangspunkt für alle schalltechnischen Berechnungen eignet. Der Schallleistungspegel [Lw] ist die logarithmische Darstellung der Schalleistung und in der Praxis die gängige Größe.

Formel zum Berechnen der Schallleistungspegel

P - Schallleistung [Watt]
P0 - Bezugschallleistung [Watt]

 

Rechnen mit Schalldruckpegeln

Schalldruckpegelwerte dürfen nicht einfach addiert werden. Lediglich die Schallleistung (bzw. Schallintensität) zweier Schallquellen, die zum Quadrat des Schalldrucks proportional ist, addiert sich. Für eine Verdoppelung der Schallleistung muss der Schalldruck nur um den Faktor √2 vergrößert werden. Danach ist eine Umrechnung in den Schalldruckpegel möglich.

 

Es gelten die folgenden Beziehungen:

Die Verdopplung der Schallleistung führt zu einem Zuwachs des Schallpegels um 3 dB: 

  • 20∙log⁡(√2) = 3,01

Die Verzehnfachung der Schallleistung führt zum Anstieg des Schallpegels um 10 dB:

  • 20∙log⁡(√10) = 10

Werden zwei Schallquellen mit je Lw = 0 dB addiert ergibt sich

  • 0 dB + 0 dB = 3 dB
Leise Lüften mit Schallschutz

Addiert man zwei Schallquellen mit je 65 dB ergibt sich

  • 65 dB + 65 dB = 68 dB

Für eine Verdopplung des Schalldrucks ergibt sich ein Anstieg um 6 dB:

  • 20∙log⁡(2) = 6,02

Verdoppelung des Schalldruckes bei einem Ausgang von Lp = 40 dB:

  • 40 dB + 40 dB = 46 dB

Messverfahren Normschallpegeldifferenz

Die Normschallpegeldifferenz ist eine Messgröße zur Kennzeichnung der Luftschalldämmung eines Bauteils und ist frequenzabhängig. Hierbei wird die Fähigkeit des Bauteils zur Schalldämmung zwischen zwei Räumen gemessen. Dabei gibt der Wert die Schalldruckdifferenz zwischen Erzeugerraum und Empfangsraum (gemessen in dB) an.

Der Versuchsaufbau zur Messung der Normschallpegeldifferenz gestaltet sich wie folgt: Im Senderaum wird ein Geräusch mit 100 dB erzeugt, während der Lüfter aus ist. Das Geräusch wird durch die abgeschaltete Lüftung in den Empfangsraum übertragen. Dort wird mithilfe der Mikrofone gemessen, mit wie viel dB das Geräusch durch die Lüftung im Empfangsraum ankommt.

Messverfahren der Normschallpegeldifferenz
Angewandte Normen: DIN EN ISO 140-10 / DIN EN ISO 3362

 

Berechnungsgleichung:

Formel zur Berechnung der Normschallpegeldifferenz

 

  • Lp1 - mittlerer Schalldruckpegel im Senderaum [dB]
  • Lp2 - mittlerer Schalldruckpegel im Empfangsraum [dB]
  • A- Bezugs-Absorbptionsfläche [m2]
  • A - äquivalente Absorptionsfläche im Empfangsraum [m2]
  • T - Nachhallzeit [s]
  • V - Raumvolumen (Empfangsraum)  [m3]

Messverfahren Schallleistung

Die gesamte Schallenergie, die von einer Schallquelle pro Sekunde abgestrahlt wird, ist die Schallleistung [P]. Sie ist nicht direkt messbar, sondern nur über bestimmte Messverfahren zu ermitteln. Eine Schallquelle hat eine konstante Schallleistung, die sich nicht ändert, wenn sie in eine andere Raumumgebung abstrahlt (emittiert).

Der Versuchsaufbau zur Messung der Schalleistung wird wie folgt vorgenommen: Die Geräuschquelle ist aus, der Lüfter ist an. Im Senderaum ist es still, aber durch den Ventilator entsteht ein Geräusch im Empfangsraum. Durch die Mikrofone wird gemessen, wie viel von dem Geräusch der Lüftung im Empfangsraum ankommt.

Messverfahren der Schallleistung
Angewandte Norm: DIN EN 23741

 

Berechnungsgleichung:

Formel zur Berechnung der Schallleistung

 

  • L- Schalleistung der untersuchten Schallquelle [dB]
  • L- mittl. Schalldruckpegel - Fremdgeräuschkorrektur [dB]
  • T - Nachhallzeit des Hallraums [s]
  • T- Referenzzeit 1s
  • V - Hallraumvolumen [m3]
  • V- Referenzvolumen 1 m3
  • λ - Wellenlänge [m]
  • S - Gesamtoberfläche des Hallraums
  • B - barometrischer Druck [bar]

 

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