Gegenschall aus dem Isolierglasverbund - kostengünstig per Mini-Lautsprecher

(30.8.2016) Um Lärm mit seinen eigenen Mitteln zu schlagen und Wohn- und/oder Bü­roräume möglichst ruhig zu halten, werden bei aktiven Schallschutzfenstern den „bö­sen“ Schwingungen von außen gegenläufige „gute“ Schwingungen entgegengesetzt. Besonders im tieffrequenten Bereich haben aktive Gegenschallmaßnahmen Vorteile ge­genüber konventionellen, passiven Schallschutzfenstern. Bisher hatten solche Konzep­te aber ihre Nachteile: Die auf der Scheibe angebrachten Systemteile schränkten die Sicht ein oder benötigten einen vergrößerten Bauraum. Das Fraunhofer LBF hat jetzt einen neuartigen, in Isolierglasrahmen integrierbaren, schlanken Lautsprecher entwi­ckelt, der die genannten Nachteile umgeht. Darüber hinaus ist die Fraunhofer-Ent­wicklung vergleichsweise kostengünstig herzustellen.

Neben der klassischen Anwendung in Haushalten oder in Räumen mit extremen Anfor­derungen, wie etwa Tonstudios, ist eine Auslegung auch für sensible Räume denkbar. So lässt sich beispielsweise in Besprechungszimmern gezielt die Verständlichkeit nach außen hin vermindern.

Im LOEWE-Zentrum AdRIA (Adaptronik – Research, Innovation, Application), ange­siedelt am Fraunhofer LBF, wurden in der Vergangenheit diverse Möglichkeiten unter­sucht, um Lärmschutzfenster aktiv zu verbessern. Als Herausforderung zeigte sich stets die Aktorik, denn bisher mussten Piezoaktoren im Sichtfeld auf der Scheibe an­gebracht werden, um dort die Scheibenschwingungen und somit den Schalldurchgang zu mindern. Die neu entwickelte schlanke Lautsprechertechnik auf Basis elektroaktiver Polymere (EAP) kann dagegen im Isolierglasrahmen eingebaut werden. Das macht den Aufbau kompakt und schränkt die Sicht nicht ein. Damit lässt sich der Schalldruck zwischen den Scheiben aktiv regeln und die Schallübertragung reduzieren.

By the way: EAP-Stapelaktoren bestehen aus einer Vielzahl abwechselnd angeordne­ter Elastomer- und Elektrodenschichten. In dem neu entwickelten Designansatz sind die Elektroden metallisch ausgeführt und mit mikroskopisch feinen Löchern versehen. Dies erlaubt dem nicht komprimierbaren Elastomer, sich örtlich im Betrieb zu defor­mieren. Sowohl Elastomer- als auch Elektrodenschichten können nahezu beliebig ge­formt sein, was große konstruktive Freiheiten eröffnet.

Für den Prototyp eines aktiven Spacers / Abstandhalters für ein Doppelglasfenster wurden entsprechend schmale Elektroden- und Elastomerschichten gefertigt und in einem Gehäuse, dessen Abmessungen denen eines konventionellen Spacers entspre­chen, übereinander gestapelt. Der Lautsprecher selbst ist also vollständig in den Spa­cer integriert. Über Löcher im Deckel wird der Schall in den Innenraum des Doppelglas­fensters abgestrahlt:

Foto © Fraunhofer LBF

Bereits mit einem 20 cm langen Lautsprecher, was rund 7% des Fensterrahmens ent­spricht, ließ sich bei geringer Lautstärke im Labor eine Reduktion der abgestrahlten Schalleistung von 3,3 Dezibel im Summenpegel bis 500 Hertz erreichen. Eine Vergrö­ßerung der aktiven Fläche verspricht weiteres Potential. Deshalb baute das Fraunho­fer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF zusammen mit dem Glaszentrum Darmstadt einen ersten seriennahen Prototyp auf. Das Team integrierte vier EAP-Spacer mitsamt der benötigten Mikrofone im Inneren der Isolierglasscheibe und prüfte das akustische Verbesserungspotential am realen Fenster messtechnisch.

Der gemessene Pegelunterschied des mittleren Summenpegels des Schalldrucks betrug im Inneren des Fensters 16,8 Dezibel. Dies verdeutlicht das Potential des EAP-Laut­sprechers. Die berechnete Reduktion des Summenpegels der Schallleitung bis 500 Hertz beträgt rund 3 Dezibel. Eine weitere Verbesserung durch Verwendung mehrerer Mikrofone im Zwischenraum sei zu erwarten.

Die Anwendung im aktiven Fenster verdeutlicht zum einen den steigenden Technolo­giereifegrad der elektroaktiven Polymere für dynamische Anwendungen, zum anderen deren flexible Einsatzmöglichkeiten in zukünftigen Produkten.