„Entitäten dürfen nicht über das Notwendige hinaus vermehrt werden.“
Wilhelm von Ockham (1285–1349)
Ein Beitrag zur Verbesserung des Schalldämmungsverhaltens von akustischen Dämmelementen
Umweltlärm stellt eine der signifikantesten Ursachen für Gesundheitsschäden im urbanen Bereich dar und hat insofern volkswirtschaftliche Relevanz. Aktive wie auch passive Maßnahmen zur Reduzierung von Lärm beziehen sich sowohl auf die Schallquelle als auch auf die Schallausbreitung. Die Möglichkeiten einer Schallpegelminderung auf dem Weg zwischen Quelle und Empfänger umfassen neben der Abschattung, welche die Gesamtenergie im Wesentlichen gezielt in Richtungen geringer Störungsauswirkung bündelt, die Pegelabsenkung durch Absorption bei der Reflexion (Helmholz-Resonatoren) sowie durch Schalldämmung einer akustisch gekapselten Schallquelle. Die Verbesserung und aktive Beeinflussung der Dämmung steht im Mittelpunkt dieser Arbeit.
Maßnahmen der passiven Schalldämmung finden Anwendung in vielfältigen Bereichen, wobei die Bautechnik die größte Bedeutung aufweist. Hierbei wirkt der Materialeinsatz weder volumen- noch gewichtsmäßig zurück auf die Funktionalität des Tragwerks. Anders sieht es bei Objekten des Verkehrswesens aus, bei denen das eingesetzte Gewicht z.T. erheblichen Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit, in manchen Fällen sogar auf die Realisierbarkeit des Fahrzeugs nimmt. Hierbei muss der Schwerpunkt einer Optimierung auf der Verbesserung eines gewichtsbezogenen Dämmungs¬maßes liegen.
Um die Möglichkeiten der bekanntermaßen guten Schalldämmung von technischen Dämmstoffen insbesondere in Bezug auf eine Adaptierbarkeit an den Frequenz¬gang weiter zu verbessern, wurden klassische Dämpfungselemente aus Mineral- und Kunststofffasern sowie verschiedenen technischen Schäumen in eine dünnwandige, membranartige Kunststoffhülle hermetisch eingeschlossen (siehe Abbildungen 1a und 1b) und deren Dämmungs¬wirkung für das akustische Spektrum in einem Durchschallungsversuch ermittelt. Mit diesem als 4S-Technologie (Steerable Sound Suppression System / Steuerbares Schall Senkungssystem) bezeichneten Verfahren konnten deutlich verbesserte Schallpegelabsen¬kun¬gen im Vergleich zur üblichen Anwendung ohne Umhüllung festgestellt werden. Ferner wurden diese Versuche mit hermetisch abgeschlossenen Dämmungselementen unter verminderten Hüllendruck durch¬geführt. Hierbei zeigte sich eine deutliche und reproduzierbare Einstellbarkeit der Pegelabsenkung sowie des Frequenzgangs der Dämmung mit Hilfe des Drucks, was die Vermutung nahe legt, dass es sich hierbei um ein technisch nutzbares akustisches Phänomen handelt. Derartige Versuche wurden deshalb in der Folge mit unterschiedlichsten Elementkonfigurationen (Dämm- und Hüllenmaterialien, Wandstärken, Packungsgeometrien, Elementstaffelungen usw.) und auch mit erhöhten Drücken wiederholt, wobei das grundlegende Phänomen stets erkennbar war. Es zeigte sich dabei der grundsätzliche Trend, dass die Wandstärke keinen großen Einfluss auf die Einfügedämmung nimmt und bereits geringe Wandstärken äußerst effizient sind.
Abbildung 1a: Dämmelement ohne Differenzdruck
Abbildung 1b: Dämmelement mit Differenzdruck
Diese Ergebnisse sind insofern erstaunlich, da allgemein angenommen wird (siehe Rupert Taylor: Noise. Kapitel 9, 1978) dass mit porösen Dämmstoffen grundsätzlich nur geringe Absorptionsgrade in Höhe von maximal 3 dB(a) erzielt werden können, wobei zudem eine Dämmungsdicke in der Größenordnung der Schallwellenlänge erforderlich ist.
Abbildung 2a
Abbildung 2b
Eine äußerst wirksame und zugleich kostengünstige technische Nutzung der gemessenen Effekte besteht darin konventionelle Dämmelemente in eine dünnwan¬dige Kunststofffolie einzuschließen. Wie die Abbildungen 2a und 2b zeigen, kann damit die Einfügedämmung über das gesamte relevante akustische Spektrum hinweg um bis zu 20 dB(a) verbessert werden, wobei der frequenzgemittelte Wert bei etwa 12,8 dB(a) liegt. Verringert man den Innendruck in der Hülle, so steigt die Dämmung generell an, wobei sich die Frequenzgänge verschieben (siehe Abbildung 3). Nimmt man den Einfluss des Hüllendrucks auf die frequenzgemittelten Ergebnisse, so zeigt sich ein zunächst degressiver Anstieg der Einfügedämmung und danach ein eine a-periodische Annäherung an einen Grenzwert (siehe Abbildung 4).
Abbildung 3
Abbildung 4
Eine vorläufige physikalische Interpre¬tation der Wirkung dieses Prinzips könnte aufgrund der ermittelten Resultate wie folgt lauten:
• Eine Kapselung der Dämmelemente bewirkt grundsätzlich eine verbesserte Dämmung aufgrund der Addition eines relativ dichten Hüllenmaterials sowie einer schlechteren Körperschallübertragung in den Kern, wobei die Energieabsorption aufgrund der akustisch angeregten freien Schwingung der membranartigen Hülle und deren Reibung auf dem Kern frequenzabhängig ist. Zusätzlich dürfte die bessere Schallreflexion an der glatten und Folienoberfläche eine dämpfende Wirkung haben.
• Eine Absenkung des Hüllendrucks führt zu einer zunehmenden elastischen Bettung der Membran und damit sowohl zu einer Verschiebung deren Eigenfrequenz sowie einer vergrößerten frequenzabhängigen Dämpfung.
• Kommt es infolge eines weiter abgesenkten Hüllendrucks zu einer elastischen Kompression des Kernmaterials, sinkt die Dämpfung aufgrund der zunehmenden Kerndichte wieder ab, wobei der Absenkungsgrenzwert einer hochdichten Platte asymptotisch erreicht wird. Die dabei zunehmende Steifigkeit sorgt für eine Frequenzgangverschiebung.
Es ist zukünftig geplant, eine physikalische Modellierung für die vorgefundenen Phänomene zu entwickeln, um die Gestaltungsparameter für optimierte passive Dämmungselemente sowie für die Auslegung eines autonomen Druckregelsystems für aktiv frequenzadaptierte Elemente zu ermitteln. Es sollen dazu sowohl analytische als auch empirische Methoden angewendet werden.