DE102018009090A1

DE102018009090A1 - Akustikelement zur simultanen Diffusion hoher bis mittlerer Frequenzen und Absorption tiefer Frequenzen

Info

Publication number: DE102018009090A1
Application number: DE102018009090.7A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2018-11-20
Filing date: 2018-11-20
Publication date: 2020-05-20

Abstract

Aufgabe: Zur Reduzierung von Nachhallzeit und Streuung von Schallwellen in geschlossenen Räumen werden mehrere, unterschiedlich als Absorber und Diffusor wirkende und entsprechend viel Platz beanspruchende Einzel-Akustikelemente verwendet. Aufgabe ist, ein Akustikelement bereitzustellen, das diese Nachteile beseitigt und eine Oberfläche besitzt, die simultan Schall streut und absorbiert, ohne zusätzlichen Platz zu benötigen.Lösung: Das Akustikelement ist ein Diffusor, dessen zwischen Regalböden und Rück-, Front- und Seitenwänden eingeschlossene Luftvolumina als Resonanzabsorber genutzt werden. Die Frontplatten der einzelnen Diffusor-Kammern werden mit einer gelochten, geschlitzten oder schwingenden Frontplatte oder mit einem oder mehreren Resonanzkanälen ausgestattet. Somit wird ca. 50% des vom Diffusor ohnehin beanspruchten Volumens zusätzlich zur Absorption genutzt. Die Positionierung des Absorbers innerhalb des Diffusors schafft eine Oberfläche, die zugleich absorbiert und streut. Dazu ist es notwendig, dass der Absorber nicht im gleichen Frequenzbereich arbeitet wie der Diffusor.Anwendungsgebiet:Das Akustikelement spart Platz und Material. Gleichzeitig werden zwei der wichtigsten raumakustischen Merkmale, die Diffusität und die Nachhallzeit im Bassbereich, verbessert. Damit eignet es sich für alle Räume,

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Akustikelement zur Verbesserung der Raumakustik durch Absorption von tiefen und Streuung von hohen und mittleren Frequenzen.
Stand der Technik/Nachteile
Aufgabe von Akustikelementen ist es den Klang innerhalb eines Raumes zu verändern. Dabei werden die Akustikelemente in der Regel an Wand oder Decke, in Ausnahmen am Boden angebracht, um die Reflexion des Schalls an dieser Stelle zu beeinflussen. Dabei wird zwischen Akustikelementen mit absorbierender Wirkung, diffusierender Wirkung oder reflektierender Wirkung unterschieden.
Absorbierende Akustikelemente werden benutzt, um die Nachhallzeit eines Raumes zu verkürzen und dem Schallfeld Energie zu entziehen. In der Regel wird die Absorption im Hoch- und Mitteltonbereich (>150Hz) durch Dissipationseffekte, also Reibung der schwingenden Luftteilchen innerhalb des absorbierenden Körpers erreicht. Deshalb bestehen absorbierende Akustikelemente in der Regel aus offenporigen Materialien, wie z.B. Schaumstoff, Glas- oder Steinwolle. Für eine Absorption im Bassbereich (<150Hz) müssten diese Absorber, auf Grund der größeren Wellenlänge, größer werden als praktikabel ist.
Deshalb werden zur Absorption im Tieftonbereich Helmholtzresonatoren, Plattenschwinger, Lochplatten oder andere Vorrichtungen, die mit Hilfe von Resonanzeffekten arbeiten, gewählt. Hier regt der Schall eine festgelegte Masse an, welche eine festgelegte Feder hat (Feder-Masse-Prinzip). Die Dämpfung des Systems entzieht der Schwingung und damit in Folge dem Schallfeld Energie.
Resonanzabsorber werden in den meisten Fällen als Kiste bzw. abgeschlossenes Luftvolumen ausgeführt, welche eine schwingende, geschlitzte, gelochte oder mit Resonanzkanal versehene Frontplatte zur Ankopplung an das Schallfeld besitzt. Die abgeschlossenen Luftvolumina können mit porösen Absorptionsmaterial gefüllt werden um die Wirkung des Akustikelements weiter zu beeinflussen.
Akustikelemente mit schallstreuender Wirkung, auch Diffusoren genannt, sollen eine Reflexion in verschiedenen Frequenzen aufspalten und/oder deren Vektor ändern und/oder die Phasenlage der am Ohr eintreffenden Welle ändern. Dies hilft das Resonanzverhalten des Raumes zu verbessern und erhöht die Diffusität, verbessert also die Schallverteilung im Raum. Um dies zu gewährleisten braucht ein Diffusor eine unebene Oberfläche, auf die der Schall trifft. Die Tiefe der Unebenheiten verhält sich dabei antiproportional zur Frequenz, die gestreut werden soll.
Skyline- und Schröder-Diffusoren/ Quadratic-Residue-Diffusoren sind die verbreitetsten Diffusoren aber auch ähnliche Technologien wie z.B.: Cubic-Residue-, Primary Root-, Maximum Lenght Sequence - Diffusoren, sowie gekrümmte oder gebogene Flächen kommen zum Einsatz.
Zur Optimierung von kleinen bis mittelgroßen Räumen ist in der Regel sowohl Absorption als auch Diffusion nötig. Diese wird an den Raumbegrenzungsflächen angebracht. Dabei herrscht stets ein Zwang zu entscheiden, ob an der jeweiligen Fläche mit einem Absorber oder Diffusor gearbeitet wird.
Stand der Technik sind Akustikelemente, die bereits beides können und, z.B. durch verdrehen, dem Raum statt der diffusierenden Frontplatte eine absorbierende Rückwand zuwenden können. Dies wird z.B. in Gebrauchsmusterschrift DE 2008 013 424 U1 beschrieben. Hier sind beide Effekte vorhanden, können aber nicht gleichzeitig angewendet werden.
Ebenfalls Stand der Technik sind Akustikelemente, in denen Absorber und Diffusoren im Wechsel verbaut sind oder im Wechsel zusammengesetzt werden können. Diese werden z.B. in der Gebrauchsmusterschrift DE 200 20 258 U1 gezeigt. Diese Akustikelemente bieten zwar keine Oberfläche, welche beide Effekte gleichzeitig zur Verfügung stellt, sind als Ganzes durch die sich abwechselnden Abschnitte jedoch als Schall streuend und schluckend anzusehen.
Eine Ausnahme stellen Resonanzabsorber dar, deren Frontplatte außen zusätzlich mit einem porösen Absorber versehen wird. Hier werden die Dissipations- und die Resonanzeffekte zugleich ausgenutzt. Ob tiefe Frequenzen oder mittlere und hohe Frequenzen auf dieser Fläche absorbiert werden sollen, muss nicht mehr gegeneinander abgewogen werden, da die kombinierten Effekte simultan wirken. Eine Diffusion findet jedoch nicht statt.
Ebenfalls vorhanden sind sog. Phasengitter, welche aus verschiedenen nebeneinander angeordneten Lochplatten bestehen und durch deren unterschiedliche Wandimpendanz die Phase der reflektierten Wellen geändert wird. Dies ist bereits eine Zusammenführung von Schallstreuung und Schallabsorption. Da diese Akustikelemente jedoch keine Unebenheiten aufweisen, sondern es sich um eine ebene, perforierte Platte handelt, findet die Streuung lediglich durch Phasenverschiebungen statt. Es findet keine zeitliche oder räumliche Streuung des Schalls statt.
Ziele der Erfindung/ Aufgabe
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb Akustikelemente zu bilden, welche gleichzeitig Schall absorbieren und Schall streuen und die oben genannten Nachteile beseitigen.
Beschreibung der Erfindung
Erfindungsgemäß ist die Basis jedes Akustikelements ein aus schallhartem Material hergestellter Diffusor, welcher mit einer Rückwand versehen ist. Bei einer Kammertiefe >0 cm wird dadurch zwischen jeder Frontplatte, der Rückwand, den Seitenwänden und den Zwischenböden ein Luftvolumen eingeschlossen. Durch Einsatz von gelochten, geschlitzten, schwingenden oder mit einem Resonanzrohr versehenen Platten oder anderen Technologien zur Anregung einer vom Raumschall generierten, verlustbehafteten Schwingung als Frontplatte, werden diese Kammern zum Resonanzabsorber.
Dadurch werden die Diffusions- und die Resonanzeffekte zugleich ausgenutzt, sodass beim Einsatz dieser Technologie eine Oberfläche entsteht, welche ihre Fläche wesentlich effizienter nutzt als der gleiche Diffusor und die gleichen Resonanzabsorber einzeln angefertigt und positioniert.
Ob tiefe Frequenzen absorbiert oder mittlere und hohe Frequenzen auf dieser Fläche gestreut werden sollen, muss nicht mehr gegeneinander abgewogen werden, da die kombinierten Effekte simultan wirken.
Je kleiner ein Raum ist, desto kürzer ist seine Nachhallzeit und desto gravierender sind meistens die Probleme mit stehenden Wellen, den sogenannten Raummoden, im Bassbereich. Das erfinderische Akustikelement absorbiert den problematischen Bass, die Nachhallzeit wird nicht unnötig reduziert, wie beispielsweise bei porösen Absorbern.
Das Klangbild wird als räumlicher empfunden, da die Schallwellen diffuser sind, d.h. aus unterschiedlichen Richtungen mit unterschiedlichem Pegel und unterschiedlicher Phasenlage, als zuvor am Ohr eintreffen.
Die verschieden großen Kammern sind voneinander luftdicht abgegrenzt und können unabhängig voneinander, je nach Bedürfnis, mit einer oder verschiedenen Technologien zur Absorption durch Resonanzeffekte ausgestattet werden.
Vorzugsweise zielt die Wahl der Absorptionstechnologie auf eine Anwendung im Bass- oder Mitteltonbereich ab. Das Volumen der eingeschlossenen Luft gibt vor, welche Technologie an dieser Stelle am effektivsten ist. Kleine Volumina arbeiten z.B. gut mit Lochplatten zusammen, größere Volumina mit Helmholtzresonatoren. Die implementierte Technologie ist dabei über ihre jeweilige Ausführungsform in ihrer Wirkung stark beeinflussbar.
Ein Helmholtzresonator, der z.B. mit 50cm x 50cm x 50cm Volumen arbeitet, hat bei einem Durchmesser des Resonanzrohrs von 10cm eine Resonanzfrequenz von ca. 40Hz, wenn das Rohr 5cm lang ausgeführt ist. Wird das gleiche Resonanzrohr jedoch in einer Länge von 15 cm verbaut, liegt die Resonanzfrequenz nur noch bei ca. 30 Hz bei gleichem Volumen der Kammer.
Es ist jedoch wichtig, darauf zu achten, dass die Absorption und Diffusion nicht im gleichen Frequenzbereich stattfindet. Wie bei nahezu jedem Resonanzabsorber können auch die Kammern dieses Akustikelements mit porösen Absorbern gefüllt werden, um deren Wirkung weiter zu beeinflussen. Wie nahezu jeder Diffusor ist auch dieses Akustikelement unvermeidbar auch ein Absorber für sehr hohe Frequenzen, welche öfter reflektiert werden als in einem Raum mit ausschließlich glatten Wänden und dadurch öfter Energie verlieren.
Optional kann das Akustikelement an der Wand befestigt werden. Bei Erhöhung der Massenbelegung einer Wand, steigt ihr Schalldämmmaß. Selbst bei dicken Mauern fällt das beschriebene Akustikelement deutlich ins Gewicht, da je nach Ausführungsform und Materialstärke des Akustikelements schnell eine Erhöhung > 25Kg/m² zustande kommt.
Mit steigender Bautiefe des Akustikelements, sinkt der Frequenzbereich der Diffusion. Sinnvoll erscheint es, ab ca. 150Hz und bis ca. 10kHz zu streuen. Höhere Frequenzbereiche können viele Menschen kaum noch hören und die Akustikelemente wären so klein, dass der Arbeitsaufwand unwirtschaftlicher wird. Tiefere Wellen beugen sich zu stark, um effektiv gestreut zu werden.
Mit zunehmender Größe des Akustikelements entsteht jedoch auch ein Möbel, welches auch als Stauraum für z.B. CDs oder sogar Schallplatten genutzt werden kann. Ungleichmäßig verteilt bewirken diese zusätzlich eine Streuung von hohen Frequenzen. Das beschriebene Akustikelement vereint ab einer gewissen Größe also nicht mehr nur einen Resonanzabsorber und einen Mitteltondiffusor mit enormen Einsparung von Fläche, sondern ist auch ein Möbelstück geworden mit Stauraum für z.B. die Musiksammlung oder Musiknoten.
Für eine einfache Handhabung und die Austauschbarkeit der Akustikelemente untereinander, ist es sinnvoll, diese modular, d.h. mit einheitlicher Höhe und Breite, anzulegen. Um dies zu erreichen, werden Diffusoren die einen niedrigen Frequenzbereich abdecken sollen, mit weniger Etagen ausgestattet als ein Akustikelement für den hohen Frequenzbereich. Bei einem Verhältnis von zwei zu eins bei der Höhe und Breite, lassen sich die Akustikelemente zu einer quaderförmigen Fläche zusammensetzen. Dadurch sind sie als Paare auch untereinander austauschbar, auch wenn die Breite der Höhe entspricht und die Höhe der Breite.
Das Akustikelement nutzt seinen Platz besonders effizient dadurch, dass Volumina welche zur Diffusion zwingend notwendig sind, nun zusätzlich auch als Absorber genutzt werden können. Das Akustikelement bietet eine Oberfläche welche zugleich Schall streut und Schall absorbiert. Dadurch ergeben sich nicht dagewesene Möglichkeiten. Es kann nun z.B. eine Fläche vollkommen diffusierend gestaltet werden ohne die Absorption im Bassbereich zu vernachlässigen. Das Akustikelement spart neben dem Platz im Raum auch Arbeitsaufwand und Material, denn für den gleichen Effekt müssten sonst mehrere und unterschiedlich ausgelegte Einzel-Akustikmodule gebaut und entsprechen aufgebaut werden.
Bezugszeichenliste

1: Akustikelement auf Basis des QR7-Prinzips
2: Deckel
3: Boden
4: Rückwand
5: Seitenwand
6: Regalboden
7: Frontplatte mit Resonanzkanal
8: Gelochte Frontplatte
9: Geschlitzte Frontplatte
10: Schwingende Frontplatte
11: Stauraum
12: Akustikelement auf Basis des QRD11-Prinzips
13: Akustikelement auf Basis des QR17-Prinzips
14: Akustikelement auf Basis des QR13-Prinzips
15: Röntgenbild
16: Einzel-Akustikelement mit eingeschlossenem Luftvolumen
17: Nullstelle ohne eingeschlossenem Luftvolumen

Figurenliste
Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Zeichnungen beispielhaft näher beschrieben:

1 bis 4 zeigen beispielhaft perspektivische Darstellungen verschiedener Varianten. Jedes Akustikelement kann horizontal oder vertikal im Raum aufgebaut werden und ist mit den anderen austauschbar
1 zeigt beispielhaft eine perspektivische Darstellung eines Akustikelements auf Basis des QR7Prinzips 1, das Deckel 2 und Boden 3 sowie Seitenwände 5 enthält. Nach hinten ist das Akustikelement durch eine Rückwand 4 verschlossen. Regalböden 6 unterteilen das Akustikelement in sieben Etagen. Diese werden durch die verschiedenen Frontplatten 7; 8; 9; 10 zu Absorbern. Die nach vorne hin geöffneten Flächen vor den Absorbern können als Stauraum 11 genutzt werden, sollten aber nicht gleich- oder übermäßig zugestellt werden. Der Inhalt des Stauraumes 11 ist nicht fest vorgegeben und wurde in den 1 bis 4 lediglich beispielhaft skizziert.
2 zeigt beispielhaft eine perspektivische Darstellung eines Akustikelements auf Basis des QR11 Prinzips 12, das Deckel 2 und Boden 3 sowie Seitenwände 5 enthält. Nach hinten ist das Akustikelement 12 durch eine Rückwand 4 verschlossen. Regalböden 6 unterteilen das Akustikelement in elf Etagen. Diese werden durch die verschiedenen Frontplatten 7; 9 zu Absorbern. Die nach vorne hin geöffneten Flächen vor den Absorbern, können zum Teil als Stauraum 11 genutzt werden, sollten aber nicht gleich- oder übermäßig zugestellt werden. Das in 2 aufgeführte Akustikelement 12 besitzt die gleichen Höhe und Breite wie das in 1 aufgeführte Akustikelement 1, wirkt jedoch in einem höheren Frequenzbereich.
3 zeigt beispielhaft eine perspektivische Darstellung ein Akustikelement auf Basis des QR17Prinzips 13, das Deckel 2 und Boden 3 sowie das Seitenwände 5, enthält. Nach hinten ist das Akustikelement 13 durch eine Rückwand 4 verschlossen. Regalböden 6 unterteilen das Akustikelement in siebzehn Etagen. Diese werden durch einheitliche Frontplatten 7 zu Absorbern. Das in 3 aufgeführte Akustikelement 13 besitzt die gleichen Höhe und Breite wie das in 1 aufgeführte Akustikelement 1 und das in 2 aufgeführte Akustikelement 12, wirkt jedoch in einem höheren Frequenzbereich.
4 zeigt beispielhaft eine perspektivische Darstellung ein Akustikelement auf Basis des QR13-Prinzips 14, das Deckel 2 und Boden sowie Seitenwände 5 enthält. Nach hinten ist das Akustikelement 14 durch eine Rückwand 4 verschlossen. Regalböden 6 unterteilen das Akustikelement in dreizehn Etagen. Diese werden durch einheitliche Frontplatten 7 zu Absorbern.
Das in 4 aufgeführte Akustikelement 14 ist so hoch wie die Akustikelemente 1;12;13 breit sind und so breit wie die Akustikelemente 1;12;13 hoch sind. Dies ermöglicht es, das modulare System zu erhalten und dennoch ein Akustikelement bereit zu stellen, dessen Etagen wesentlich kleiner unterteilt sind und somit in einem wesentlich höheren Frequenzbereich wirken. Beim Aufbau kann das Akustikelement um 90 Grad gedreht verbaut werden und ist damit austauschbar mit den anderen Akustikelementen 1;12;13.
5 zeigt ein Röntgenbild 15 des Akustikelements 1 aus 1. Dadurch wird sichtbar, dass neben den Einzel-Akustikelementen mit eingeschlossenem Luftvolumen 16 auch immer eine Nullstelle ohne eingeschlossenem Luftvolumen 17 nötig ist, um einen Diffusor zu bilden. In diesem Regalfach kann kein Einzel-Akustikelement integriert werden. Die Darstellung 15 soll zudem veranschaulichen, wie hoch der Anteil (ca. 50%) am Gesamtvolumen ist, der für die Absorption genutzt werden kann und demnach nicht zusätzlich als einzelner Absorber im Raum positioniert werden muss.

Claims

Akustikelement gekennzeichnet durch folgende Merkmale: a) Das Akustikelement ist ein Diffusor für hohe bis mittlere Frequenzen, dessen Kammern, in Kombination mit einer geeigneten Frontplatte, als Absorber zur simultanen Absorption tiefer Frequenzen auf der Diffusor-Oberfläche ausgeprägt sind; b) Das Akustikelement ist ein regalförmiger Körper. c) Das Akustikelement ist ein Diffusor, denn Höhe und Tiefe der Regalfächer (16) sind nach dem Quadratic-Residue-, Cubic-Residue-, oder Primary-Root-Prinzip angelegt oder mit einem freien Design versehen. d) Ist das Akustikelement mit einem freien Design versehen, bei dem die streuende Wirkung des Akustikelements weniger Priorität hat, so ist die Grundstruktur des Akustikelementes dennoch streuend ausgeführt ohne die Berechnungsmethoden nach dem Quadratic-Residue-, Cubic-Residue- oder Primary-Root-Prinzip anzuwenden. e) Die einzelnen Kammern des Diffusors in Form von Regalfächern (16) sind absorbierende Einzel-Akustikelemente. f) Zwischen Rückwand (4), Seitenwand (5), den Regalböden (6) und unterschiedlich tief eingesetzten Frontplatten (7; 8; 9; 10) sind Luftvolumina (16) eingeschlossen. g) Die Frontplatten sind gelocht (8), geschlitzt (9), schwingend (10), mit einem oder mehreren Resonanzkanälen (7) versehen oder eine beliebige Kombination dieser verschiedenen Ausprägungen. h) Die Ausprägung der Frontplatte (7; 8; 9; 10) ist so gestaltet, dass der Absorptionseffekt des Einzel-Akustikelements in Form des Regalfaches (16), in einem tieferen Frequenzbereich wirkt als die Streuung des Diffusors in Form des ganzen regalförmigen Akustikelements und so eine simultane Absorption tiefer Frequenzen und Diffusion hoher bis mittlerer Frequenzen erreicht wird. i) Die Frequenzbereiche der Absorber in Form von Einzel-Akustikelementen (16) sind unterschiedlich oder einheitlich ausgelegt. j) Stauraum (11) ist vor jeder Frontplatte (7 ;8 ;9;10) mit ausreichender Tiefe, wobei jedes Regalfach nur soweit mit Staumaterial ausgefüllt ist, dass die Wirkkraft und Wirkweise des Diffusors und der Einzel-Akustikelemente (16) nur unbedeutend beeinflusst wird; k) Die Anzahl der Einzel-Akustikelemente in der Form von verschiedenen Regalfächern (16) ist, addiert mit der Nullebene (17), eine Primzahl und ist sowohl abhängig von den Abmessungen des Akustikelements, als auch von dem zu streuenden Frequenzbereich.
Akustikelement nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: a) Das Akustikelement ist zu einem modularen Akustikelemente-System zusammensetzbar; b) Das Akustikelement ist in jede Primzahl kassettierbar, sodass bei gleicher Höhe und Breite, verschiedene Varianten des Akustikmoduls ausformbar sind, deren streuende Wirkung in unterschiedlichen Frequenzbereichen ist. c) Die verschiedenen Varianten der Akustikelemente sind in einem Akustik-System untereinander austauschbar, denn die Höhe und Breite sind einheitlich oder die Breite entspricht der Höhe und die Höhe entspricht der Breite, wobei letztere Akustikelemente um 90 Grad gedreht in das System integriert sind oder zwei dieser Akustikmodule zu einer quaderförmigen Fläche zusammengesetzt sind, welche horizontal oder auch vertikal in das Akustikelemene-System integrieren ist. d) Die Breite und Höhe verschiedener Akustikelemente ist im Verhältnis eins zu zwei oder zwei zu eins, sodass zwei Akustikelemente stets zu einer quaderförmigen Fläche zusammensetzbar sind;