Akustik simulieren

Von Marian Behaneck

Genügt die Akustik den Anforderungen? An welcher Stelle sind Lautsprecher optimal angebracht? Kann die Akustikdecke störende Halleffekte beseitigen? Können Schallschutzfenster den Straßenlärm fernhalten? Um diese und weitere Fragen zu klären, kamen in der Raum- und Bauakustikplanung bisher ausschließlich sogenannte Modellmessverfahren mit maßstäblichen Holz-, Gips- oderPlexiglasmodellen zum Einsatz. Heute sind Berechnungs- und Simulationsprogramme in der Akustikplanung Standard. Die Palette reicht von einfachen Programmen für die Analyse individueller engumgrenzter akustischer Probleme über den Nachweis von Bauteilen, die Analyse komplexer Raumformen oder die Berechnung von Lärm in Arbeitsstätten sowie dieÜberprüfung von Lärmminderungsmaßnahmen bis hin zur Echzeit-Auralisation architektonisch anspruchsvoller Räume und Gebäude inklusive interaktiver Objektbegehung per VR-Brille. Bei der Auralisation werden vom Computer berechnete akustische Vorgänge und Größen als Audiodateien ausgegeben und per Lautsprecher oder Kopfhörer hörbar gemacht.

Welche Lösungen gibt es und wie funktionieren sie?

Die Analyse anspruchsvoller akustischer Szenarien setzt in der Regel ein dreidimensionales Raum-oderGebäudemodell voraus, †das alle akustisch relevanten Strukturen geometrisch definiert.  Entweder liegt es im Zusammenhang mit der Gebäudeplanung ohnehin schon vor und kann per DXF-†, DWG- oder IFC-Schnittstelle importiert werden oder es muss mit einem internen‘ 3D-Editor oder externen 3D-CAD-Programm neu modelliert werden. In CAD-Programme integrierte Lösungen
(z.B. Auratorium) erübrigen sich die sonst üblichen umständlichen Arbeitsschritte:– CAD-Modelleingabe, †anschließender Import in die Raumakustiksoftware†, Simulation, †anschließende Änderung des CAD-Modells, †erneuter Import etc. Bevor der zu untersuchende Raum für die Berechnung vorbereitet wird†, sollten die individuellen Rahmendaten analysiert und eine Zielvorgabe definiert werden. Anschließend müssen die Art der Schallquelle und des Empfängers†, deren Position und mögliche Bewegung, †Übertragungswege,  †raumakustische Oberflächeneigenschaften †wie Absorptions-, und Streugrade† und andere Randbedingungen definiert werden. Das FEM-Netz (Finite-Element-Methode†)  wird entweder manuell oder vom System automatisch imHintergrund erzeugt. Danach kann der Berechnungsvorgang gestartet werden. Die Ergebniswerte (Nachhallzeit†, Schalldruckpegel oder der Sprachübertragungsindex als Messgröße für die Sprachverständlichkeit etc.) werden tabellarisch oder in Form sogenannter Isolinien-, oder Isoflächengrafiken ausgegeben.  Dabei werden Bereiche mit identischen Ergebniswerten mit einer Linie respektive Farbfläche markiert und so die Vielzahl der Ergebniswerte einfacher „lesbar“gemacht. Mit speziellen Programmen zu rnormgerechten Berechnung bauakustischer Eigenschaften (z.B. BASTIAN†, CadnaA, †CadnaR†, IRIS†, INSUL, †SONarchitect, ISO etc.) lassen sich Baumaterialien, †Bauteile oder Räume†, Luft-, und Trittschallisolierungen†, Schallübertragungen oderSchallabsorptionen analysieren und nachweisen. Trotz immer einfacherer Bedienung sind nicht alle bauakustischen Programme für den Einsatz in Architekturbüros geeignet. Insbesondere Simulationssoftware zur Echzeit-Auralisation setzt profundes Fachwissen und die langjährige Erfahrung eines Akustikplaners voraus†, der die Ergebnisse bewerten und einschätzen kann.

Typische Berechnungsmethoden

Gestalterische Wünsche oder funktionale Anforderungen von Planern und Bauherren widersprechen nicht selten den akustischen Erfordernissen. Hier kann die numerische Akustik helfen, beide Anforderungen in Einklang zu bringen. Entscheidend ist jedoch eine physikalisch korrekte Modellierung aller Randbedingungen, die Berücksichtigung aller relevanten Frequenzbereiche, die Kopplung zwischen den Modellen für Luft- und Körperschall sowie von Dämpfungsmechanismen. Auch durch rechenzeitsparende Vereinfachungen, ein zu grobes FEM-Rechengitter, ungenaue Randbedingungen oder vernachlässigte akustische Szenarien können Ungenauigkeiten und Fehler entstehen, die zu falschen Ergebnissen führen.

Akustik berechnen und simulieren

Je nach Objekt und der jeweiligen Problemstellung kommen dabei verschiedene Berechnungsmethoden einzeln oder kombiniert zum Einsatz: Spiegelschallquellen- oder Strahlenverfolgungsverfahren (Raytracing), die BEM- oder FEM-Berechnungsmethode. Auf dem Spiegelschallquellen- und Raytracing-Verfahren basierende Programme sind inzwischen Standardwerkzeuge der Raumakustikplanung. Dabei werden – analog zur Optik – akustische Vorgänge näherungsweise durch Schallstrahlen und Reflexionsvorgänge in Abhängigkeit von der Entfernung zum Empfänger und den Absorptionsgraden der Flächen mathematisch beschrieben.

Dadurch lassen sich raumakustische Kenngrößen, wie etwa Nachhallzeiten oder Schallpegel berechnen. Ihre Grenze haben die Verfahren bei tiefen Frequenzen und kleinen Räumen mit hohen akustischen Anforderungen, wie etwa Tonstudios. Sollen niederfrequente, nicht-diffuse Schallfelder, Schalldämmmaße komplexer Wandaufbauten, Eigenfrequenzen, Strukturschwingungen, Schalldrücke und Schallleistungen zur Abschätzung von Lärmbelastungen berechnet werden, ist die Finite Elemente Methode (FEM) besser geeignet. Sie berücksichtigt die Wellennatur des Schalls und somit beispielsweise auch Beugungseffekte oder Wellenüberlagerungen (Interferenzen). Die FEM ist ein numerisches Berechnungsverfahren, das auch in der Baustatik zur Berechnung örtlicher Spannungen und Verformungen zum Einsatz kommt. In der Akustik wird das zu untersuchende Raumvolumen durch ein imaginäres Netz von Flächen – „Finite Elemente“ genannt – unterteilt. Dadurch lässt sich das Strukturverhalten auch komplex geformter Räume über Kopplungs- und Randbedingungen mathematisch beschreiben und berechnen. Materialien oder Bauteile können detailliert modelliert, oder aber über komplexe Materialeigenschaften als Randbedingungen vorgegeben werden. Die der FEM ähnliche Randelementemethode (Boundary Element Method, BEM) setzt einen geringeren Eingabe- und Berechnungsaufwand voraus, ist aber nicht so flexibel einsetzbar.

Auralisation: Räume hörbar machen

Während die meisten akustischen Analysen eine Berechnung akustischer Werte und deren Visualisierung in Form zwei- oder dreidimensionaler Grafiken zum Ziel haben, geht die so genannte Auralisation weiter. Bei diesem Verfahren werden vom Computer berechnete akustische Vorgänge und Größen als Audiodateien ausgegeben und per Lautsprecher oder Kopfhörer hörbar gemacht. Die Wirkung schalltechnischer Maßnahmen kann damit eindrücklicher vermittelt werden, als über Parameter und Kennwerte. Die Auralisation wird insbesondere für Objekte mit besonderen raumakustischen Anforderungen wie Konzerthallen, Theatern, Stadien etc. eingesetzt, zunehmend aber auch im Zusammenhang mit der raum- und bauakustischen Planung von Restaurants, Großraumbüros, Bibliotheken, Museen, Bahnhöfen, Industriehallen oder Außenräumen. Bereits im Planungsstadium kann beispielsweise das Hörerlebnis eines Konzertbesuchers von jeder Position aus nachempfunden werden. Auch das Verhalten von Bauteilen, etwa von Schallschutzfenstern, bei unterschiedlichen akustischen Einwirkungen wie Bau-, Straßen- oder Fluglärm oder die Schalldämmeigenschaften von Trockenbaukonstruktionen werden virtuell hörbar. Damit sind Planer in der Lage, ihren Bauherren die akustische Qualität von Räumen oder Bauteilen unmittelbarer zu vermitteln und den Nutzen akustischer Maßnahmen nachdrücklicher zu demonstrieren. Noch realitätsnäher lassen sich akustische Verhältnisse im Rahmen virtueller Begehungen durch Räume oder Gebäude vermitteln. Unterschiedliche Konzepte werden so interaktiv erfahrbar und unmittelbar vergleichbar. Ebenso können bauakustische Maßnahmen zur Eindämmung akustischer Störeinflüsse und Umgebungslärm von jeder Position aus besser eingeschätzt werden. Bauprodukt-Hersteller können die akustische Qualität ihrer Produkte schon in der Entwicklungsphase prüfen sowie Planern und Bauherren realitätsnah vermitteln. Akustikplaner können die Auswirkungen vorgeschlagener Maßnahmen sowohl anhand von Zahlenwerten als auch durch einen subjektiven, individuellen Höreindruck deutlich machen.

Akustikprogramme und deren Möglichkeiten

Die Palette der raum- und bauakustischen Berechnungs- und Simulationsprogramme reicht von einfachen Programmen für die Analyse individueller, eng umgrenzter akustischer Probleme, den Nachweis von Bauteilen, die Analyse komplexer Raumformen oder die Berechnung von Lärm in Arbeitsstätten und die Überprüfung von Lärmminderungsmaßnahmen, bis hin zur Echzeit-Auralisation architektonisch anspruchsvoller Räume und Gebäude, inklusive interaktiver Objektbegehung per VR-Brille. Im Folgenden werden einige Programme beispielhaft vorgestellt.

Auratorium von Audioborn ist eine im CAD-Programm integrierte Echtzeit-Akustiksimulationssoftware. Änderungen am Raum oder an den Quell- und Empfangspositionen werden quasi in Echtzeit berechnet, visualisiert und hörbar gemacht. Die zugrunde liegenden Simulationsalgorithmen bilden auch Welleneffekte ab, wie etwa Schallabsorption, ‑streuung und ‑beugung oder Interferenz-Effekte. Die Software wird sowohl in der Raumakustiksimulation als auch in der Musik- und Filmproduktion sowie VR-Anwendungen eingesetzt. CATT-Acoustic von CATT berechnet mit Hilfe numerischer Simulationsverfahren die Impulsantworten mehrerer Schallquellen mit beliebiger Richtfunktion. Werkzeuge zur Faltung und Auralisation stehen in der Vollversion bereit. Die akustischen Kenndaten der Oberflächenmaterialien lassen sich in einer individuell erweiterbaren Datenbank verwalten, was die Definition akustischer Szenarien beschleunigt. Ein OpenGL-basierter CATT 3D-viewer sorgt für eine optisch ansprechende Darstellung der Modelle bei Kundenpräsentationen. EASE von AFMG Technologies dient der raumakustischen Simulation von Innenräumen und Freiflächen. Werden in Innen- oder Freiräumen den verwendeten Wand- und Deckenmaterialien akustische Eigenschaften zugeordnet, lassen sich alle relevanten akustischen Parameter und Eigenschaften berechnen. Die Platzierung von Schallquellen wird von einer umfangreichen Datenbank unterstützt. Die berechneten akustischen Eigenschaften lassen sich per Auralisationsmodul EARS hörbar machen. Die Knauf TOPview ist eine Präsentations-App, mit der Räume per VR-Brille optisch und akustisch erlebbar werden. Damit lassen sich die Wirkungen akustischer Maßnahmen, wie Akustikdecken und/oder Wandabsorber auf einen Raum intuitiv vermitteln. Nachhallzeiten, Schallpegel und Sprachverständlichkeit werden damit verständlich und multimedial erfahrbar gemacht. Werden mit der App Schallpegel oder Nachhallzeiten eines Raumes gemessen, schlägt sie passende akustische Maßnahmen vor. ODEON von Odeon A/S kann Raumakustik, Lautsprecherinstallationen, teilweise auch Schallübertragungen im selben Modell bearbeiten. Die Resultate werden als akustische Parameter, Schallkarten, GIF-Animationen und Auralisationen dargestellt. Das Raummodell kann von SketchUp oder anderer CAD-Sofware importiert werden. Das Programm ermöglicht individuelle Raumakustik-Planungen für eine wunschgemäße Akustik und Schalldämmung bei Musik, Ansprachen, Konzerte etc. Daneben gibt es auch verschiedene Berechnungs- und Simulationsprogramme zur Berechnung der bauakustischen Eigenschaften von Gebäuden aus den Bauteileigenschaften gemäß normierter Berechnungsverfahren (z.B. BASTIAN, CadnaA und CadnaR von DataKustik, IRIS, INSUL von Marshall Day Acoustics oder SONarchitect ISO von Sound of Numbers). Die Programme ermöglichen die bauakustische Analyse von einzelnen Baumaterialien, Bauteilen oder kompletten Räumen, die Berechnung der Luft- und Trittschallisolierung innerhalb von Gebäuden, die Luftschalldämmung gegen Außenlärm, die Schallübertragung von Räumen ins Freie oder die Berechnung der Schallabsorption in Räumen.

Worauf Planer achten sollten

Trotz immer einfacherer Bedienung, sind nicht alle bauakustischen Programme für den Einsatz in Architekturbüros geeignet. Insbesondere Simulationssoftware zur Echzeit-Auralisation setzt profundes Fachwissen und die langjährige Erfahrung eines Akustikplaners voraus, der die Ergebnisse bewerten und einschätzen kann. Dieser Meinung ist auch Tobias Kirchner, ein von der IHK Berlin öffentlich bestellter und vereidigter Sachverständiger für Raumakustik des Berliner Akustikbüros Rahe-Kraft. Aus seiner langjährigen Erfahrung als Anwender und Anbieter von Akustik-Software kennt er die Vorteile und Grenzen der numerischen Bauakustik:

Programme und Anbieter*

ANSYS Fluent, CFX

STAR-CD, STAR-Works

3D Acoustic

Auratorium 

AUVIS

BASTIAN, CadnaA, CadnaR

CATT-Accoustic

EASE

IRIS, INSUL

Knauf TOPview

NORA – NOise Reduction Auralisation

ODEON

RAMSETE etc.

Sarooma

SONarchitect ISO

ULYSSES

ZORBA

* Auswahl, ohne Anspruch auf Vollständigkeit

Links- und Literaturhinweise

www.baunetzwissen.de 
Rubrik „Akustik“

www.akustik.rwth-aachen.de
Akustische Virtuelle Realität

www.computational-acoustics.de
Akustiksimulations-Portal

www.wikipedia.de
Suche: „Auralisation“ etc.

Franck, A.: Finite-Elemente-Methoden, Lösungsalgorithmen und Werkzeuge für die akustische Simulationstechnik, Logos-Verlag, Berlin 2009, Download 

Vorländer, M.: Möglichkeiten der Auralisation, Internationale Schall- und Akustiktage 2011, Eigenverlag, Bad Wörishofen 2011, Download

Willems, W. M., Schild, K., Stricker, D.: Schallschutz: Bauakustik, Grundlagen – Luftschallschutz – Trittschallschutz, Springer/Vieweg, Berlin, 2012

Marian Behaneck ist freier Fachjournalist in Jockgrim (Pfalz).

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In der nächsten Folge unserer Serie DIGITAL: Architekturmodelle aus dem 3D-Drucker