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Bauakustik im 1:10 Modell

(5.7.2007) Bauakustische Problemstellungen können sehr gut in kleinen Miniaturmodellen untersucht werden. Sie sind flexibler, weniger aufwändig und günstiger als die üblichen Messungen in großen, genormten Prüfständen, und zuverlässiger und umfassender als die meisten Computersimulationen. Gemäß ähnlichkeitstheoretischen Gesichtspunkten wurde ein 1:10 Modell eines bauakustischen Wandprüfstandes entworfen und validiert.

Bauakustische Messungen in Prüfständen sind in der Regel sehr aufwändig. Die Testobjekte, typischerweise eine schwere Wand, eine Betondecke oder eine große Leichtbaukonstruktion, müssen vor der Messung aufgebaut und hinterher wieder abgerissen werden, um dem nächsten Objekt Platz zu machen.

Messungen an maßstabsgetreu verkleinerten Modellen bieten einige Vorteile gegenüber Untersuchungen in Prüfständen im Originalmaßstab. Die Material- und Entsorgungskosten werden deutlich reduziert, es müssen keine großen Lager- und Aufbauflächen bereitgestellt werden und Änderungen am Experimentieraufbau sind oft mit einigen Handgriffen erledigt.

Um die am Modell erhaltenen Ergebnisse auf den Originalmaßstab übertragen zu können, müssen allerdings einige Skalierungsregeln beachtet werden. Diese wurden nach ähnlichkeitstheoretischen Gesichtspunkten aufgestellt. Für reine raumakustische Problemstellungen, d.h. Fälle, in denen nur Luftschallfelder beteiligt sind, gestalten sich diese Regeln verhältnismäßig einfach: Die Messfrequenzen erhöhen sich im selben Maße, wie sich die Längen verringern. In der Bauakustik sind neben Luftschallfeldern auch Körperschallfelder maßgeblich. Eine detaillierte Betrachtung der Skalierung grundlegender bauakustischer Größen führt auf einige zusätzliche Skalierungsregeln, die vor allem die Eigenschaften des zu wählenden Modellmaterials betreffen. So zeigt sich, dass Acrylglas mit seinen Materialeigenschaften recht gut typische Baumaterialien, wie sie für schwere Wände verwendet werden, simulieren kann.

Auf dieser Grundlage wurde ein Miniaturmodell eines bauakustischen Wandprüfstandes im Maßstab 1:10 entworfen, das den Anforderungen an einen Prüfstand nach ISO 140-1 entspricht. Einzig die Flankenwege wurden absichtlich nicht unterdrückt, um die Auswirkungen von Transmissions- und Dämpfungseffekten deutlich zu machen. Im Modellprüfstand wurde normgemäß die Luftschalldämmung von Acrylplatten verschiedener Dicke in verschiedenen Einbausituationen gemessen. Es konnte gezeigt werden, dass die im Modell an Acrylplatten bestimmte Luftschalldämmung gut der Dämmung einer vergleichbaren Massivwand entspricht, die in einem 'echten' Wandprüfstand gemessen wurde.

Das Bild zeigt den Vergleich zwischen einer 24 cm starken Kalksandsteinwand, die im Originalmaßstab vermessen wurde (links), und einer 25 mm dicken Wand aus Acrylglas, die im Modellmaßstab vermessen wurde (rechts). Die Wände wurden jeweils einmal fest und einmal mit einer elastischen Fuge in den Prüfstandsrahmen eingebaut. Der Kurvenverlauf in Modell und Original deckt sich erstaunlich gut. Alle im Originalmaßstab auftretenden Effekte wie Masseneffekt, Koinzidenzeinbruch und Dickenresonanz sind im Modell nicht nur qualitativ sehr gut getroffen. Auch der Einfluss der elastischen Fuge, die die Energieableitung an den Prüfstandsrahmen unterbindet und damit die Dämmung verringert, zeigt sich im Modell.

An diesen und ähnlichen Modellen werden nun auf der Grundlage der abgeleiteten Skalierungsregeln verschiedene grundlegende Effekte und ihr Einfluss auf die wichtigste Messgröße der Bauakustik, die Luftschalldämmung, näher untersucht. Im Originalmaßstab sind solche Untersuchungen meist sehr aufwändig, oft teuer und manchmal auch gar nicht durchführbar.

Als Ersatz für zertifizierte Prüfmessungen in echten Prüfständen kann die Modellmesstechnik nicht herhalten. Aber sie ist sehr gut geeignet als Werkzeug zur Grundlagenforschung. Wie in allen Fachdisziplinen werden auch computergestützte Modelle für bauakustische Problemstellungen eingesetzt. Allerdings stoßen die verschiedenen Ansätze wie BEM, FEM oder SEA in der Bauakustik sehr schnell an die Grenzen der Rechenleistung bzw. Gültigkeit. Die Umsetzung grundlegender Fragestellungen in maßstabsgetreuen Modellen, die nach den Anforderungen bauakustischer Skalierungsregeln entworfen wurden, ist eine praktische, günstige und - bei 'sauberer' Ausführung - verlässliche Alternative zu Computersimulationen und Messungen im Originalmaßstab.

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