Einfluss der Schallfeldbeugung in der WinFlag-Simulation mit „diffusem“ Schallfeld:
• Pinke gestrichelte Kurve entspricht Probe mit Seitenlänge 1,1 m im Hallraum.
• Braune Kurve entspricht Probe unendlicher Größe in einem unendlich großem Hallraum mit diffusem Schallfeld.
Der Effekt spielt sich hauptsächlich unterhalb 2000 Hertz ab.
Er ist auch in der α-Kabine nachweisbar.
Einfluss der Probengröße in der WinFlag-Simulation mit „diffusem“ Schallfeld:
• Pinke gestrichelte Kurve entspricht Probe mit Seitenlänge 1,1 m.
• Braune Kurve entspricht Probe mit Seitenlänge 0,84 m.
Der Effekt spielt sich hauptsächlich unterhalb 2000 Hertz ab.
Er ist auch in der α-Kabine nachweisbar.
Für viele poröse Materialien ist die Funktion „Spezifischer längenbezogener Strömungswiderstand“ in Abhängigkeit der Materialdichte nicht linear. Dies gilt es bei der Materialauswahl zu beachten.
In kleineren Dichtebereichen kann eine „Lineare Interpolation“ durchgeführt werden.
Reproduzierbarkeit der Messungen in der α-Kabine über einen Zeitraum von sechs Wochen jeweils 1 Messung.
Die Probe wurde jeweils auf den gleichen Platz in der Kabine gelegt und anschließend Bezugsmessung und Messung der Probe durchgeführt.
Die Reproduzierbarkeit ist gut.
Die Abdeckung der Probenränder hat erheblichen Einfluss auf das Absorptionsverhalten der Probe.
Keine Abdeckung ergibt erwartungsgemäß höchste Absorptionswerte.
Stimmen Höhe der Abdeckung und Probendicke annähernd überein klappt‘s auch mit der Simulation.
Ist die Abdeckung deutlich höher als die Probendicke geht der Einfluss der Schallfeldbeugung deutlich zurück in Richtung „Diffuses-Schallfeld“-Absorption.
Die Messungen erfolgten in unterschiedlichen a-Kabinen:
“MLS“ Cab “B“ mit Maximum Length Sequence Signal,
“Sinus“ Cab “I“ mit einem gesweepten Hanning-gewichteten Sinus-Impuls.
Beide Verfahren liefern durchaus vergleichbare Ergebnisse.
Tabelle Materialdicke Erstes Absorptionsmaximum für tUmg. = 23 °C
5 mm 17259 Hz
10 mm 8629 Hz
15 mm 5753 Hz siehe Grafik oben
20 mm 4315 Hz siehe Grafik oben
25 mm 3452 Hz
30 mm 2876 Hz siehe Grafik oben
35 mm 2466 Hz
40 mm 2157 Hz
Luftschallabsorption
setzt einfallende Schallenergie in Wärme um.
Luftströmungswiderstand
ISO 9053
Diffuser Schalleinfall
Hallraum ISO 354
Unter der Voraussetzung dass
• Probendicke und Dichte bestimmt worden sind
• Spezifischer Strömungswiderstand messtechnisch genau bestimmt worden ist oder über eine Datenbank Dichte <=> spezifischer längenbezogener Strömungswiderstand übernommen werden kann
• Porosität aus den Materialdaten berechnet worden ist
• Näherungswerte für die Tortuosity bekannt sind
lassen sich die Absorptionswerte des Materials auch sehr gut mit Hilfe des Simulationsprogramms WinFlag bestimmen.
Umrechnungen von senkrechtem Schalleinfall <=> diffuses Schallfeld <=>
Hallraum mit definierten Probengrößen sind auch möglich.
Hallraum (diffuser Schalleinfall)
Senkrechter Schalleinfall
Impedanzrohr ISO 10 534
Hallraum (diffuser Schalleinfall)
Luftschallabsorption ist die Fähigkeit eines Materials die Bewegung der Luftmoleküle zu verringern Luftschall, das heißt die Bewegung der Luftmoleküle in Wärme umzuwandeln.
Materialdaten die die Luftschallabsorption eines Werkstoffs beeinflussen:
• Dichte [kg/m^3]
• Dicke [mm]
• spezifischer Luftströmungswiderstand [Pa s/m] oder [Ns/m^3]
• Porosität: „Luftanteil“ im Werkstoff
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Luftströmungswiderstand
Liegt der spezifische, Luftströmungswiderstand eines Werkstoffs in der Nähe der 2-fachen Kennimpedanz der Luft (600 - 1200 Pa s/m) ist die Luftschallabsorption im optimalen Bereich.
Unterhalb 200 Pa s/m
(¼ Kennimpedanz) und oberhalb 3200 Pa s/m
(4-fache Kennimpedanz) wird die Fähigkeit eines Werkstoffs Luftschall zu absorbieren deutlich reduziert.
Der Luftströmungs-widerstand ist analog zum Ω-schen Gesetz U/I = Konstant definiert als Druckdifferenz / Volumenstrom [(N/m^2)/(m^3/s)].
Der spezifische Luftströmungswiderstand ist definiert als Druckdifferenz / Volumenstrom * durchströmter Fläche [(N/m^2)/(m^3/s) * m^2] oder [Ns/m^3] oder [Pa s/m].
Der längenbezogene Luftströmungswiderstand ist definiert als Druckdifferenz / Volumenstrom * durchströmter Fläche/Materialdicke [(N/m^2)/(m^3/s) * m^2/m] oder [Pa s/m^2]. Wegen der Unhandlichkeit der Werte auch [kPa s/m^2]
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Kennimpedanz
Die Kennimpedanz der Luft ist definiert als Schallgeschwindigkeit der Luft * Dichte der Luft:
cLuft * ρLuft [m/s * kg/m^3] => [Ns/m^3]
also rund 410 Ns/m^3.
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Schallgeschwindigkeit
Mit Temperaturkorrektur ergibt sich die Schallgeschwindigkeit zu:
cLuft = 331,5 * √ (tUmg./273,15 + 1)
mit Umgebungstemperatur tUmg. [°C].
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Porosität
Die Porosität X kann wie folgt bestimmt werden:
Dichte Komposit = X * Dichte der Luft + (1-X) * mittlere Dichte der Festkörperkomponenten.
Mit:
• Dichte Komposit ρKomp [kg/m^3] gemessen
• Dichte Festkörper ρFest [kg/m^3] aus einer Tabelle
•Dichte Luft ρLuft [kg/m^3] aus einer Tabelle.
Rechenbeispiel:
ρKomp 80 kg/m^3 (gemessen)
ρFest 1500 kg/m^3 (Baumwolle)
ρLuft ∼ 1,2 kg/m^3 (Luft bei 20°C)
gibt
X = 0,9474 oder 94,74%
1- X = 0,0526 oder 5,26%.
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Tortuosity
Dieser Wert ist ein Erfahrungswert und liegt bei
• sehr luftigen Materialien nahe 1
• Standardmaterialien zwischen 1,2 und 2,4
• dichteren Materialien bis 6 .... und größer
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Impedanzrohr
Das erste Absorptionsmaximum bei Messungen im Impedanzrohr bei senkrechtem Schalleinfall liegt bei der Frequenz dessen ¼ Wellenlänge genauso dick ist wie das zu messende Absorptionsmaterial.
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Nachhallzeit
In Hallräumen werden Nachhallzeiten bestimmt. Das sind Zeiten in denen der Schalldruckpegel um einen bestimmten Betrag abnimmt z.B. 15 dB; 20 dB; 30 dB oder gar 60 dB.
Aus der Differenz der reziproken Nachhallzeiten 1/TProbe - 1/TBezug lässt sich die Luftschallabsorption wie folgt berechnen:
Absorptionskoeffizient
α = 55,3 * (VolKabine/AProbe) * 1/(331,6 * √ (tUmg./273,15 + 1)) * (1/TProbe - 1/TBezug)
Mit:
• Volumen des Hallraums VolKabine [m^3]
• Probenfläche AProbe [m^2]
• Umgebungstemperatur tUmg. [°C]
• Nachhalzeit des leeren Raumes TBezug [s]
• Nachhalzeit des Raumes mit Probe TProbe [s]
Die Probengröße beträgt
in Hallräumen ≥ 100 m^3 10 - 12 m^2
in der α-Kabine mit 6,44 m^3 1,2 m^2.
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Äquivalente Absorption
Die Äquivalente Absorption ist das Produkt aus:
Absorptionskoeffizient einer bekannten Probe * Fläche einer Probe.
Ist die Probenfläche unbekannt z.B. bei geformten Bauteilen wird statt des Absorptionskoeffizienten unter Eingabe von 1 m^2 als Probenfläche in die obige Formel die Äquivalente Absorption des Formteils bestimmt.
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Folgendes gilt es zu beachten:
Schallfeldbeugung
Kleinere Proben erhöhen die Schallfeldbeugung und somit scheinbar die Luftschallabsorption.
Randabdeckung
Randabdeckungen der Proben sollten aus mindestens 5 mm Aluminiumblech bestehen und nicht wesentlich höher als die Probendicke sein.
Höhere Randabdeckungen als die Probendicke reduzieren die Luftschallabsorption weil die Schallfeldbeugung reduziert wird.
Pegelminderung
Die Pegelminderung im Hallraum beträgt bei normaler Belegung des Bodens ca. 4 - 5 dB.
Bei vollflächiger Belegung des Bodens und zusätzlicher Belegung der Wandflächen werden maximal 6 - 7 dB Pegelminderung erreicht. Diese kann auch bei weiterer Belegung mit Absorptionsmaterial nicht gesteigert werden.
Formel zur Berechnung der Schalldruckpegelminderung aus Nachhallzeiten:
ΔL = 10*lg(T0/TProbe) in dB mit:
ΔL = Pegelminderung
T0 = Nachhallzeit ohne Probe
TProbe = Nachhallzeit mit Probe