Bachelor Arbeit
Der Bau einer Gesangskabine im Home-Studio
ausgeführt zur Erlangung des ,,Bachelor of Recording Arts (Honors)"
Jürgen Eppinger
BRA 106
SAE Wien
- 2 -
Inhaltsverzeichnis:
Einleitung:... 4
Hypothese:... 4
1 Akustik und Schall... 5
1.1 Die Geschichte der Akustik ... 5
1.2 Die Akustik ... 5
1.3 Der Schall... 6
1.4 Schallpegel... 6
1.5 Töne, Geräusche und Lärm... 7
1.6 Frequenz und Frequenzpegel ... 7
1.7 Der Schall im Raum ... 9
2 Die Bauplanung... 10
2.1 Bauakustik allgemein ... 10
2.2 Energiebilanz am Bauteil... 11
2.2.1 Schalldämm-Maß R und verwandte Größen ... 11
2.2.2 Schallleistung Definition ... 12
2.2.3 Messung der Luftschalldämmung (Schallschutz)... 12
2.2.4 Messungen bei Schallschutz in Gebäuden ... 13
2.3 Raumakustische Grundlagen... 13
3 Kabinenbau, Ausgangssituation... 17
4 Home - Recording ... 18
4.1 Beurteilung der Raumlage ... 18
4.2 Studioeinrichtung ... 19
4.3 Zusammenfassung des von mir verwendeten Equipments ... 19
4.4 Zweck einer Kabine... 19
4.5 Der Schallschutz... 20
4.6 Der Lageplan... 21
4.7 Die Lüftung... 21
4.8 Die Resonanzfrequenz und schwingende Wände ... 22
4.9 Raum in Raum Prinzip ... 22
4.10 Verwendetes Material beim Bau der Kabine ... 23
4.10.1 Die Türe und das Fenster... 23
4.10.2 Türstock... 25
4.10.3 Metal Rahmen... 25
4.10.4 Schalldämmmatten / Noppenschaum ... 27
4.10.5 Kleber für die Dämmstoffmatten... 28
- 3 -
4.10.6 Steinwolle ... 29
4.10.7 Gipskarton ... 31
4.11 Die Bauabschnitte... 31
4.11.1 Planung und Vorarbeiten... 31
4.11.2 Vermessungen, Raster ... 31
4.11.3 Zuschneiden der Profile... 32
4.11.4 Montage der CW-Ständerprofile... 32
4.11.5 Einsetzen der Türzarge... 32
4.11.6 Einsetzen des Fensters... 33
4.11.7 Montage der Gipskarton Wände ... 33
4.11.8 Ausfüllen mit Dämmstoff... 34
4.11.9 Elektroinstallation ... 35
4.11.10 Verputzen & Verspachteln ... 35
4.11.11 Einhängen und Einpassen der Tür ... 36
4.11.12 Anbringen eines Außenanstrichs ... 36
4.11.13 Verkleben der Schalldämmmatten mit dem Zweikomponenten - Klebstoff... 37
4.12 Aufgetretene Probleme ... 37
5 Messungen ... 39
5.1 Messdetails... 39
5.2 Details zu den Messungen mit Musikinstrumenten ... 40
5.3 Fazit der Messungen... 44
5.4 Die Schallabsorption ... 45
5.5 Normalschallpegeldifferenz... 46
5.6 Die Nachhallzeit... 47
5.7 Die Eigenresonanz... 49
5.8 Die Dämpfung... 50
5.8.1 Hohlraumdämpfung... 50
5.8.2 Bodenbeläge... 51
5.9 Absorptionsvermögen diverser Oberflächen und Personen... 52
5.10 Genaue Daten der Kabine... 54
5.11 Fazit und persönliche Bemerkungen zur Planung und zum Bau der Kabine... 55
Schlusswort ... 56
Ich danke... 57
Quellen- und Literaturverzeichnis, Audio CD (am Innencover) ... 58
Anhang 1, Beispiele für den Luftschall Absorptionsgrad in %... 59
Anhang 2, Kosten- und Budgetaufstellung für den Bau der Aufnahmekabine... 60
- 4 -
Einleitung:
In meiner Bachelor Arbeit wird ausgearbeitet, ob es wirklich möglich ist, eine schalldichte
Kabine mit einem Budget von EUR 1.000,- zu bauen und wie man die vorgegebenen Daten
und Eigenschaften, die für das optimale Arbeiten in einer Kabine erforderlich sind, erreichen
kann. Diverse Messungen sollen neben dem eigentlichen Bau der Kabine einen Hauptteil der
Arbeit darstellen, da erst anhand der Ergebnisse ein eindeutiges und endgültiges Urteil
abgegeben werden kann. Um genau herauszufinden wie schalldicht eine solche Kabine nach
dessen Fertigstellung auch wirklich ist, ist unter anderem die Berechnung der
Schallpegeldifferenz nötig.
Hypothese:
Mit einem Budget von 1.000,- Euro ist bei der Errichtung einer schalldichten Kabine
eine Schallpegeldifferenz von 20 dBA zu erreichen.
Diese Schallpegeldifferenz ist zwar nicht sehr hoch und es bedeutet auch dass bei diversen
Messungen die Kabine wahrscheinlich nicht zu 100 % schalldicht sein wird, wenn man
jedoch diese 20 dBA mit diversen Schallschutz Normen vergleicht, welche im allgemeinen
Hochbau vorgeschrieben sind, dann wird man feststellen, dass 20 dBA eine hohe
Pegeldifferenz im Kabinenbau sind. Ob diese dann auch im Home- Studio Bereich reicht,
wird während und am Ende der Arbeit beschrieben und getestet.
Um jedoch mit den eigentlichen Messungen beginnen zu können, wird ein wenig auf die
Geschichte der Akustik eingegangen, als auch bauakustisches Grundwissen vermittelt,
welches für die Realisierung und den Bau einer solchen Kabine benötigt wird.
- 5 -
1 Akustik und Schall
1.1 Die Geschichte der Akustik
Die Akustik ist eine Naturwissenschaft, sie ist die Lehre vom Schall und seinen
Auswirkungen.
Schon im alten China war man sich der Nutzung von Resonanz (=Mitschwingen eines
Körpers mit dem eines anderen) und Schallreflexion bewusst.
In den laufenden Jahrhunderten wurde immer mehr in diesem Gebiet geforscht. Ende des 19.
Jahrhunderts begann dann die intensive Forschung der Elektroakustik, das heißt die
Umsetzung von akustischen Signalen in elektrische.
Diverse Erfindungen und Erkenntnisse von damals sind in unserer Wissenschaft nach wie vor
verankert, wenn auch in einer ganz anderen und moderneren Betrachtung. In unserer heutigen
Zeit ist aber die Akustik wieder ein sehr interessantes Thema, in dem mehr geforscht wird als
jemals zuvor. Das bezieht sich auf die verschiedensten Industriezweige die weit über die
,,klassische" Akustik im Häuser- und Tonstudiobau hinaus geht.
1.2 Die Akustik
Geräusche, Klänge und ,Sounds' werden im Allgemeinen als Schall bezeichnet. Als
Luftschall bezeichnet man eine spezielle Form von Energie, die eine Schwingung von
Luftmolekülen um einen Ruhepunkt als Ursache hat. Wenn wir Schall hören, wird unser
Trommelfell in eine charakteristische Bewegung versetzt, die man Schwingung nennt. Diese
wird durch Druckschwankungen der Luft im Gehörgang ausgelöst, die von der auftreffenden
Schallwelle erzeugt werden. Schall ist die Ausbreitung von kleinsten Druck- und
Dichtestörungen in einem elastischen Medium wie zum Beispiel in Gase oder Flüssigkeiten.
Hier unterscheidet man zwischen dem Nutzschall und dem Störschall.
Die Akustik wird in mehrere Bereiche unterteilt:
Physikalische Akustik, physiologische Akustik und psychologische Akustik, auch als
Psychoakustik bekannt.
1
Die physikalische Akustik ist ein Teilgebiet der Mechanik, die
physiologische Akustik ein Teilgebiet der sensorischen Physiologie und die Psychologische
1
Vgl.: Hellbrück, Ellermeier, Hören, 2004, Seite 17 ff
- 6 -
Abb.: Grundbegriff einer Welle
Akustik gehört zur Wahrnehmungspsychologie. Hierzu gehört auch die musikalische Akustik
und wird unter anderem in der Bau- und Elektroakustik angewendet. Aus all diesen Gebieten
nimmt unser Gehör einen Schall wahr.
Um den damit verbundenen Gleichgewichtssinn zum Beispiel zu verstehen, muss man sich
mit jedem der Gebiete auseinandersetzen um die komplizierten Vorgänge, die bei der
Aufnahme einer Schallwelle passieren auch zu verstehen.
1.3 Der Schall
Beim Schall unterscheiden wir auch
zwischen dem physikalischen Schall, der
akustischen Wahrnehmung und der
Bedeutung dieses Schalls.
2
Zunächst
erfolgt eine Explosion. Wir nehmen sie
akustisch wahr und stellen einen
unmittelbaren Augenblick später fest,
was diese Explosion für uns bedeutet. So
kann man feststellen, dass Schall ein
natürlicher Reiz ist, der zu einer Hörempfindung führt. Es handelt sich hier um Schwingungen
und Wellen in einem elastischen Medium.
3
Die Zahl der Schwingungen pro Sekunde wird als Frequenz bezeichnet. Die Einheit hierfür ist
das Hertz(Hz). Ein gesundes, menschliches Gehör nimmt Frequenzen zwischen ca. 20 und
20.000 Hertz wahr. Alles was sich unterhalb dieses Bereichs befindet, bezeichnet man als
Infraschall, alles oberhalb des Bereiches als Ultraschall.
1.4 Schallpegel
Der Schalldruckpegel wird in Dezibel (dB) angegeben.
4
2
Vgl.: Hellbrück, Ellermeier, Hören, 2004, Seite 53
3
Vgl.: Juan, Physikalische und psychoakustische Grundlagen der Musik, 2000, Seite 19
4
Vgl. Andrea Stickel, Faszination Gehör, Seite 14ff
- 7 -
1.5 Töne, Geräusche und Lärm
Jeder Schall und jede Schallart setzt sich aus verschiedenen Faktoren zusammen. Der
Sinuston ist die Grundwelle des Tones. Er
ist
durch
eine
harmonische
Sinusschwingung definiert.
Man unterscheidet verschiedene Arten von
Sinustönen. Reine Sinustöne kommen in der
Natur selten vor. Das Rauschen von
Blättern, der Wind, Wassergeplätscher usw.
bezeichnet man als aperiodische Schalle. Sie
werden oftmals in der Natur aber auch von
Maschinen erzeugt.
Anders hingegen sind periodische Schalle.
Sie werden hauptsächlich von Tieren und
Menschen erzeugt wie zum Beispiel Vogelstimmen, das Wiehern eines Pferdes, das Bellen
eines Hundes und auch von der menschlichen Stimme und deren Vokale. Hier wird eine
Grundschwingung von weiteren Schwingungen überlagert, den so genannten Obertönen.
Diese Obertöne und ihre jeweilige Intensität bestimmen nun die Klangfarbe. Dabei sind
Resonanzeigenschaften, Dynamik, Phasenalge und Räumlichkeiten für den jeweiligen Klang
der Klangfarbe verantwortlich.
1.6 Frequenz und Frequenzpegel
Als Frequenz f wird die Anzahl der Schwingungen pro Sekunde bezeichnet und stellt somit
eine Wiederholungshäufigkeit dar. Diese wird in Hertz (1 Hz = 1/s) angegeben und
beschreiben die Tonhöhe eines Schallereignis.
Schallwellen beschreiben die Auswirkung von Druck- bzw. Dichteschwankungen in
elastischen Medien. Schallvorgänge, die aus einer einzigen Sinusschwingung bestehen,
bezeichnet man also als Töne. Die reinen Töne kommen in der Natur kaum vor sondern
setzten sich aus verschiedenen Teilfrequenzen und Amplituden zusammen.
Abb.: Lärmtabelle
- 8 -
AMPLITUDE = maximale Auslenkung maximale Ausweichung vom Ruhedruck, maßgeblich
für die Lautstärke.
5
Messgeräte mit denen Frequenzanalysen erstellt werden enthalten daher Oktav- und
Terzfilter.
FREQUENZ UND ZEITVERLÄUFE
6
Zur Entscheidung über Maßnahmen der Raumakustik sind Kenntnisse über Frequenz- und
Zeitverläufe nötig. Die Mittelwerte des Frequenzverlaufes männlicher- und weiblicher
Stimme zeigen, dass die Stimmlage des Grundtones bei Männern eine Oktave tiefer ist als bei
Frauen. Der mittlere Schalldruckpegel weißt jedoch kaum Unterschiede zwischen den beiden
Stimmen auf. Die Grundtöne sind somit für die Verständlichkeit der Sprache unerheblich. Wo
es also alleine um die Aufnahme von Stimme und Gesang geht kann man auf die Übertragung
5
Vgl.: Grafische Darstellung: Diplomarbeit von DI Claus Huber, Seite 9
6
Vgl.: Grafische Darstellung: Diplomarbeit von DI Claus Huber, Seite 12
Abb.: Typischer Frequenzverlauf
des Schalldruckpegels von
männlicher (a) und weiblicher (b)
Sprache
Abb.: Die Amplitude als Maß für die
Lautstärke
- 9 -
tiefer Frequenzen verzichten und sich auf akustische Maßnahmen im Frequenzbereich von
125 Hz bis 2000 Hz konzentrieren.
1.7 Der Schall im Raum
Wenn sich Schall durch ein Medium fortpflanzt, werden Teilchen des Mediums in
Schwingung versetzt und geben Teile des Schalls gedämpft wieder ab. Daraus kann man
schließen, dass eine hohe Abhängigkeit besteht, auf welches Medium, also auf welchen
Baustoff der Schall jeweils ,,trifft".
Nachdem nun die wichtigsten Grundbegriffe und Eigenschaften des Schalls und dessen
Ausbreitung in einem Medium bekannt sind, wird im folgenden Kapitel etwas genauer auf die
allgemeine Bauplanung und die Bauakustik eingegangen.
- 10 -
2 Die Bauplanung
Wichtige Voraussetzung für die Planung des Baus einer schalldichten Kabine ist die
Grundkenntnis des Schalls und der Bauakustik. Im Rahmen dieser Arbeit sollen die
wesentlichen Grundbegriffe möglichst klar verständlich erläutert werden.
2.1 Bauakustik allgemein
Die Bauakustik befasst sich mit Luft- und Trittschall. Beide werden eigentlich nur durch die
Art der Anregung unterschieden:
- Beim Luftschall wird, wie schon im vorigen Kapitel erklärt, Luft in Schallschwingungen
versetzt, die erzeugte Schallenergie wird in den Raumbegrenzungsflächen in Körperschall
umgewandelt und im Nachbarraum wieder als Luftschall abgestrahlt. Das heißt es handelt
sich hier um eine großflächige Anregung von Strukturen, in denen erzwungene
Schwingungen erzeugt werden.
- Durch den so genannten Trittschall, wie schon der Name sagt, werden massivere
Strukturen wie Boden, Decken etc. durch äußere Kräfteeinwirkung angeregt wie zum
Beispiel durch begehen. Durch die einzelnen Schritte entsteht ein Schall, der von einem
darunter oder darüber liegenden Raum wahrgenommen wird. Durch diese einzelnen
Schritte wird die begangene Struktur zur Eigenschwingung angeregt. Durch diverse
Maßnahmen, wie zum Beispiel einem Estrich, kann man diesen Effekt stark beeinflussen
und demnach auch eindämmen. Problematischer wird es bei haustechnischen Maschinen,
welche beispielsweise eine periodische Krafteinleitung erzeugen
Das Thema Bauakustik beinhaltet somit nicht nur die Lehre von Baustoffen, sondern auch
wichtige Bereiche des Luftschallschutzes, des Trittschallschutzes und des wichtigen, leider
allzu oft unterschätzten Körperschalls.
Die Bauakustik ist also sehr eng mit der Raumakustik verbunden. Das bedeutet, dass der
Schalldruckpegel von den raumakustischen Eigenschaften wie Größe, Baustoffe, Raumgröße
etc. abhängig ist und damit auch die Nachhallzeit stark beeinflusst wird.
- 11 -
2.2 Energiebilanz am Bauteil
Hier wird skizziert, dass die durchgelassene Luftschallübertragung vom verwendeten Bauteil,
bzw. Baustoff abhängig ist.
7
2.2.1 Schalldämm-Maß R und verwandte Größen
Wird in einem Raum Luftschall erzeugt, so muss die Summe aus der im Raum absorbierten
und reflektierten Energie und aus der durchgelassenen Energie gerade gleich groß sein wie die
erzeugte Energie. Dabei jedoch ist die durchgelassene Energie umso kleiner, je stärker der
vorhandene Baustoff die Energie dämpft.
8
Bei einer 24 cm dicken Wand aus Ziegeln wird zum Beispiel nur etwas ein
Hunderttausendstel der Summe die auf die Wand trifft, durchgelassen. Das heißt also, dass
selbst schon mit einem geringen Materialaufwand der Schall im Raum ,,gehalten" werden
kann. So sind beispielsweise Dämmwollen, Akustikschaumstoff und Styropor Materialien die
hierfür sehr gut geeignet wären. Die Aufgabe der Raumakustik ist also die im Raum
verbliebene Energie so ,,umzuwandeln" bzw. zu ,,absorbieren", so dass sich eine sehr geringe
Nachhallzeit ergibt.
7
Vgl.: Herwig Baumgartner, Roland Kurz, Schadenfreies Bauen, Band 27, Seite 13
8
Vgl.: Herwig Baumgartner, Roland Kurz, Schadenfreies Bauen, Band 27, Seite 11
Abb.: Energiebilanz am Bauteil
- 12 -
2.2.2 Schallleistung Definition
Der Schalldruckpegel ist ortsabhängig. Das heißt dass der Schall mit der Entfernung stetig
abnimmt. Daher definiert man zur akustischen Beschreibung von Schallquellen nicht den
Schalldruck sondern die Schalleistung.
2.2.3 Messung der Luftschalldämmung (Schallschutz)
9
Zwischen zwei verschieden geschlossenen Räumen wird die Schallpegeldifferenz errechnet.
Dabei wird im Senderaum ein stationäres Luftschallfeld durch eine Schallquelle erzeugt. Die
Schallpegel werden im Sende- und Empfangsraum gemessen. Aus ihrer Differenz ergibt sich
unter Berücksichtigung der Absorption im Empfangsraum das Schalldämm-Maß oder die
Schallpegeldifferenz. Der Schallsender soll hierbei allseitig gleichmäßig in den Raum
abstrahlen. Hier kann man einfache Lautsprecher verwenden und so anordnen, sodass eine
kugelförmige Abstrahlung erreicht wird.
10
Der Schallpegel kann dann mit einem einfachen
Schallpegel-Meßgerät ermittelt werden. (Erhältlich zum Beispiel bei Conrad Electronics in
Wien-Vösendorf, SCS um ca. EUR 30,-).
Die Schallpegeldifferenz D zwischen 2 Räumen wird dabei folgendermaßen errechnet:
D = L
1
L
2
L
1
= Schallpegel im Senderaum
L
2
= Schallpegel im Empfangsraum
9
Vgl.: Schallschutz, Normen, DIN-Taschenbuch, 1994, Seite 157
10
Vgl.: Schallschutz, Normen, DIN-Taschenbuch, 1994, Seite 156
Abb.: Schematische Darstellung
der verschiedenen Wege der
Schallübertragung mit
Kurzzeichen für die Ein- und
Austrittsflächen
0 Kommentare