Trittschall bei Holzböden: Forscher entwickeln schwarze Löcher als Lärmfallen
Wer in einem Altbau mit Holzböden lebt, kennt das Problem: Auch mit leisen Sohlen klingt es in der Wohnung darunter oft wie unter einer Kegelbahn. Trittschall ist selbst für modernste Holzgebäude eine Herausforderung. Empa-Forscher tüfteln an einer Lösung.
Quelle: Empa
Intelligente Lärmdämmung: Berechnungen der Schwingung von Holzplatten mit «Schwarzen Löchern».
Forscher der Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) haben mit einer physikalischen Theorie aus den 1990er-Jahren und digitaler Hilfe neue Bodenelemente aus Massivholzplatten entwickelt, die über so genannte «akustische schwarze Löcher» verfügen. Die Idee dazu hatte Stefan Schoenwald, Leiter des Bauakustiklabors der Empa.
Die Theorie dieser schwarzen Löcher sei ihm seit deren ersten Publikation 1987 mehrfach an Konferenzen und in wissenschaftlichen Veröffentlichungen begegnet, heisst es in einer Mitteilung der Empa von Donnerstag. Die Publikation des russischen Autors M.A. Mironov aus dem «Andreyev Acoustics Institute» in Moskau besagt, dass eine parabolische Aussparung in einem Material Vibrationen wie Schall aufnehmen und ausschwingen lassen, also «schlucken» kann.
Solche akustische schwarze Löcher sind laut der Empa bereits bei Autos und Flugzeugen eingesetzt worden, wobei sich ihre schallvermindernde Wirkung bestätigte. Allerdings sei die Fertigung bei sehr dünnen, harten Materialien nicht einfach. Weder im Holzbau noch in der Bauakustik gab es je Experimente mit den Aussparungen von Mironov.
Das soll sich nun ändern: Laborleiter Stefan Schoenwald will gemeinsam mit seinem Kollegen Sven Vallely die Trittschalldämmung im Holzbau mit neuartigen Brettsperrholzplatten-Elementen verbessern.
Das Forschungsprojekt im Video erklärt. (Quelle: Empa)
Schallwellen laufen sich «tot» in schwarzen Löchern
So wie es Schallwellen in der Luft gibt, so gibt es auch Schallwellen in Materialien – sogenannte Körperschallwellen. «Wenn man auf einen Boden auftritt, ist das wie ein Stein, den man in einen Teich wirft: Im Material breiten sich in alle Richtungen Schallwellen aus», erläutert Schoenwald in der Mitteilung. Wenn nach einer spezifischen mathematischen Funktion eine linsenförmige Vertiefung aus dem Material gefräst wird, laufen die Schallwellen in diesen Bereich hinein.
Dabei verstärken sich die Amplituden immer weiter, während die Wellenlänge der Schwingungen abnimmt. «Könnte man die Platten im Bereich dieser Vertiefungen unendlich dünn machen, dann würden sich die Schallwellen tatsächlich von alleine in diesen 'schwarzen Löchern' totlaufen, es käme also nichts mehr aus der Linse», so Schoenwald. Fraglich war allerdings, ob die schallmindernde Wirkung auch bei einer beschränkten Tiefe der Aussparung eintritt.
Die Idee, mit akustischen schwarzen Löchern in Holzbauten zu experimentieren, kam Stefan Schoenwald gemäss Mitteilung während der Arbeit. Er bat Vallely, die schallmindernde Wirkung am Computer zu simulieren und durchzurechnen. Um statische Bedenken aus dem Weg zu räumen, wurde ausserdem Andrea Frangi, ein Holzbau-Experte der ETH Zürich, nach seiner Einschätzung gefragt. Nicht nur dessen Rückmeldung, sondern auch die Modellierung der Schallminderung am Computer war vielversprechend.
Also gab der Forscher einen Prototyp und eine normale Kontrollplatte aus dem gleichen Material bei der Strüby AG in Seewen in Auftrag. Mit einer CNC-Maschine wurde dort dann eine linsenförmige Kuhle massgenau aus einer Brettsperrholzplatte gefräst.
Quelle: Empa
Die Forscher Stefan Schoenwald (links) und Sven Vallely haben neue Bodenelemente aus Massivholzplatten entwickelt, die über so genannte akustische schwarze Löcher verfügen.
Messung der Vibrations-Bewegungen
Die beiden Platten – einmal mit und einmal ohne akustische schwarze Löcher – wurden an der Empa anschliessend einer Schwingungsanalyse unterzogen. Dabei wird Schall über das ganze relevante Schallspektrum als Vibration in den Testkörper geleitet, während ein Laser die Vibration der Test-Platten rasterförmig an mehreren Stellen misst. Mit den Messwerten kann dann berechnet werden, wie sich die Vibration durch die Platte bewegt – und, ob die ausgefrästen Dellen den Schall auch wirklich «einfangen» und in Form von Wärme verpuffen lassen.
Noch vor zehn Jahren wäre eine solche Versuchsreihe laut der Empa nicht durchführbar gewesen. Nur schon die Modellierung der Vibration eines kleinen Bandbreitebereichs sei vom rechnerischen Aufwand her eine Dissertation gewesen. Heute ist dies anders: Die Forscher können das ganze akustische Spektrum an nur einem Nachmittag durchrechnen und die Vibrationen auch gleich als Visualisierung sichtbar machen.
Ziel des Versuchs ist es gemäss Mitteilung, zu untersuchen, ob sich die simulierten Resultate mit den gemessenen Werten decken. Denn wenn das Computermodell der Realität entspricht, können am Computer nahezu kostenlos alle möglichen Parameter verändert werden, ohne dass jedes Mal eine neue Versuchsplatte angefertigt werden muss. So lasse sich die Schallminderung ohne aufwändige Experimente für Holzelemente aller möglichen Grössen und Geometrien optimieren, heisst es weiter.
Quelle: Empa
Bei der Strüby AG in Seewen wurden die mathematisch berechneten Kuhlen in eine Brettsperrholzplatte gefräst.
Bessere Dämmleistung bei weniger Gewicht
Bislang stimmen die Messwerte der Untersuchungen sehr gut mit der Modellrechnung überein, wie aus der Mitteilung hervorgeht. Mit einer Abweichung von lediglich rund fünf Prozent sei Schoenwald sehr zufrieden. Diese Abweichung lässt sich laut Vallely durch die Fertigung der Platten und die natürliche Variation des Holzes erklären. In einem nächsten Schritt sollen nun die Versuche mit den in Seewen gefertigten Testplatten folgen.
«Aktuell sind wir an den Trittschallmessungen, die wir nach internationalen Normvorgaben durchführen. Im nächsten Schritt müssen die Brandschutz- und Statik-Eigenschaften bestätigt werden», so Schoenwald. Mit diesen Untersuchungen soll sichergestellt werden, dass die Brettsperrholzplatten nicht nur mindestens auf marktüblichen Niveau den Schall dämmen, sondern auch alle für die Verwendung im Bau notwendigen Zertifizierungen erhalten können.
Holzdecke mit akustischen schwarzen Löchern
Stefan Schoenwald erklärt in der Mitteilung die Wirkungsweise der Platten. Bei der Dämmung von Trittschall seien drei Eigenschaften wichtig: die Masse des Bauteils, seine Steifigkeit und die Bedämpfung. Steifigkeit und Bedämpfung widerstreben sich dabei – ein weiches Bauteil lasse sich gut bedämpfen, ein steifes Bauteil weniger gut.
Der Forscher nennt dazu als Beispiel klassische Massivholzdecken, die zugleich leicht und steif sind, wodurch sich zwei ungünstige Eigenschaften verbinden. Ein möglicher Ausweg sei hierbei, die Masse des Bauteils zu erhöhen. In moderne Holzhäuser bauen Architekten laut Schoenwald daher dicke Schichten von Kies zur Beschwerung ein. Dadurch geraten die Holzdecken weniger leicht in Vibration, falls ein Erwachsener darüber läuft oder ein Kind durch die Wohnung hüpft.
Quelle: Empa
Die Forscher führten an zwei Platten – einmal mit und einmal ohne akustische schwarze Löcher – eine Schwingungsanalyse durch. Dabei wird Schall über das ganze relevante Schallspektrum als Vibration in den Testkörper geleitet, während ein Laser die Vibration rasterförmig an mehreren Stellen misst.
Quelle: Empa
Wenn nach einer spezifischen mathematischen Funktion eine linsenförmige Vertiefung aus einem Material gefräst wird, laufen die Schallwellen in diesen Bereich hinein. Dabei verstärken sich die Amplituden immer weiter, während die Wellenlänge der Schwingungen abnimmt.
Quelle: Empa
Die Forscher machen die Elemente an bestimmten Stellen besonders weich, damit sie dort besonders stark schwingen können. An diesen Stellen wird die Schwingung zudem gezielt mit einer kleinen Menge Sand oder Kies gedämpft.
Die Empa-Forscher beschreiten aber einen anderen Lösungspfad. «Wir machen die Holzdecken an bestimmten Stellen besonders weich, damit sie dort besonders stark schwingen können. An diesen Stellen dämpfen wir die Schwingung gezielt mit einer kleinen Menge Sand oder Kies», erläutert Schoenwald. Der Kies erfüllt hier aber einen völlig anderen Zweck: «Bei uns ist der Kies nicht zur Beschwerung da. Er soll sich stattdessen bewegen und durch seine innere Reibung die Vibration in Wärme umwandeln.»
Das Ergebnis ist laut Mitteilung eine Holzdecke mit akustischen schwarzen Löchern, die wesentlich leichter als eine herkömmliche Decke ist und Trittschall dennoch deutlich besser dämpfen kann. Die baulich vorteilhafte Steifigkeit der gesamten Deckenkonstruktion bleibe dabei erhalten.
Suche nach Industriepartner
Nach Abschluss der Versuchsreihen wollen die Forscher gemäss Mitteilung nun noch ein Verfahren entwickeln, das automatisch die beste Anordnung und Form der akustischen schwarzen Löcher auf die gewünschte Bodengrösse und –form aufzeigt. Das Einzige, was dann noch fehle, sei ein Industriepartner. (mgt/pb)
Zur Mitteilung der Empa: www.empa.ch
