Akustik-Software macht Räume hörbar. Virtual Reality fürs Ohr - BM online
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Virtual Reality fürs Ohr

Akustik-Software macht Räume hörbar
Virtual Reality fürs Ohr

Räume oder Bauteile lassen sich mit spezieller Akustik-Software nicht nur optimieren, sondern auch deren akustische Wirkung simulieren. Einen Überblick über Werkzeuge und Möglichkeiten, aber auch Grenzen der PC-gestützten Akustikplanung gibt dieser Beitrag.

Marian Behaneck

Wird die Akustik im Konferenzraum den Anforderungen genügen? Reichen die Lautsprecher und an welcher Stelle sind sie optimal angebracht? Wie ist die Sprachverständlichkeit? Kann die Akustikdecke störende Halleffekte beseitigen? Können die Schallschutzfenster den Straßenlärm fernhalten? Diese und weitere Fragen ließen sich bisher nur mit großem Aufwand konventionell klären. Spezielle Berechnungs- und Simulationsverfahren ermöglichen zuverlässige Vorhersagen zur Schallausbreitung, des Nachhalls, der Schalldruckpegel, des Schalldurchgangs durch Bauteile wie etwa Leichtbauwandkonstruktionen oder zur Wirkung akustischer Maßnahmen.

Vom analogen zum digitalen Akustik-Modell

Über Jahrzehnte kamen in der Raum- und Bauakustikplanung sogenannte Modellmessverfahren zum Einsatz. Dabei wurde die Raumgeometrie des geplanten Objektes anhand eines Holz-, Gips- oder Plexiglasmodells maßstäblich nachgebildet und akustische Kenngrößen mit speziellen Messgeräten erfasst. Diese zeitaufwendige und kostenintensive Methode wurde mit der steigenden Rechenleistung durch Berechnungen und Simulationen am PC sukzessive abgelöst. Je nach Objekt und der jeweiligen Problemstellung kommen dabei verschiedene Berechnungsmethoden einzeln oder kombiniert zum Einsatz. Auf dem Spiegelschallquellen-Strahlenverfolgungsverfahren (Raytracing) basierende Programme sind inzwischen Standardwerkzeuge der Raumakustikplanung. Dabei werden – analog zur Optik – akustische Vorgänge näherungsweise durch Schallstrahlen und Reflexionsvorgänge mathematisch beschrieben. Reflexionen an ebenen Flächen in großen Räumen lassen sich per Spiegelschallquellen-Verfahren in Abhängigkeit von der Entfernung zum Empfänger und den Absorptionsgraden der Flächen berechnen. Beim Raytracing werden die Wege einer Vielzahl von Schallstrahlen, die von einer Schallquelle ausgehen, bis zum Empfänger verfolgt. Dadurch lassen sich raumakustische Kenngrößen wie etwa Nachhallzeiten oder Schallpegel berechnen. Müssen gleichzeitig Spiegelungen an glatten und Streuungen an rauen Flächen berücksichtigt werden, kommen beide Verfahren zum Einsatz. Ihre Grenze haben beide Verfahren insbesondere bei tiefen Frequenzen. Sollen niederfrequente, nichtdiffuse 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). Das zu untersuchende Raumvolumen wird durch ein imaginäres Netz von Flächen – „Finite Elemente“ genannt – unterteilt. Dadurch lässt sich das Strukturverhalten auch komplex geformter Räume mathematisch beschreiben, inklusive aller Materialien und Bauteile. Die der FEM ähnelnde Randelementemethode (engl. Boundary Element Method, BEM) setzt einen geringeren Eingabe- und Berechnungsaufwand voraus, ist aber nicht so flexibel einsetzbar.

Auralisation: Akustik virtuell hören

Während die meisten akustischen Analysen akustische Berechnungswerte und zwei- oder dreidimensionale Schaubilder liefern, geht die sogenannte Auralisation weiter. Bei diesem Verfahren werden vom Computer berechnete akustische Vorgänge und Größen als Audiodateien ausgegeben und per Lautsprecher oder Kopfhörer wiedergegeben. 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 Opern- und Konzerthallen, Theater, Musikstudios etc., 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 nachempfunden werden, und zwar von jeder Position aus. 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 kann man Kunden die akustische Qualität von Räumen oder Bauteilen unmittelbarer vermitteln und den Nutzen akustischer Maßnahmen nachdrücklicher demonstrieren. Noch realitätsnäher lassen sich akustische Verhältnisse im Rahmen virtueller Begehungen mit VR-Brille und Kopfhörer durch Räume oder Gebäude vermitteln. Unterschiedliche Konzepte werden so interaktiv erfahrbar und unmittelbar vergleichbar. Innenausbauer können damit beispielsweise die akustische Qualität ihrer Produkte schon in früher Projektphase prüfen und ihren Kunden eindrücklicher vermitteln. Diese können die akustischen Eigenschaften einer Produkt- oder Entwurfsvariante intuitiver beurteilen, als anhand von Tabellenwerten.

Welche Lösungen gibt es?

Die Palette der raum- und bauakustischen Berechnungs- und Simulationsprogramme (siehe Infokasten) reicht von einfachen Programmen für die Analyse individueller, eng umgrenzter akustischer Probleme, über 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. 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. Besser sind in CAD- oder Modellier-Programme integrierte Lösungen (z. B. Auratorium und SketchUp), da dann umständliche Arbeitsschritte entfallen.

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. 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.

Akustik-Simulation setzt Fachwissen voraus

Gestalterische Wünsche von Architekten und Bauherren oder funktionale Anforderungen widersprechen manchmal den akustischen Erfordernissen. Hier kann die numerische Akustik helfen, alles 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. Hieraus können viele Fehlerquellen und Ungenauigkeiten resultieren. Einige Berechnungsverfahren sind nur für große Räume geeignet. Fehler und Ungenauigkeiten können ferner durch Vereinfachungen, ungenaue Randbedingungen oder vernachlässigte akustische Szenarien entstehen. Ausschlaggebend ist daher auch das fachliche Know-how des Anwenders und eine frühzeitige Kooperation aller Beteiligten (siehe auch BM-Serie: Raumakustik – neue Märkte für das Handwerk, Teil 1 bis 3 in BM 04, 06, 09/2018).


Der Autor

Dipl.-Ing. Marian Behaneck ist freier Journalist mit den Schwerpunkten Software, Hardware und IT im Baubereich.


Zusatz-Info

Weitere Infos und Quellen

www.akustik.rwth-aachen.de Akustische Virtuelle Realität

www.baunetzwissen.de Rubrik „Akustik“

www.computational-acoustics.de Akustiksimulations-Portal

www.raumingenieur.com Raumakustik-Dienstleister

www.wikipedia.de Suche: „Auralisation“

Franck, A.: Finite-Elemente-Methoden, Lösungsalgorithmen und Werkzeuge für die akustische Simulationstechnik, Logos-Verlag, Berlin 2009, Download: http://darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2009/2993/pdf/Franck_Andreas.pdf

Vorländer, M.: Möglichkeiten der Auralisation, Internationale Schall- und Akustiktage 2011, Eigenverlag, Bad Wörishofen 2011, Download: http://www.forum-holzbau.ch/pdf/isa11_vorlaender.pdf

Willems, W. M., Schild, K., Stricker, D.: Schallschutz: Bauakustik, Grundlagen – Luftschallschutz – Trittschallschutz, Springer/Vieweg, Berlin, 2012

Programme und Anbieter*

ANSYS Fluent, CFX www.ansys.com

STAR-CD, STAR-Works www.cd-adapco.com

Auratorium www.audioborn.com

AUVIS www.irt.de

BASTIAN, CadnaA, CadnaR

www.datakustik.com

CATT-Accoustic www.catt.se

Dämmwerk Schallschutz+Raumakustik www.bauphysik-software.de

EASE www.afmg.eu

IRIS, INSUL www.marshallday.com

Knauf TOPview www.knauf.de

NoiseImage www.acoustic-camera.com

ODEON www.odeon.dk

RAMSETE etc. www.spectra.it

siBuilding www.soundtec.eu

Sarooma www.sarooma.de

SONarchitect ISO

www.soundofnumbers.net

ULYSSES www.ifbsoft.de

ZORBA www.zorba.co.nz

* ohne Anspruch auf Vollständigkeit

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