Akustische Schwarze Löcher als Lärmfallen in Holzkonstruktionen

Schwarze Löcher als Rauschfallen

Intelligenter Schallschutz: Berechnungen der Schwingung von Holzplatten mit „schwarzen Löchern“. Bildnachweis: Empa

An einer Weltneuheit zur Schalldämmung von Holzbauten wird derzeit an der Empa geforscht. Mit einer physikalischen Theorie aus den 1990er Jahren und den Werkzeugen der Digitalisierung hat ein Forscherteam neue Bodenelemente aus Massivholzplatten entwickelt, die über sogenannte akustische Schwarze Löcher verfügen. Die Idee dazu stammt von Stefan Schoenwald, Leiter des Bauakustik-Labors der Empa in Dübendorf. Die Theorie der akustischen Schwarzen Löcher ist ihm seit ihrer Erstveröffentlichung im Jahr 1987 mehrfach auf Konferenzen und in wissenschaftlichen Veröffentlichungen begegnet. Laut dem russischen Wissenschaftler MA Mironov vom Andreyev Acoustics Institute in Moskau kann eine parabolische Aussparung in einem Material Schwingungen wie z klingen und sie mitschwingen lassen – mit anderen Worten, sie schlucken. Akustische Schwarze Löcher wurden bereits in Autos und Flugzeugen eingesetzt, wo ihre schallreduzierende Wirkung tatsächlich bestätigt wurde.

Sie aus sehr dünnen, harten Materialien herzustellen, ist jedoch nicht einfach. Weder im Holzbau noch in der Bauakustik hat es jemals Experimente mit Mironovs Aussparungen gegeben. Das ändert nun Laborleiter Stefan Schoenwald gemeinsam mit seinem Kollegen Sven Vallely. Die beiden Forscher wollen neuartige Brettsperrholz-Plattenelemente einsetzen, um die Wirkung zu verbessern Klang Wärmedämmung im Holzbau.

So wie es Schallwellen in der Luft gibt, gibt es Schallwellen in Materialien, sogenannte Körperschallwellen. „Wenn man auf einen Boden trifft, ist es, als würde man einen Stein in einen Teich werfen: Schallwellen breiten sich im Material in alle Richtungen aus“, erklärt Schönwald. Wird nach einer bestimmten mathematischen Funktion eine linsenförmige Vertiefung aus dem Material gefräst, gelangen die Schallwellen in diesen Bereich. Dabei verstärken sich die Amplituden immer weiter, während die Wellenlängen der Schwingungen abnehmen. „Wenn man die Platten im Bereich dieser Vertiefungen unendlich dünn machen könnte, dann wäre das Schallwellen würde in diesen ‚Schwarzen Löchern‘ eigentlich von selbst tot laufen, also käme nichts aus der Linse“, so Schönwald. Fraglich sei allerdings, ob der schallmindernde Effekt auch bei einer begrenzten Tiefe der Aussparung eintritt – denn „ unendlich dünne Materialstärken”, wie es die mathematische Theorie verlangen würde, sind in der Praxis nicht realisierbar.

Modernste Computertechnologie macht es möglich

Die Idee, mit akustischen Schwarzen Löchern zu experimentieren Holzkonstruktionen kam während der Arbeit zu Stefan Schönwald. Er bat seinen Kollegen Vallely, die schallmindernde Wirkung am Computer zu simulieren und zu berechnen. Um statische Bedenken aus dem Weg zu räumen, wurde Andrea Frangi, Holzbauexperte der ETH Zürich, um seine Einschätzung gebeten. Nicht nur sein Feedback war vielversprechend, sondern auch die Computermodellierung der Schallreduzierung. Also gab Schönwald bei der Holzbaufirma Strüby AG in Seewen einen Prototyp und ein normales Bedienpanel aus dem gleichen Material in Auftrag. Dort fräste der Holzbauspezialist Alex Bellmont mit einer CNC-Maschine die linsenförmige Aushöhlung maßgenau aus einer Brettsperrholzplatte. „So ein Auftrag ist nicht sehr schwierig, aber dafür umso spannender“, sagt der Zerspanungsmechaniker, „ich habe noch nie etwas gemacht, was dann recherchiert wurde.“

Die beiden Platten – eine mit, eine ohne akustische Schwarze Löcher – wurden an der Empa einer Schwingungsanalyse unterzogen. Bei dieser Messung wird Schall als Schwingung über das gesamte relevante Schallspektrum in den Prüfkörper geleitet. Ein Laser misst rasterförmig an mehreren Stellen die Schwingung der Prüfbleche. Aus den Messwerten lässt sich dann berechnen, wie sich die Schwingung durch die Platte bewegt – und ob die ausgefrästen Dellen den Schall tatsächlich „einfangen“ und in Form von Wärme abführen.

Bessere Isolationsleistung bei weniger Gewicht

Vor zehn Jahren wäre eine solche Versuchsreihe nicht durchführbar gewesen. Selbst die Modellierung der Schwingung eines kleinen Bandbreitenbereichs war eine Dissertation in Bezug auf den Rechenaufwand. Heute berechnen Schoenwald und Vallely an einem Nachmittag das gesamte akustische Spektrum und machen die Schwingungen als Visualisierung sofort sichtbar. Ziel des Experiments ist es zu prüfen, ob die simulierten Ergebnisse den gemessenen Werten entsprechen. Denn wenn das Computermodell der Realität entspricht, lassen sich alle möglichen Parameter nahezu kostenlos am Computer verändern, ohne jedes Mal eine neue Testplatte anfertigen zu müssen. So lässt sich die Schalldämmung für Holzelemente auf der ganzen Welt ohne zeitraubende Experimente berechnen. Dadurch kann die Schalldämmung für Holzelemente aller möglichen Größen und Geometrien ohne zeitaufwändige Experimente optimiert werden.

Ergebnis der Tests: Die gemessenen Werte stimmen sehr gut mit der Modellrechnung überein. Mit einer Abweichung von nur etwa 5 Prozent ist Stefan Schoenwald sehr zufrieden. Diese Abweichung lässt sich durch die Herstellung der Bretter und die natürliche Variation des Holzes erklären, fügt Vallely hinzu. Nun folgen die nächsten Tests mit den in Seewen gefertigten Prüfplatten: „Aktuell arbeiten wir an den Trittschallmessungen, die wir nach internationalen Normvorgaben durchführen. Im nächsten Schritt sollen die brandschutztechnischen und bauphysikalischen Eigenschaften bestätigt werden.“ “, erklärt Schönwald. Diese weiteren Prüfungen sollen sicherstellen, dass die Brettsperrholzplatten nicht nur mindestens auf marktüblichem Niveau schalldämmend sind, sondern auch alle notwendigen Zertifizierungen für den Einsatz im Bauwesen erhalten.

Wie es funktioniert

Stefan Schoenwald beschreibt, wie die Boards so funktionieren. „Bei der Trittschalldämmung muss ich drei Eigenschaften gleichzeitig im Auge behalten: einerseits die Masse des Bauteils, andererseits seine Steifigkeit und Dämpfung. Steifigkeit und Dämpfung widersprechen sich – ein weiches Bauteil kann gedämpft werden gut, eine steife Komponente weniger gut.” Schönwald nennt ein Beispiel: „Klassische Massivholzdecken sind sowohl leicht als auch steif – hier werden also zwei ungünstige Eigenschaften kombiniert.“ Ein möglicher Ausweg besteht darin, die Masse des Bauteils zu erhöhen. Bei modernen Holzhäusern bauen Architekten daher dicke Kiesschichten zur Beschwerung ein. Auf diese Weise vibrieren die Holzdecken weniger, wenn ein Erwachsener darüber läuft oder ein Kind im Haus herumhüpft.

Schönwald und Vallely gehen einen anderen Weg. „Wir machen die Holzdecken an bestimmten Stellen extra weich, damit sie dort besonders stark schwingen können. An diesen Stellen dämpfen wir die Schwingung gezielt mit etwas Sand oder Kies“, erklärt Stefan Schönwald. Das gleiche Material, nämlich Kies, erfüllt hier einen ganz anderen Zweck: „Der Kies dient in unserem Fall nicht der Beschwerung, sondern soll sich bewegen und durch seine innere Reibung Schwingungen in Wärme umwandeln.“

Das Ergebnis: Eine Holzdecke mit akustischen schwarzen Löchern ist viel leichter als eine herkömmliche Decke und dämpft dennoch den Trittschall viel besser. Die konstruktiv vorteilhafte Steifigkeit der gesamten Deckenkonstruktion bleibt erhalten.


Eine Schraube, die den wahrgenommenen Schallpegel halbieren kann


Zitieren: Acoustic Black Holes as Noise Traps in Wooden Structures (2022, 12. Mai), abgerufen am 13. Mai 2022 von https://phys.org/news/2022-05-acoustic-black-holes-noise-wooden.html

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