Akustik: ein Kriterium der Behaglichkeit

Ein Grundsatz bei der Planung von Gebäuden ist, den Nutzern eine behagliche Umgebung zu schaffen. Neben der thermischen Behaglichkeit und der Luftqualität gehört auch die Akustik im Raum zu den Behaglichkeitskriterien. Eine Anleitung für die schalltechnische Planung und Gestaltung von RLT-Anlagen bietet die VDI-Richtlinie 2081, deren Blatt 1 „Geräuscherzeugung und Lärmminderung“ im März 2019 novelliert erschienen ist. Nachfolgend ein Überblick zur akustischen Berechnung.

Ein zu lauter Geräuschpegel im Umfeld von Personen beeinträchtig deren Leis­tungsfähigkeit und kann sogar zu gesundheitlichen Beeinträchtigungen wie Schlafstörungen und die Produktion von Stresshormonen führen. Eine typische Quelle für zu hohe Schallimmissionen im Raum sind raumlufttechnische Anlagen. In den Kanalleitungen breitet sich das Geräusch vom Ventilator zu jedem Durchlass aus. Auf dem Weg zum Auslass wird das Geräusch von den Bauteilen des Netzes beeinflusst. Die Lautstärke wird durch Strömungsgeräusche erhöht, gleichzeitig dämpfen bestimmte Bauteile den Geräuschpegel wieder. Um die Einhaltung der Grenzwerte in den Räumen sicherzustellen, ist es bei der Planung einer raumlufttechnischen Anlage zwingend erforderlich, eine akustische Berechnung durchzuführen. Die VDI-Richtlinie 2081 liefert dafür die Grundlage. Das Blatt 1 der Richtlinie ist im März 2019 in Überarbeitung erschienen. Die Novellierung nehmen wir zum Anlass, die Grundlagen der Akustikberechnung nach VDI 2081 aufzuzeigen und die Umsetzung der Berechnung in der Software „liNear Analyse Ventilation“ vorzustellen.

Grundlagen: Schallpegel, Schalldruck und Schallleistung
Der Schalldruckpegel und der Schallleis­tungspegel besitzen dieselbe Einheit Dezibel (dB) und werden im Alltag häufig verwechselt. Die Unterscheidung zwischen den beiden Größen ist in der Schallberechnung und Schallbewertung wichtig. Die Schallleistung wird von einem Objekt emittiert und kann als Ursache interpretiert werden. Von dem Objekt breitet sich der Schall als Druckschwankungen im Raum aus und wird z. B. vom Ohr als Schalldruck wahrgenommen, somit kann der Schalldruck als Wirkung betrachtet werden.
Aufgrund dessen, dass sich der Wertebereich des Schalldrucks und der Schalleistung über mehrere Zehnerpotenzen erstreckt, wird in der Akustik für eine bessere Darstellung in Pegeln gerechnet. Bei einem Pegel wird der Quotient der Größe zum jeweiligen Bezugswert logarithmiert und mit dem Faktor 10 bei der Schallleistung und dem Faktor 20 beim Schalldruck multipliziert. Durch den Logarithmus ist das Rechnen mit Pegeln nicht intuitiv. So führt eine Verdopplung des Schalldrucks nicht zu einem doppelt so großen Pegel, sondern der Pegel erhöht sich um ca. 6 dB. Eine Addition von zwei Pegeln, die sich mehr als 10 dB unterscheiden, ergibt den Wert des höheren Pegels, somit hat der niedrigere Pegel in dem Fall nur einen geringen Einfluss auf die Gesamtlautstärke.
Um die Schalldruckpegel auf die menschliche Wahrnehmung umzurechnen, wird für die A-Bewertung von jedem Oktavband ein festgelegter Pegel subtrahiert, Einheit dB(A). Aus der Prämisse heraus, dass den Personen im Raum ein akustisch behagliches Umfeld geschaffen werden soll, sind die einzuhaltenden Grenzwerte als A-bewertete Schalldruckpegel definiert.

Schallberechnung nach VDI 2081
Die novellierte VDI-Richtlinie 2081 hat nicht viele Änderungen mit sich gebracht. Am Berechnungsablauf als solches hat sich nichts geändert. Für ein paar Bauteile sind die empirischen Formeln oder Koeffizienten angepasst worden. Die neuen Formeln und Koeffizienten führen zu Ergebnissen in der gleichen Größenordnung wie vorher, sodass die Auswirkungen auf das Gesamtergebnis eine untergeordnete Rolle spielen. Für eine bessere maschinelle Berechnung wurden die vereinzelt vorhandenen Auslegungsdiagramme der alten Norm in Berechnungsformeln überführt.
Der Berechnungsablauf nach der VDI 2081 startet mit dem Ventilator als Schallquelle. Für den Ventilator werden die Schallleistungspegel der acht Oktavbänder in Abhängigkeit der Bauform, des Volumenstroms und der Pressung des Ventilators berechnet. Die Schallleis­­-
tungs­pegel des Ventilators werden als Eintrittsgeräusch an das angrenzende Bauteil übergeben. In jedem Bauteil wird von den eintretenden Schallleistungspegeln die Dämpfung des Bauteils subtrahiert. Der resultierende Restgeräuschpegel wird mit dem Strömungsgeräusch des Bauteils addiert, was die Schallleis-tungspegel am Austritt des Bauteils ergibt. Wichtig ist dabei zwischen der Subtraktion der Dämpfung und der Addition des Strömungsgeräuschs zu unterscheiden. Die Subtraktion einer Dämpfung von einem Pegel erfolgt arithmetisch. Eine Dämpfung von 5 dB bei einem Pegel von 30 dB ergibt somit einen Restgeräuschpegel von 25 dB. Die Addition der Pegel erfolgt logarithmisch (Bild 2). Die Berechnung der Schallleistungspegel wird für jedes Bauteil entlang des Kanalsystems wiederholt.
Durch diesen Berechnungsablauf werden für alle Luftdurchlässe die Schallleis­tungspegel ermittelt. Anschließend lassen sich mit diesen Werten die sich ergebenen Schalldruckpegel im Raum berechnen. Der Schalldruckpegel im Raum berechnet sich aus den Parametern der Raumart (kubischer Raum, Lang- oder Flachraum), des Abstands des Luftdurchlasses zum Referenzpunkt, der Position des Luftdurchlasses z. B. in einer Wand, der Nachhallzeit des Raums und der Anzahl der Luftdurchlässe in dem Raum. Die Planung einer akus­tisch behaglichen raumlufttechnischen Anlage ist erfüllt, wenn der berechnete Schalldruckpegel im Raum unterhalb des geforderten Grenzwerts liegt.

Schallberechnung mittels Software
Bei der Berechnung eines Kanalnetzes, z. B. mit „liNear Analyse Ventilation“, wird standartmäßig eine Schallberechnung durchgeführt. Die Schallberechnung erfolgt über alle Bauteile in den acht Oktavbändern. In den Bauteil-Dialogen gibt es den Bereich Schallpegel, in den entweder die Berechnungsdaten manuell eingegeben werden, oder abhängig von dem Bauteiltyp nach der VDI 2081 ermittelt werden (Bild 3). Wenn Herstellerbauteile aus dem CAD-Browser genutzt werden, sind automatisch die Druckverlust- und Schalldaten als Funktion des Volumenstroms in dem Bauteil hinterlegt. Sollte irgendwo im Kanalnetz ein Volumenstrom angepasst werden, ist somit sichergestellt, dass mit den korrekten Daten gerechnet wird.
Im Dialog Räume werden die sich im Raum befindenden Luftdurchlässe und die einzuhaltenden Grenzwerte angegeben. Der Grenzwert wird mit dem berechneten Schalldruckpegel am Referenzpunkt ver­glichen. Bei einer Überschreitung wird dieses durch eine Fehlermeldung mitgeteilt. Im Berechnungsdialog und im Ausdruck lassen sich zu laute Bauteile identifizieren. Dadurch können gezielt konstruktive Maßnahmen am Kanalnetz durchgeführt werden.

Autor: Peter Hollenbeck, Produktmanager, liNear GmbH

Bilder: liNear

www.linear.eu