Akustik-Simulation: Räume akustisch optimieren
Räume oder Bauteile lassen sich mit Software nicht nur optimieren, sondern auch deren akustische Wirkung lässt sich per Simulationsverfahren hörbar machen.
Genügt die Akustik den Anforderungen? An welcher Stelle sind Lautsprecher optimal angebracht? Kann die Akustikdecke störende Halleffekte beseitigen? Können Schallschutzfenster den Straßenlärm fernhalten? Um diese und weitere Fragen zu klären, kamen in der Raum- und Bauakustikplanung bisher ausschließlich sogenannte Modellmessverfahren mit maßstäblichen Holz-, Gips- oder Plexiglasmodellen zum Einsatz. Heute sind Berechnungs- und Simulationsprogramme in der Akustikplanung Standard. Sie können individuelle akustische Probleme analysieren, Räume und Bauteile akustisch optimieren, den Lärm in Arbeitsstätten überprüfen, Lärmminderungsmaßnahmen nachweisen oder die Akustik von Konzertsälen realitätsnah simulieren – inklusive interaktiver, multimedialer Objektbegehung per VR-Brille.
Foto: ©Knauf
Akustik berechnen und simulieren
Je nach Objekt und der jeweiligen Problemstellung kommen dabei verschiedene Berechnungsmethoden einzeln oder kombiniert zum Einsatz: Spiegelschallquellen- oder Strahlenverfolgungsverfahren, die BEM- oder FEM-Berechnungsmethode. Auf dem Spiegelschallquellen- und Raytracing-Verfahren basierende Programme sind inzwischen Standardwerkzeuge der Raumakustikplanung. Dabei werden – analog zur Optik – akustische Vorgänge näherungsweise durch Schallstrahlen und Reflexionsvorgänge in Abhängigkeit von der Entfernung zum Empfänger und den Absorptionsgraden der Flächen mathematisch beschrieben. Dadurch lassen sich raumakustische Kenngrößen, wie etwa Nachhallzeiten oder Schallpegel berechnen. Ihre Grenze haben die Verfahren bei tiefen Frequenzen und kleinen Räumen mit hohen akustischen Anforderungen.
Sollen niederfrequente, nicht-diffuse Schallfelder, Schalldämmmaße komplexer Wandaufbauten, Eigenfrequenzen, Strukturschwingungen, Schalldrücke und Schallleistungen zur Abschätzung von Lärmbelastungen berechnet werden, ist die Finite Elemente Methode (FEM) besser geeignet. Sie berücksichtigt die Wellennatur des Schalls und somit beispielsweise auch Beugungseffekte oder Wellenüberlagerungen (Interferenzen). Die FEM ist ein numerisches Berechnungsverfahren, das auch in der Baustatik zur Berechnung örtlicher Spannungen und Verformungen zum Einsatz kommt. In der Akustik wird das zu untersuchende Raumvolumen durch ein imaginäres Netz von Flächen – „Finite Elemente“ genannt – unterteilt. Dadurch lässt sich das Strukturverhalten auch komplex geformter Räume über Kopplungs- und Randbedingungen mathematisch beschreiben und berechnen. Materialien oder Bauteile können detailliert modelliert, oder aber über komplexe Materialeigenschaften als Randbedingungen vorgegeben werden. Die der FEM ähnliche Randelementemethode (Boundary Element Method, BEM) setzt einen geringeren Eingabe- und Berechnungsaufwand voraus, ist aber nicht so flexibel einsetzbar.
Mit Visualisierungs- und Auralisationslösungen lassen sich Projekte interaktiv und multimedial vermitteln. Die Auralisation von Büroräumen ermöglicht Hörvergleiche unterschiedlicher akustischer Szenarien. Foto:© Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin, IRT
Auralisation: Räume hörbar machen
Während die meisten akustischen Analysen eine Berechnung akustischer Werte und deren Visualisierung in Form zwei- oder dreidimensionaler Grafiken zum Ziel haben, geht die sogenannte Auralisation weiter. Bei diesem Verfahren werden vom Computer berechnete akustische Vorgänge und Größen als Audiodateien ausgegeben und per Lautsprecher oder Kopfhörer hörbar gemacht. Die Wirkung schalltechnischer Maßnahmen kann damit eindrücklicher vermittelt werden, als über Parameter und Kennwerte. Die Auralisation wird insbesondere für Objekte mit besonderen raumakustischen Anforderungen wie Konzerthallen, Theatern, Stadien etc. eingesetzt, zunehmend aber auch im Zusammenhang mit der raum- und bauakustischen Planung von Restaurants, Großraumbüros, Bibliotheken, Museen, Bahnhöfen, Industriehallen oder Außenräumen. Bereits im Planungsstadium kann beispielsweise das Hörerlebnis eines Konzertbesuchers von jeder Position aus nachempfunden werden. Auch das Verhalten von Bauteilen, etwa von Schallschutzfenstern, bei unterschiedlichen akustischen Einwirkungen wie Bau-, Straßen- oder Fluglärm oder die Schalldämmeigenschaften von Trockenbaukonstruktionen werden virtuell hörbar. Damit sind Planer in der Lage, ihren Bauherren die akustische Qualität von Räumen oder Bauteilen unmittelbarer zu vermitteln und den Nutzen akustischer Maßnahmen nachdrücklicher zu demonstrieren. Noch realitätsnäher lassen sich akustische Verhältnisse im Rahmen virtueller Begehungen durch Räume oder Gebäude vermitteln. Unterschiedliche Konzepte werden so interaktiv erfahrbar und unmittelbar vergleichbar. Ebenso können bauakustische Maßnahmen zur Eindämmung akustischer Störeinflüsse und Umgebungslärm von jeder Position aus besser eingeschätzt werden. Bauprodukthersteller können die akustische Qualität ihrer Produkte schon in der Entwicklungsphase prüfen sowie Planern und Bauherren realitätsnah vermitteln. Akustikplaner können die Auswirkungen vorgeschlagener Maßnahmen sowohl anhand von Zahlenwerten als auch durch einen subjektiven, individuellen Höreindruck deutlich machen.
Welche Lösungen gibt es und wie funktionieren sie?
Die Analyse anspruchsvoller akustischer Szenarien setzt in der Regel ein dreidimensionales Raum- oder Gebäudemodell voraus, das alle akustisch relevanten Strukturen geometrisch definiert. Entweder liegt es im Zusammenhang mit der Gebäudeplanung ohnehin schon vor und kann per DXF-, DWG- oder IFC-Schnittstelle importiert werden oder es muss mit einem internen 3D-Editor oder externen 3D CAD-Programm neu modelliert werden. In CAD-Programme integrierte Lösungen (z. B. Auratorium) erübrigen die sonst üblichen, umständlichen Arbeitsschritte: CAD-Modelleingabe, anschließender Import in die Raumakustiksoftware, Simulation, anschließend Änderung des CAD-Modells, erneuter Import etc.
Bevor der zu untersuchende Raum für die Berechnung vorbereitet wird, sollten die individuellen Rahmendaten analysiert und eine Zielvorgabe definiert werden. Anschließend müssen die Art der Schallquelle und des Empfängers, deren Position und mögliche Bewegung, Übertragungswege, raumakustische Oberflächeneigenschaften wie Absorptions- und Streugrade und andere Randbedingungen definiert werden. Das FEM-Netz wird entweder manuell oder vom System automatisch im Hintergrund erzeugt. Danach kann der Berechnungsvorgang gestartet werden. Die Ergebniswerte (Nachhallzeit, Schalldruckpegel oder der Sprachübertragungsindex als Messgröße für die Sprachverständlichkeit etc.) werden tabellarisch oder in Form sogenannter Isolinien- oder Isoflächengrafiken ausgegeben. Dabei werden Bereiche mit identischen Ergebniswerten mit einer Linie, respektive Farbfläche markiert und so die Vielzahl der Ergebniswerte einfacher „lesbar“ gemacht.
Die Bandbreite numerischer Bauakustik reicht von Programmen zur schalltechnischen Optimierung von Bauteilen …
Foto:©Marshall Day Acoustics, Akustikbüro Rahe-Kraft
Programmbeispiele und Anwendungen
Die Palette der raum- und bauakustischen Berechnungs- und Simulationsprogramme reicht von einfachen Programmen für die Analyse individueller, eng umgrenzter akustischer Probleme, den Nachweis von Bauteilen, die Analyse komplexer Raumformen oder die Berechnung von Lärm in Arbeitsstätten und die Überprüfung von Lärmminderungsmaßnahmen, bis hin zur Echzeit-Auralisation architektonisch anspruchsvoller Räume und Gebäude, inklusive interaktiver Objektbegehung per VR-Brille (siehe auch Produkt-/Anbieterliste). Im Folgenden werden einige Programme beispielhaft vorgestellt.
… über Werkzeuge zur Berechnung der Schalldämmung in Gebäuden gemäß DIN EN 12354, …
Foto:©Sound of Numers, Akustikbüro Rahe-Kraft
Auratorium von Audioborn ist eine im CAD-Programm integrierte Echtzeit-Akustiksimulationssoftware. Änderungen am Raum oder an den Quell- und Empfangspositionen werden quasi in Echtzeit berechnet, visualisiert und hörbar gemacht. Die zugrunde liegenden Simulationsalgorithmen bilden auch Welleneffekte ab, wie etwa Schallabsorption, -streuung und -beugung oder Interferenz-Effekte. Die Software wird sowohl in der Raumakustiksimulation als auch in der Musik- und Filmproduktion sowie VR-Anwendungen eingesetzt.
CATT-Acoustic von CATT berechnet mithilfe numerischer Simulationsverfahren die Impulsantworten mehrerer Schallquellen mit beliebiger Richtfunktion. Werkzeuge zur Faltung und Auralisation stehen in der Vollversion bereit. Die akustischen Kenndaten der Oberflächenmaterialien lassen sich in einer individuell erweiterbaren Datenbank verwalten, was die Definition akustischer Szenarien beschleunigt. Ein OpenGL-basierter CATT 3D-Viewer sorgt für eine optisch ansprechende Darstellung der Modelle bei Kundenpräsentationen.
EASE von AFMG Technologies dient der raumakustischen Simulation von Innenräumen und Freiflächen. Werden in Innen- oder Freiräumen den verwendeten Wand- und Deckenmaterialien akustische Eigenschaften zugeordnet, lassen sich alle relevanten akustischen Parameter und Eigenschaften berechnen. Die Platzierung von Schallquellen wird von einer umfangreichen Datenbank unterstützt. Die berechneten akustischen Eigenschaften lassen sich per Auralisationsmodul EARS hörbar machen.
… bis hin zur Auralisation („Hörbarmachung“) von Konzerthallen, Theatern oder Stadien.
Foto:©Audioborn, Trimble
Die Knauf TOPview ist eine Präsentations-App, mit der Räume akustisch sowie per VR-Brille optisch erlebbar werden. Damit lassen sich die Wirkungen akustischer Maßnahmen, wie Akustikdecken und/oder Wandabsorber auf einen Raum intuitiv vermitteln. Nachhallzeiten, Schallpegel und Sprachverständlichkeit werden damit verständlich und multimedial erfahrbar gemacht. Werden mit der App Schallpegel oder Nachhallzeiten eines Raumes gemessen, schlägt sie passende akustische Maßnahmen vor.
ODEON von Odeon A/S kann Raumakustik, Lautsprecherinstallationen, teilweise auch Schallübertragungen im selben Modell bearbeiten. Die Resultate werden als akustische Parameter, Schallkarten, Animationen und Auralisationen dargestellt. Raummodelle werden über SketchUp oder andere CAD-Programme importiert. Das Programm ermöglicht individuelle Raumakustik-Planungen für eine wunschgemäße Akustik und Schalldämmung bei Musik, Ansprachen, Konzerte etc.
Mit BASTIAN, CadnaA und CadnaR von DataKustik, IRIS, INSUL von Marshall Day Acoustics oder SONarchitect ISO von Sound of Numbers werden auch verschiedene Berechnungs- und Simulationsprogramme zur Berechnung bauakustischer Eigenschaften offeriert. Die Programme ermöglichen die bauakustische Analyse von einzelnen Baumaterialien, Bauteilen oder kompletten Räumen, die Berechnung der Luft- und Trittschallisolierung innerhalb von Gebäuden, die Luftschalldämmung gegen Außenlärm, die Schallübertragung von Räumen ins Freie oder Schallabsorptionen in Räumen.
Die App TOPview misst Schallpegel und Nachhallzeiten eines Raumes und schlägt passende akustische Maßnahmen vor.
Foto:©Knauf
Akustiksoftware setzt Fachwissen voraus
Gestalterische Wünsche oder funktionale Anforderungen von Planern und Bauherren widersprechen nicht selten den akustischen Erfordernissen. Die numerische Akustik kann helfen, beide Anforderungen in Einklang zu bringen. Entscheidend ist jedoch eine physikalisch korrekte Modellierung aller Randbedingungen, die Berücksichtigung aller relevanten Frequenzbereiche, die Kopplung zwischen den Modellen für Luft- und Körperschall sowie von Dämpfungsmechanismen. Auch durch rechenzeitsparende Vereinfachungen, ein zu grobes FEM-Rechengitter, ungenaue Randbedingungen oder vernachlässigte akustische Szenarien können Ungenauigkeiten und Fehler entstehen, die zu falschen Ergebnissen führen. Deshalb setzen die meisten der oben genannten Programme, trotz immer einfacherer Bedienung, das Fachwissen und die Erfahrung eines Akustikplaners voraus.
Auch bei der Suche nach der optimalen Position von Lautsprechern unterstützen Akustiksimulationsprogramme den Planer. Foto:©AFMG
Isolinien- oder Isoflächengrafiken machen die Ergebnisse der Akustikberechnung wie Nachhallzeit oder Schalldruckpegel besser ablesbar.
Foto:©Schallpegelverteilung Industriehalle, DataKustik
Produkte und Anbieter*
Weitere Infos und Quellen
www.baunetzwissen.de Rubrik „Akustik“
www.akustik.rwth-aachen.de Akustische Virtuelle Realität
www.computational-acoustics.de Akustiksimulations-Portal
www.wikipedia.at Suche: „Auralisation“ etc.
Programme und Anbieter*
ANSYS Fluent, CFX www.ansys.com
STAR-CD, STAR-Works www.cd-adapco.com
3D Acoustic www.alware.de
Auratorium www.audioborn.com
AUVIS www.irt.de
BASTIAN, CadnaA, CadnaR www.datakustik.com
CATT-Accoustic www.catt.se
EASE www.afmg.eu
IRIS, INSUL www.marshallday.com
Knauf TOPview www.knauf.at
NORA – NOise Reduction Auralisation www.ibp.fraunhofer.de
ODEON www.odeon.dk
RAMSETE etc. www.spectra.it
Sarooma www.sarooma.de
SONarchitect ISO www.soundofnumbers.net
ULYSSES www.ifbsoft.de
ZORBA www.zorba.co.nz
* Ohne Anspruch auf Vollständigkeit
Text: ©Marian Behaneck,
Kategorie: EDV
