Konzipierung eines aeroakustischen Messplatzes für … möchte ich mich bei allen die mich bei...

1

Konzipierung eines aeroakustischen Messplatzes für mobile Klimaanlagen

Diplomarbeit

Gerold Nistelberger

Betreuer: Dr. Alois Sontacchi (IEM, KU Graz) Externer Betreuer: DI (FH) Aaron Reppenhagen (ViF) Begutachter: Prof. Robert Höldrich

Graz, Juni 2012

3

EIDESSTATTLICHE ERKLÄRUNG

Ich erkläre an Eides statt, dass ich die vorliegende Arbeit selbstständig verfasst, andere

als die angegebenen Quellen/Hilfsmittel nicht benutzt und die den benutzten Quellen

wörtlich und inhaltlich entnommenen Stellen als solche kenntlich gemacht habe.

Graz, Juni 2012

Gerold Nistelberger

4

KURZFASSUNG

Das Ziel dieser Arbeit ist die Eignungsprüfung der Klimakammer des Kompetenzzent-

rums „Das Virtuelle Fahrzeug“ als aeroakustischer Messplatz für mobile Klimaanlagen.

Die Klimakammer besteht aus verschiedenen Bauelementen, die abhängig vom jeweili-

gen Betriebszustand Störgeräusche emittieren. Von besonderem Interesse ist der Frei-

strahl des Verdampferluftkanals, da in diesem Bereich die zukünftigen aeroakustischen

Messungen durchgeführt werden.

Zur Erfassung der akustischen Eigenschaften und zur Analyse der Störgeräusche wurden

Verfahren aus der bauakustischen Messtechnik und der Hochlaufanalyse sowie die Eig-

nungsprüfung für reflexionsarme Räume angewandt.

Die Messergebnisse geben abhängig vom jeweiligen Betriebszustand der Klimakammer

das emittierte Störgeräusch an und bilden mit den akustischen Eigenschaften der Klima-

kammer die Basis zur Bestimmung des gültigen Messbereiches für reflexionsarme aero-

akustische Messungen. Zur Bestimmung der Störgeräusche im Bereich des Freistrahls

des Verdampferluftkanals wurde ein Berechnungstool entwickelt, das für jeden Be-

triebszustand der Klimakammer den Störgeräuschpegel berechnet und daraus den mi-

nimal zu detektierenden Schalldruckpegel ermittelt.

Ergänzend wurde die Vorgangsweise für aeroakustische Messungen in der Klimakammer

beschrieben, um reflexionsarme Bedingungen bei gleichzeitiger Einhaltung des ermittel-

ten minimal zu detektierenden Schalldruckpegels zu gewährleisten.

Abschließend wurden aufgrund der gewonnenen Erkenntnisse Maßnahmen zur Opti-

mierung der Klimakammer erarbeitet.

5

ABSTRACT

This thesis covers the examination of a climatic chamber of the "Virtual Vehicle Research

and Test Center" (ViF) as an aeroacoustic test station for air conditioning systems. The

chamber consists of several components that emit noise depending on its operating

point. The free jet of the evaporator wind tunnel is of particular interest for future aero-

acoustic measurements.

To collect the aeroacoustic properties and analizing the noise, measurement methods of

architectural acoustics, acceleration analysis and the suitability test of anechoic rooms

were applied.

The valid measurement range for anechoic aeroacoustic measurements is determinated

by the acoustic properties of the climatic chamber and the emitted noise depending on

the operating point. A tool was developed to calculate the noise level in the free jet of

the evaporator wind tunnel with respect to the operating point. This results in the mi-

nimum sound pressure level for valid measurements.

To ensure anechoic conditions while maintaining the determined minimum sound pres-

sure level, a procedure for aeroacoustic measurements was described.

Finally, measures to optimize the climate chamber were elaborated.

6

DANKSAGUNG

Diese Diplomarbeit wurde am Institut für Elektronische Musik und Akustik (IEM) an der

Kunstuniversität Graz in Kooperation mit dem Kompetenzzentrum „Das Virtuelle Fahr-

zeug“ (ViF) verfasst.

Hiermit möchte ich mich bei allen die mich bei meiner Arbeit unterstützt haben bedan-

ken.

Besonderer Dank gilt Herrn Dr. Alois Sontacchi für die erstklassige Betreuung. Er hatte

immer ein offenes Ohr für meine Fragen und erteilte mir wertvolle Ratschläge.

Weiters möchte ich meinem Betreuer am Kompetenzzentrum Herrn DI (FH) Aaron

Reppenhagen für seine Unterstützung danken. Auch möchte ich mich bei Herrn Dr.

Karoly Jalics für seine Ratschläge bei den Messungen und die Bereitstellung des Messe-

quipments bedanken. Herrn DI Matthias Hütter und Herrn DI Alois Steiner danke ich für

die Unterstützung bei den Arbeiten in der Klimakammer.

Bei meinen FreundInnen und StudienkollegInnen möchte ich mich für ihren Beitrag zu

meiner schönen Studienzeit bedanken. Ein besonderer Dank geht an Christian Nachbar

und Thomas Öffl für die hilfreichen Diskussionen und wertvollen Anregungen.

Zu guter Letzt geht mein Dank an meine Eltern und meine Freundin Christina, die mich

stets bestärkt hat wenn ich an mir gezweifelt habe. Christina war mir die ganze Zeit eine

große Stütze. Daher widme ich diese Arbeit ihr und unserem Sohn Theo.

7

Der Autor dankt dem „COMET K2-Forschungsförderungs-Programm“ des Österreichi-

schen Bundesministeriums für Verkehr, Innovation und Technologie (BMVIT), des Öster-

reichischen Bundesministeriums für Wirtschaft, Familie und Jugend (BMWFJ), der Öster-

reichischen Forschungsförderungsgesellschaft mbH (FFG), des Landes Steiermark sowie

der Steirischen Wirtschaftsförderung (SFG) für die finanzielle Unterstützung.

Ebenfalls danke ich dem unterstützenden Projektpartner Institut für Elektronische Musik

und Akustik (IEM) sowie der Technischen Universität Graz.

8

Inhaltsverzeichnis

KURZFASSUNG ............................................................................................................... 4

ABSTRACT ....................................................................................................................... 5

DANKSAGUNG ................................................................................................................ 6

1 EINLEITUNG ......................................................................................................... 11

1.1 Zielsetzung ................................................................................................................... 11

1.2 Gliederung .................................................................................................................... 11

2 THEORETISCHE GRUNDLAGEN ..................................................................... 13

2.1 Mittlerer Schalldruckpegel ........................................................................................... 13

2.1.1 Standardabweichung gemittelter Schalldruckpegel ...................................................... 14

2.1.2 Prüfung der Signifikanz gemittelter Schalldruckpegel bei Messwiederholungen ......... 15

2.2 Frequenzabhängigkeit der Kenngrößen ........................................................................ 16

2.2.1 Filterkenngrößen ........................................................................................................... 16

2.2.2 Relative Filterdämpfung ................................................................................................ 19

2.3 Nachhallzeit .................................................................................................................. 20

2.3.1 Ermittlung der Nachhallzeit mit dem Swept-Sine-Verfahren ........................................ 21

2.4 Grundgeräusch ............................................................................................................. 23

2.4.1 A-Bewertung .................................................................................................................. 23

2.4.2 Grundgeräuschpegel-Bewertung mittels Noise Rating Kurven ..................................... 24

2.5 Bau-Schalldämm-Maß .................................................................................................. 25

2.5.1 Zweiraumverfahren ....................................................................................................... 26

2.6 Reflexionsarme Messräume ......................................................................................... 27

9

2.6.1 Schalldruckpegelverteilung in annähernd kubischen Räumen ...................................... 28

2.6.2 Eigenschaften von reflexionsarmen Voll- und Halbräumen .......................................... 31

3 METHODE ............................................................................................................. 34

3.1 Aufbau der Klimakammer ............................................................................................. 34

3.1.1 Akustisch relevante Bauteile in der Klimakammer ........................................................ 35

3.1.2 Modifizierung der Klimakammer ................................................................................... 37

3.2 Terzbandfilter in MATLAB ............................................................................................. 40

3.3 Akustische Messverfahren ............................................................................................ 42

3.3.1 Messung der Nachhallzeit ............................................................................................. 42

3.3.2 Messung des Grundgeräusches ..................................................................................... 45

3.3.3 Messung des Bau-Schalldämm-Maßes .......................................................................... 45

3.3.4 Messung der Freifeldbedingung .................................................................................... 49

3.3.5 Messung der Störgeräusche .......................................................................................... 58

4 ERGEBNISSE ........................................................................................................ 62

4.1 Nachhallzeit .................................................................................................................. 62

4.2 Grundgeräusch ............................................................................................................. 63


4.4 Freifeldbedingung ........................................................................................................ 66

4.5 Störgeräusche ............................................................................................................... 69

4.5.1 Halle ............................................................................................................................... 69

4.5.2 Konditionierer ................................................................................................................ 69

4.5.3 Luftkanal ........................................................................................................................ 70

5 DISKUSSION ......................................................................................................... 73

5.1 Nachhallzeit .................................................................................................................. 73

5.2 Grundgeräusch ............................................................................................................. 74


5.3.1 Einzelmessungen an bestimmten Bauteilen .................................................................. 78

10

5.4 Freifeldbedingung ........................................................................................................ 78

5.4.1 Optimale Pegelabnahme ............................................................................................... 78

5.5 Zusammenführung der Messergebnisse ....................................................................... 81

6 AEROAKUSTISCHER MESSPLATZ FÜR MOBILE KLIMAANLAGEN ..... 83

6.1 Betriebszustands-GUI ................................................................................................... 83

6.2 Kritische Betriebszustände ........................................................................................... 84

6.3 Messbereich des aeroakustischen Messplatzes für mobile Klimaanlagen ..................... 86

6.3.1 Vorgangsweise bei aeroakustischen Messungen an mobilen Klimaanlagen ................. 88

6.4 Maßnahmen zur Optimierung der Klimakammer ......................................................... 89

7 ANHANG A ............................................................................................................ 92

8 ANHANG B ............................................................................................................ 97

9 LITERATURVERZEICHNIS ............................................................................. 100

1 Einleitung

11

1 Einleitung

1.1 Zielsetzung

Für valide Durchführung aeroakustischer Messungen an mobilen Klimaanlagen ist eine

Erhebung der akustischen Eigenschaften der Klimakammer notwendig. Die am Klima-

kreis entstehenden Geräusche im Bereich zwischen und sollen durch

die Messung des Schalldrucks nach dem Verdampfer des Klimakreises ermittelt werden.

Für die Durchführung dieser Messungen müssen die akustischen Eigenschaften und die

emittierten Störgeräusche der Klimakammer analysiert werden. Anhand dieser Ergeb-

nisse soll der maximale Betriebszustand der Klimakammer ermittelt werden, bei dem die

Bedingung Noise Rating ( ) eingehalten wird.

Weiters soll mögliches Optimierungspotential aufgezeigt und die Vorgangsweise bei

aeroakustischen Messungen in der Klimakammer erarbeitet werden.

1.2 Gliederung

Das nächste Kapitel bildet die theoretische Grundlage dieser Arbeit, wobei sich der

Hauptteil mit der statistischen Raumakustik befasst. Ein weiterer Teil beschäftigt sich

mit den Eigenschaften von reflexionsarmen Messräumen.

Anschließend werden die baulichen Gegebenheiten und die akustisch relevanten Bautei-

le der Klimakammer dargestellt. Der Hauptteil dieses Kapitels beschreibt die methodi-

sche Vorgehensweise zur Erfassung der raumakustischen Eigenschaften der Klimakam-

mer.

Im vierten Kapitel werden die akustischen Eigenschaften und die vom Betriebszustand

der Klimakammer abhängigen Störgeräusche dargestellt.

Kapitel 5 vergleicht die Vorgangsweise bei der Erfassung der akustischen Eigenschaften

der Klimakammer gegenüber den in standardisierten Messverfahren angewandten Me-

thoden. Weiters wird durch Zusammenführen der Messergebnisse der Signal- / Störge-

1 Einleitung

12

räuschabstand und daraus die Messgenauigkeit als zentraler Aspekt dieser Arbeit be-

stimmt.

Abschließend wird auf kritische Betriebszustände der Klimakammer eingegangen und

daraus der maximale Betriebszustand für aeroakustische Messungen an mobilen Klima-

anlagen angegeben.

Eine Auflistung des verwendeten Messequipments befindet sich im Anhang.

2 Theoretische Grundlagen

13


Die statistische Raumakustik bildet die theoretische Grundlage dieser Arbeit. Die akusti-

sche Beschreibung des Raumes bezieht sich auf die Bildung von Energiebilanzen. Diese

setzen sich aus Energiequelle (Schallquelle) und Energieverbraucher (Raum) zusammen.

Die Größe und geometrische Form des herangezogenen Raumes sind weitgehend ver-

nachlässigbar. Die Bildung von Energiebilanzen setzt eine im Raum gleichmäßig verteilte

Energie voraus (diffuses Schallfeld). Hervortretende Resonanzen müssen daher ausge-

schlossen werden. Die Schallenergiedichte im Raum ist oberhalb der Schroeder-

Frequenz (mit Ausnahme von lokalen Effekten) gleichmäßig verteilt. Sind Nachhallzeit

(siehe Abschnitt 2.3) und Volumen des Raumes bekannt, so kann die Schroeder-

Frequenz wie folgt berechnet werden [1]:

√

(2.1)

Oberhalb dieser Grenzfrequenz ist die Beschreibung des Schallfeldes mit der statisti-

schen Raumakustik zulässig.

2.1 Mittlerer Schalldruckpegel

Als Schalldruck ist die Amplitude des Wechseldrucks in der Erdatmosphäre defi-

niert. Die Hörschwelle liegt in einer Größenordnung von , die Schmerzgrenze wird

mit ca. angenommen und ist im Vergleich zum statischen Luftdruck von

sehr klein. Das menschliche Gehör reagiert nicht auf statische, sondern auf relative

Schalldruckänderungen im Schallfeld. Der Schalldruckpegel wird als logarithmiertes

Verhältnis des Effektivwerts des quadrierten Schalldrucks mit einem festgelegten Be-

zugswert berechnet [2]:


14

(2.2)

Wird an Punkten in einem Raum der Schalldruckpegel gemessen, berechnet sich der

energetisch gemittelte Schalldruckpegel aus den einzelnen Schalldrücken wie folgt

[3]:

(

∑

) (2.3)

2.1.1 Standardabweichung gemittelter Schalldruckpegel

Die Streuung der Messergebnisse wird durch die Standardabweichung

√

∑

(2.4)

angegeben. Unter der Annahme, dass die an Punkten (Stichprobenumfang) gemesse-

nen Schalldruckpegel normalverteilt sind, ergibt sich mit einer Wahrscheinlichkeit von

eine Messunsicherheit von

√ (2.5)

Der wahre Mittelwert des Schalldruckpegels liegt somit im Intervall [4].

2.1.1.1 Vertrauensbereich

Wird der wahre Mittelwert aus einem Stichprobenumfang berechnet, muss die

Varianz daraus geschätzt werden, da der Stichprobenmittelwert nicht mehr normalver-

teilt ist, sondern einer t-Verteilung entspricht. Der t-Wert (Quantile) berechnet sich aus

der inversen Verteilungsfunktion bei einer Irrtumswahrscheinlichkeit


15

und einem Freiheitsgrad . Bei einem zweiseitigen Vertrauensbereich mit

einer Wahrscheinlichkeit liegt die Irrtumswahrscheinlichkeit bei .

Daraus ergibt sich eine Messunsicherheit von

√ (2.6)

Der Vertrauensbereich (Confidence Interval, CI) beschreibt die mögliche Lage des

wahren Mittelwerts des Schalldruckpegels [4].

2.1.2 Prüfung der Signifikanz gemittelter Schalldruckpegel bei

Messwiederholungen

Werden Mittelwerte einer wiederholten Messung ( und ) verglichen, müssen diese

auf einen signifikanten Unterschied geprüft werden. Wird die Untersuchung an einem

Bauteil vor und nach einer Modifikation durchgeführt, ohne das Messsetting zu verän-

dern, wird der Vergleich zweier Stichprobenmittelwerte mit abhängigen Stichproben

herangezogen (t-Test). Hierbei wird die Verteilung der Differenzen für jedes Messwert-

paar berechnet. Der arithmetische Mittelwert der Differenzen berechnet sich durch

∑

(2.7)

wobei entspricht. Die Streuung der Differenzen aus der Grundgesamt-

heit wird geschätzt durch

√

∑

(2.8)

Der geschätzte Standardfehler der Differenzen wird berechnet durch


16

√ (2.9)

Aus Gleichung (2.7) und (2.9) wird der beobachtete t-Wert

(2.10)

berechnet und mit den Signifikanzniveaus kritischer t-Werte , unter Vergabe einer

Irrtumswahrscheinlichkeit und Berücksichtigung des Stichprobenumfangs N, vergli-

chen. Ein signifikanter Unterschied beider Mittelwerte liegt vor, wenn [5].

2.2 Frequenzabhängigkeit der Kenngrößen

Für eine frequenzabhängige Darstellung der Schalldruckpegel in der akustischen Mess-

technik werden Bandfilter für Oktaven und Bruchteile von Oktaven eingesetzt.

2.2.1 Filterkenngrößen

Die Angabe von Filtercharakteristiken wird am besten mit dem Übertragungsfaktor be-

schrieben. Der Übertragungsfaktor ist das Verhältnis von Filterausgangsspannung zu

Filtereingangsspannung:

(2.11)

Wird eine Pegeldarstellung verwendet, so ist es sinnvoll das Übertragungsmaß

(2.12)

anzugeben.

Das Übertragungsmaß bei Bandfiltern für Oktaven und Bruchteile von Oktaven ist nega-

tiv. Daher wird die Filterdämpfung mit


17

(2.13)

angegeben [4].

2.2.1.1 Mittenfrequenz

Die untere und obere Grenzfrequenz und ergeben sich aus dem Durchlassbereich

jedes Teilfilters, bei welchem die Dämpfung größer als die mittlere Grunddämpfung

ist. Aus der oberen und unteren Grenzfrequenz werden die Mittenfrequenzen

(2.14)

bestimmt. Die Mittenfrequenzen bei konstanter relativer Bandbreite der Teilfilter stei-

gen mit dem Stufungsfaktor :

(2.15)

Der Stufungsfaktor wird bestimmt durch

(2.16)

wobei

der Bandbreitenkennzahl und dem Oktavverhältnis entspricht. Je nach

relativer Bandbreite von Oktavfiltern ist und für Terzfiltern zu wählen. Die

Bandeckfrequenzen der Teilfilter werden wie folgt berechnet:

(2.17)

(2.18)

Die Bandfilter müssen laut Tabelle 2.1 mit folgenden Nennbandmittenfrequenzen ge-

kennzeichnet werden. Die exakten Mittenfrequenzen


18

(2.19)

eines Terzbandfilters im Hörbereich berechnen sich aus der Referenzfrequenz

und den in Tabelle 2.1 angeführten Indizes [6]:

Index Nennband-

mittenfrequenz Terz Oktave

-16 24,80 25

-15 31,25 31,5

-14 39,37 40

-13 49,61 50

-12 62,50 63

-11 78,75 80

-10 99,21 100

-9 125,00 125

-8 157,49 160

-7 198,43 200

-6 250,00 250

-5 314,98 315

-4 396,85 400

-3 500,00 500

-2 629,96 630

-1 793,70 800

0 1000,00 1000

1 1259,92 1250

2 1587,40 1600

3 2000,00 2000

4 2519,84 2500

5 3174,80 3150

6 4000,00 4000

7 5039,68 5000

8 6349,60 6300

9 8000,00 8000

10 10079,37 10000

11 12699,21 12500

12 16000,00 16000

13 20158,74 20000

Tabelle 2.1: Bandmittenfrequenzen für Oktav- und Terzbandfilter im Hörbereich [6]


19

2.2.2 Relative Filterdämpfung

Für die Terzbandfilter der Klasse sind in Tabelle 2.2 die Grenzen der relativen

Dämpfung angegeben. Jeder Terzbandfilter muss zwischen der kleinsten und größten

relativen Dämpfung liegen.

„Für Bandfilter für Bruchteile von Oktaven mit der Bandbreitenkennzahl

muss

die normierte Frequenz für hohe Frequenzen ⁄ , die zu einer endlichen

Grenze der Dämpfung für die Genauigkeitsklasse gehört, für nach folgen-der Gleichung berechnet werden:

⁄

(2.20)

Für muss die normierte Frequenz für niedrige Frequenzen ⁄ für die-

selbe Grenze der relativen Dämpfung nach folgender Gleichung berechnet wer-den:“ 1

⁄

⁄

(2.21)

Bandfilter welche die Anforderungen in Tabelle 2.2 erfüllen, dürfen bei akustischen

Messverfahren eingesetzt werden. Die Spezifikation gilt für eine beliebige Anzahl von

Bandfiltern, die sich über einen beliebigen Frequenzbereich erstrecken [6].

1 ÖVE/ÖNORM EN 61260+A1, „Elektroakustik: Bandfilter für Oktaven und Bruchteile von

Oktaven“, 2003, S. 11


20

normierte Frequenz

Basis Zwei Grenzen der kleinsten und größten

Dämpfung in Filterklasse

1,00000 -0,15 ; 0,15 -0,3 ; 0,3 -0,5 ; 0,5

1,02676 -0,15 ; 0,2 0,3 ; 0,4 -0,5 ; 0,6

0,97394

1,05594 -0,15 ; 0,4 -0,3 ; 0,6 -0,5 ; 0,8

0,9402

1,08776 -0,15 ; 1,1 -0,3 ; 1,3 -0,5 ; 1,6

0,91932

1,12246 -0,15 ; 4,5 -0,3 ; 5,0 -0,5 ; 5,5

0,89090

1,12246 2,3 ; 4,5 2 ; 5,0 1,6 ; 5,5

0,89090

1,295965 18,0 ; 17,5 ; 16,5 ;

0,77181

1,88695 42,5 ; 42,0 ; 41,5 ;

0,52996

3,06955 63,0 ; 61,0 ; 55,0 ;

0,32578

5,43474 75,0 ; 70,0 ; 60,0 ;

0,18400

Tabelle 2.2: Grenzen der relativen Dämpfung für Terzfilter [6]

2.3 Nachhallzeit

Die Nachhallzeit beschreibt das zeitliche Abklingen der Schallenergie in einem Raum. Der

Abklingvorgang setzt sich aus dem Direktschall, den Anfangsreflexionen und dem Nach-

hall zusammen. Die Anfangsreflexionen sind im kurzen zeitlichen Abstand nach dem

Direktschall vorzufinden. Die Reflexionsdichte nimmt im zeitlichen Verlauf zu und geht in

den Nachhall über [2].

Die Nachhallzeit ist wie folgt definiert:

„Dauer zwischen dem Abschalten der Quelle und dem Zeitpunkt, an dem die räumlich gemittelte Schallenergiedichte um abgenommen hat.

kann aus einem kleineren Dynamikbereich als ermittelt und auf eine Ab-klingzeit bei extrapoliert werden. Sie werden dann entsprechend gekenn-


21

zeichnet. Wird aus der Zeit genommen, in der die Abklingkurve erstmalig die Werte und unter dem Anfangspegel erreicht, wird sie bezeichnet. Werden Abklingwerte von bis unter dem Anfangspegel verwendet, wird sie bezeichnet.“ 2

Äquivalente Absorptionsfläche

Aus der Nachhallzeit wird die für die akustische Messtechnik wesentliche Größe der

äquivalenten Absorptionsfläche abgeleitet.

Trifft eine Schallwelle auf eine Wandfläche, so wird ein Teil der Schallenergie reflektiert

und der andere Teil absorbiert. Das Verhältnis zwischen absorbierter und eingebrachter

Schallenergie wird als Absorptionsgrad bezeichnet. Sind Volumen , Raumoberfläche

und Nachhallzeit eines Raums bekannt, kann der mittlere Absorptionsgrad mit der

Nachhallzeitformel nach Sabine oder nach Eyring bestimmt werden. Die Schallenergie-

abnahme bei der Nachhallzeitformel nach Eyring wird als exponentiell angenommen.

Für einen Abfall von ergibt sich ein mittlerer Absorptionsgrad von

(2.22)

wobei dem Absorptionsgrad aus der Nachhallzeitformel nach Sabine entspricht. Mit

der Nachhallzeitformel nach Sabine ist es möglich, Absorptionsgrade zu errei-

chen. Aus Gleichung (2.22) ist ersichtlich, dass die Nachhallzeitformel nach Eyring für

eine Nachhallzeit von einen Absorptionsgrad von ergibt [7].

2.3.1 Ermittlung der Nachhallzeit mit dem Swept-Sine-Verfahren

Zur Ermittlung der Nachhallzeit können laut EN ISO 18233 klassische oder neue Verfah-

ren eingesetzt werden [8]. Die neuen Verfahren Swept-Sine und MLS werden im Artikel

„Comparison of different impulse response measurement techniques“ miteinander ver-

glichen [9].

Neue Verfahren wie das Swept-Sine-Verfahren bieten gewisse Vorteile gegenüber den

klassischen Verfahren. Das Swept-Sine-Verfahren ist unempfindlich gegenüber harmoni- 2 ÖNORM EN ISO 3382-2, „Messung von Parametern der Raumakustik, Teil 2: Nachhallzeit in

gewöhnlichen Räumen“, 2009, S. 6


22

schen Verzerrungen und eine leichte zeitliche Varianz beeinflusst die Messung nur in

geringem Ausmaß. Ein weiterer Vorteil des Swept-Sine-Verfahren ist, dass Störungen im

gemessenen Signal gut erkannt werden können. Weiters wird durch Verlängerung des

Anregungssignales der Signal-Rauschabstand vergrößert [10].

„Im Allgemeinen sollte einem längeren Sweep gegenüber der Mittelung der Vor-zug gegeben werden, da er die Anfälligkeit für zeitliche Varianz verringert und die Trennung der Verzerrungsprodukte erleichtert.“ 3

Als übliches Anregungssignal wird ein exponentieller Sweep (Pink Sweep) angewandt.

Der exponentielle Zeitverlauf hat die Eigenschaft, dass in jedes Oktavband dieselbe

Energie eingebracht wird [8].

Der exponentielle Sweep basiert auf einem linearen Sinus-Sweep mit der Signallän-

ge . Die Systemantwort wird anhand des inversen Sweep-Signals wie folgt be-

rechnet

(2.23)

wobei die ideale Deltafunktion darstellt.

Wird durch das Anregungssignal das System verändert, lässt sich die Systemantwort wie

folgt beschreiben

(2.24)

wobei die Impulsantwort des Systems darstellt. Durch Faltung der Systemantwort

mit dem inversen Signal wird die Impulsantwort des Systems berechnet [11]:

(2.25) Mit Hilfe der Impulsantwortmessung kann jedes lineare zeitinvariante System vollstän-

dig beschrieben werden.

3 ÖNORM EN ISO 18233, „Anwendung neuer Messverfahren in der Bau- und Raumakustik“, 2006,

S. 26


23

2.3.1.1 Bestimmung der Nachhallzeit aus der Impulsantwort

Durch Integration (Schröder-Rückwärtsintegration) der quadrierten Raumimpulsantwort

wird die Abklingkurve der Nachallzeit berechnet. Die Integration läuft rück-

wärts bis zum Beginn der quadrierten Impulsantwort und ergibt den Schallpegelabfall zu

jedem Zeitpunkt:

(

∫

) (2.26)

Dabei ist

eine Konstante, die die Signalleistung je Einheit der Bandbreite des An-regungssignals bezeichnet;

ein willkürlich gewählter Bezugswert für die Berechnung des Pegels [8].

Der Energieabfall des Nachhalls wird als exponentiell angenommen, weshalb sich auf-

grund der Gleichung (2.26) eine lineare Abklingkurve ergibt. Wird die Nachhallzeit nu-

merisch berechnet, kann eine Linearisierung der Abklingkurve mit der Methode der

kleinsten quadratischen Abweichung verwendet werden. Die Steigung der Geraden be-

stimmt die Abklingzeit des Nachhalls [8] [12] [13].

2.4 Grundgeräusch

Das Grundgeräusch beschreibt eine auf ein Minimum an Schallquellen reduzierte Umge-

bung. Das in der Messumgebung vorhandene Grundgeräusch kann als Bezugspunkt bei

akustischen Messungen herangezogen werden.

2.4.1 A-Bewertung

Das menschliche Gehör reagiert unterschiedlich sensitiv auf frequenzabhängige Schal-

lereignisse. Die Sensitivität ändert sich auch mit der Lautstärke. Diese Abhängigkeit wird

anhand der Kurven gleicher Lautstärkepegel in Abbildung 2.1 gezeigt. Daraus werden

verschiedene Bewertungsfilter, die sich aus dem inversen Verlauf vereinfachter Kurven

gleicher Lautstärke ergeben, abgeleitet. Die Bewertungsfilter ermöglichen ein Schaller-


24

eignis mit einem einzelnen Wert zu beschreiben. Die A-Bewertung entspricht der verein-

fachten inversen Kurve gleicher Lautstärkepegel bei [1].

Abbildung 2.1: Kurven gleicher Lautstärkepegel [14] (links); Bewertungsfilter nach ÖVE/ÖNORM EN 61672-1 [15] (rechts)

2.4.2 Grundgeräuschpegel-Bewertung mittels Noise Rating

Kurven

Eine Darstellung von Schalldruckpegeln mittels Bewertungsverfahren gibt keine Aus-

kunft über die spektralen Eigenschaften des Grundgeräusches. Abbildung 2.2 zeigt die in

der Klimatechnik häufig angewandten Noise Rating Kurven ( ) nach ISO 1996 [16].

Hierbei werden die in Terz- oder Oktavbändern ausgewerteten Schallpegel mit den NR-

Kurven verglichen. Das Grundgeräusch wird durch den -Wert der niedrigsten Kurve

gekennzeichnet, die vom beurteilten Spektrum nicht überschritten wird [17].

Bei der Beurteilung muss der gesamte Raum mit einbezogen werden. In den Empfehlun-

gen von EBU Tech. 3276 und ITU-R BS.1116-1 werden die höchstzulässigen Schallpegel

anhand der Noise Rating Kurven in Referenz-Hörräumen und Tonregieräumen mittels

NR10 (in Ausnahmefällen mit NR 15) angegeben [18] [19] [20].


25

Abbildung 2.2: Noise Rating Kurven nach ISO 1996 ( )

2.5 Bau-Schalldämm-Maß

Unter Schalldämmung wird die Abschwächung der Schallleistung eines Bauteils durch

seine schalldämmende Konstruktion verstanden. Dabei wird die empfangene Schallleis-

tung auf die gesendete Schallleistung bezogen

(

) (2.27)

Der empfangene Schallleistungsanteil erfolgt einerseits direkt ( ) und andererseits

über Nebenwege ( ). Die Nebenwege setzen sich aus der Beteiligung von flankieren-

den Bauteilen sowie durch zusätzliche Schallübertragungswege zusammen [2].


26

Abbildung 2.3: Reflexion und Transmission bei Schalleinfall auf eine Wand [2]

2.5.1 Zweiraumverfahren

Ist die Schalldämmung zwischen zwei Räumen von Interesse, wird diese durch die

Schalldruckpegeldifferenz

(2.28)

bestimmt. Hierbei werden alle schalltechnischen Eigenschaften der vorhandenen Bautei-

le mit ihrer Einbausituation erfasst. Dazu wird ein diffuses Schallfeld mit dem Schall-

druckpegel in einem Raum erzeugt (Senderaum, SR) und im zweiten Raum (Emp-

fangsraum, ER) der wahrzunehmende Schalldruckpegel erfasst (Abbildung 2.4). Die

Berechnung der Schalldämmung anhand der Schalldruckpegeldifferenz ist nur in einem

Empfangsraum mit Freifeldbedingung möglich, da ansonsten Reflexionen eine Verstär-

kung des Schallfeldes verursachen. Die akustische Verstärkung im Empfangsraum wird

durch die Berechnung des Bau-Schalldämm-Maßes

(

) (2.29)

berücksichtigt, wobei der Fläche des Trennbauteils und der äquivalenten Absorpti-

onsfläche entspricht [2].


27

Abbildung 2.4: Schemazeichnung für die Bestimmung des Bau-Schalldämm-Maßes

2.6 Reflexionsarme Messräume

Reflexionen die im Messraum durch die Raumbegrenzung und andere Einbauten verur-

sacht werden, sind bei zahlreichen Anwendungen in der akustischen Messtechnik uner-

wünscht. Es soll lediglich das Schallfeld der Quelle erfasst werden. Wird die Schallwelle

an Flächen reflektiert, kommt es zur Überlagerung der sich ausbreitenden Schallwelle.

Dadurch kann es zu Auslöschung oder Verstärkung des Schallfeldes kommen. Kann sich

der Schall ohne Behinderung durch Reflexion, Abschattung, Absorption oder andere

Phänomene ausbreiten, so wird dieses Schallfeld als Freifeld bezeichnet.

Im Nahfeld einer Schallquelle kann durch Hin- und Herpendeln von Schallenergie das

Schallfeld gestört sein. Dadurch kann sich die Schallleistung im Nahfeld stark ändern

(siehe Abbildung 2.5).

Abbildung 2.5: Nah- und Fernfeld einer Schallquelle [21]


28

In jedem Bereich, in dem sich die Schallwelle ungehindert und strahlenförmig ausbreiten

kann, gilt für das Quadrat des Schalldruckes auf einer Hüllfläche folgender Zusam-

menhang mit der Schallintensität und der Schallleistung :

(2.30)

wobei der Schallkennimpedanz entspricht. Diese Bedingung gilt nur außer-

halb des Nahfeldes (Schalldruck und -schnelle sind in Phase, siehe Abschnitt 3.3.4). Die

Schallintensität beschreibt jene Schallenergie, die pro Zeiteinheit durch ein senkrecht

zur Ausbreitungsrichtung liegendes Flächenelement hindurchtritt. Ist die Schallenergie

gleichmäßig auf eine Hüllfläche verteilt, berechnet sich die Schalleistung . Die

Hüllflächen der sich ausbreitenden Schallwelle stehen daher mit dem quadrierten

Schalldruck in folgendem Verhältnis:

(2.31)

Bei einer kugelförmigen Ausbreitung der Schallwelle ist die Pegelabnahme zwischen

den Radien und gegeben durch [2]:

(

) (2.32)

2.6.1 Schalldruckpegelverteilung in annähernd kubischen

Räumen

Ein annähernd kubischer Raum ist gegeben, wenn die Raumhöhe größer als ein Drittel

der Breite und der Länge des Raumes ist. Das Volumen des Raumes darf nicht

übersteigen und alle Raumbegrenzungsflächen sollen den annähernd gleichen Absorpti-

onsgrad aufweisen. In Abbildung 2.6 ist die Schalldruckpegelabnahme im diffusen Schall-

feld bei verschiedenen äquivalenten Absorptionsflächen angegeben. In der Nähe der

Schallquellen wird die Bedingung der freien Schallausbreitung eingehalten (Direktschall-


29

pegel ). Diese Bedingung wird solange aufrecht gehalten, bis der Direktschallanteil

dem diffusen Schallfeld entspricht. Wird der Abstand zur Schallquelle weiter vergrößert,

stellt sich ein konstanter Schalldruckpegel ein [2].

Abbildung 2.6: Schalldruckpegelabnahme im diffusen Schallfeld bei verschiedenen äqui-valenten Absorptionsflächen ( ; kugelförmige Abstrahlcharakteristik) [2]

Die Schalldruckpegelverteilung in annähernd kubischen Räumen kann über die Schall-

energiedichte der sich ausbreiteten Schallwelle beschrieben werden. Die Schallener-

giedichte gibt die Energieverteilung an einem bestimmten Ort einer sich ausbreitenden

Schallquelle an. Im Diffusfeld ist die Schallenergiedichte annähernd konstant, wodurch

die eingebrachte Schalleistung zu der absorbierten Schalleistung proportional ist. Aus

dieser Annahme berechnet sich die gemittelte Schallenergiedichte im Diffusfeld anhand

(2.33)

wobei c der Schallgeschwindigkeit und der äquivalenten Absorptionsfläche entspricht.

Im Direktschallfeld nimmt die Schallenergiedichte einer sich kugelförmig ausbreitenden

Schallwelle mit dem Quadrat der Entfernung ab:

(2.34)

Der Hallradius gibt jene Entfernung zur Quelle an, wo entspricht. Der Hall-

radius berechnet sich durch das Gleichsetzen der Gleichungen (2.33) und (2.34):


30

√

√

(2.35)

2.6.1.1 Einfluss der Abstrahlcharakteristik realer Schallquellen auf das Di-

rektfeld

Die Abstrahlcharakteristik von Schallquellen verändert die Schalldruckpegelabnahme im

Schallfeld. Je stärker die Schallquelle gerichtet ist, umso größer ist der Anteil des Direkt-

schalls in Bezugsrichtung. Durch den Richtungsfaktor und den Bündelungsgrad kann die

dreidimensionale Abstrahlcharakteristik als pauschale Kennzeichnung angegeben wer-

den.

Richtungsfaktor

„Der Richtungsfaktor ergibt sich aus dem gemessenen Schalldruck des Lautsprechers unter einem beliebigen Raumwinkel bezogen auf den Wert des Schalldruckpegels auf der Hauptachse bei der Frequenz .“ 4

(2.36)

Bündelungsgrad

„Der Bündelungsgrad gibt den Schalldruck des Lautsprechers auf der Haupt-achse im Verhältnis zum Schalldruck einer idealen Kugelquelle an, die eine identi-sche akustische Gesamtleistung in den Raum abstrahlt.“ 4

∮

(2.37)

Die Winkel und sind Polarkoordinaten und geben einen Punkt im dreidimensionalen

Raum mit einem Abstand an. Der Winkel entspricht der Drehung um die horizontale

Ebene und der Winkel der Rotation um die Mittelachse (Abbildung 2.7).

4 S. Weinzierl (Hrsg.), „Handbuch der Audiotechnik“, 2008, S. 487


31

Abbildung 2.7: Polarkoordinatensystem [22]

Sind der Richtungsfaktor und der Bündelungsgrad der Schallquelle bekannt, so wird an-

stelle des Hallradius die Richtentfernung verwendet. Der Bereich, in dem der

Direktschall gegenüber dem diffusen Schallfeld dominiert, berechnet sich durch:

√ (2.38)

Die Abnahme der Schallenergiedichte mit dem Abstand von einer sich ausbreiten-

den gerichteten Schallquelle mit der Schalleistung im diffusen Schallfeld bei verschie-

denen äquivalenten Schallabsorptionsflächen in Abhängigkeit der Raumrichtungen

und ergibt sich aus den Gleichungen (2.33) und (2.34) wie folgt:

(

) (2.39)

2.6.2 Eigenschaften von reflexionsarmen Voll- und Halbräumen

In der ÖNORM EN ISO 3745 [23] werden die Eigenschaften dieser Räume spezifiziert.

„Die Eigenschaften eines reflexionsarmen Raumes oder Halbraumes werden durch den Vergleich der räumlichen Abnahme des von einer Prüfschallquelle er-zeugten Schalldrucks mit der mit der Entfernung umgekehrten proportionalen Schalldruckabnahme in einem idealen reflexionsarmen Feld oder Halbfeld beur-teilt.“ 5

5 ÖNORM EN ISO 3745, „Bestimmung der Schallleistung von Geräuschen aus Schalldruckmessung

- Verfahren der Genauigkeitsklasse 1 für reflexionsarme Räume und Halbräume“, 2009, S. 23


32

Bei einer normgerechten Messung ist eine Toleranz von (reflexionsarmer Vollraum,

- ) einzuhalten. Dem Messsystem wird eine Toleranz von zugespro-

chen. Daraus ergibt sich eine maximale Abweichung der Freifeldbedingung im reflexi-

onsarmen Messraum von [21].

In Tabelle 2.3 sind die zulässigen Grenzwerte für die Differenzen zwischen gemessenen

und theoretischen Schalldruckpegeln aus dem Entfernungsgesetz angegeben. Die reflek-

tierende Ebene des Halbraumes darf einen Schallabsorptionsgrad von höchsten 0,06

aufweisen. In jenem Bereich, in dem die Grenzwerte im Frequenzbereich von bis

eingehalten werden, ist eine Bezeichnung „in vollständiger Übereinstimmung mit

ÖNORM EN ISO 3745“ zulässig. Wird nur ein abgegrenzter Frequenzbereich eingehalten,

wobei die Terzbänder zusammenhängend sein müssen, wird die Bezeichnung „in Über-

einstimmung mit ÖNORM EN ISO 3745“ gewählt.

Messraumtyp Terzmittenfrequenzen (Hz) Grenzwerte für Differenzen (dB)

Freifeld

630 1,5

800-5000 1,0

1,5

Freifeld über reflektierender

Ebene

630 2,5

800-5000 2,0

3,0

Tabelle 2.3: Grenzwerte für die Differenzen zwischen gemessenen und theoretischen Schalldruckpegeln bei der Schalldruckabnahme-Prüfung (ÖNORM EN ISO 3745)

2.6.2.1 Eigenschaften der absorbierenden Auskleidung

Wird durch eine großflächige Wand eine ebene Welle reflektiert, bildet sich eine ste-

hende Welle aus. Das Stehwellenverhältnis ist gegeben durch

| |

| |

| |

| | (2.40)

und ist proportional dem Betrag des Reflexionsfaktors. Anhand des Stehwellenverhält-

nisses lässt sich die Pegelschwankung


33

(

| |

| |) (2.41)

berechnen [13] [21].

Daraus ergibt sich bei einer Toleranz von ein Reflexionsfaktor von

| |

(2.42)

In der ÖNORM EN ISO 3745 wird ein Reflexionsfaktor von | | (entspricht

) gefordert. Das Absorptionsmaterial des Raumes soll über den interessie-

renden Frequenzbereich den Absorptionsgrad | | nicht unterschrei-

ten (gemessen nach ÖNORM EN ISO 10534) [23].

3 Methode

34

3 Methode

Dieses Kapitel beginnt mit der Beschreibung der Klimakammer und deren Versuchsum-

gebung. Der Fokus wird dabei auf die akustischen Aspekte des Versuchsraumes gelegt.

Der Hauptteil beschreibt die Vorgangsweise bei der Erfassung raumakustischer Eigen-

schaften in der Klimakammer. Der letzte Teil beschäftigt sich mit der Erhebung von Stör-

geräuschen in der Versuchsumgebung.

3.1 Aufbau der Klimakammer

Die Klimakammer wird bei Versuchen an mobilen Klimakreisen eingesetzt. Der Aufbau

besteht aus zwei Containern, wobei sich der kleinere Container im Inneren des größeren

Containers befindet (Abbildung 3.1).

Die Wände des äußeren Containers bestehen aus dicken Dämmplatten. Die

Dämmplatten des Bodens sind mit Strukturblech verkleidet. Der äußere Container be-

findet sich über einem Stahlgitter, unter dem sich der Keller befindet.

Abbildung 3.1: Klimakammer

3 Methode

35

Die Wände des inneren Containers bestehen aus zwei dicken Holzfaserplatten,

die einen Abstand von aufweisen. Der Hohlraum dieser Konstruktion ist mit

Styropor ausgekleidet. Der Boden besteht aus Beton, der auf der Ober- und Un-

terseite mit dicken Dämmplatten versehen ist. Über den oberen Dämmplatten

befinden sich starke Holzfaserplatten. Der darauf verlegte Boden des Empfangs-

raumes besteht aus einem Strukturblech.

Die Decke und die Wände des inneren Containers sind mit PU-Pyramidenschaumstoff

ausgekleidet. Der Absorptionsgrad des PU-Pyramidenschaumstoffes ist in Tabelle 3.1

angeführt.

125Hz 250Hz 500Hz 1000Hz 2000Hz 4000Hz

0,14 0,40 0,75 0,98 0,98 1,02

Tabelle 3.1: Absorptionsgrad nach DIN 52212 des PU-Pyramidenschaumstoffes [24]

3.1.1 Akustisch relevante Bauteile in der Klimakammer

In Abbildung 3.2 ist der Aufbau der Klimakammer mit ihren akustisch relevanten Bautei-

len dargestellt.

Abbildung 3.2: Akustisch relevante Bauteile in der Klimakammer

3 Methode

36

3.1.1.1 Senderaum (SR)

Der äußere Container wird als Senderaum bezeichnet und hat ein Volumen von ca.

. Die folgenden Bauteile werden für die Messungen an mobilen Klimaanlagen

eingesetzt und sind im Senderaum als Störquellen zu betrachten:

Luftkanal Kondensator: Sorgt für die Luftzufuhr für den Kondensator des Klima-

kreises

Konditionierer: Erzeugung und Aufrechterhaltung des Raumklimas in der Klima-

kammer

Klimakompressor: Wird für die Verdichtung des Kältemittels im Klimakreis ver-

wendet und stellt einen klimaanlagenspezifischen Bauteil dar, der sich somit bei

jeder neuen Versuchsreihe ändert

3.1.1.2 Empfangsraum (ER)

Der innere Container hat ein Volumen von ca. , eine Raumbegrenzungsfläche

von ca. und wird als Empfangsraum bezeichnet.

Als Luftzufuhr zum Verdampfer des Klimakreises befindet sich ein Luftkanal im Emp-

fangsraum. Der Verdampfer ist im Inneren des Versuchsaufbaus befestigt, der sich in

einer rechteckigen Luftführung befindet. Der Versuchsaufbau wird nach dem Strö-

mungs-Gleichrichter des Luftkanals montiert. Der Strömungs-Gleichrichter besteht aus

einer großen Öffnung mit einem speziellen Gitter (Ho-

neycombs), um eine möglichst laminare Anströmung am Verdampfer zu erhalten. Der

Verdampfer fungiert als Schallbrücke der Klimaanlage und emittiert den Störschall in die

Luftströmung. Der Versuchsaufbau zählt in dieser Arbeit nicht zum Untersuchungsge-

genstand, denn er stellt wie der Klimakompressor einen klimaanlagenspezifischen Bau-

teil dar (Abbildung 3.3).

3 Methode

37

Abbildung 3.3: Versuchsaufbau

3.1.2 Modifizierung der Klimakammer

Im Zuge dieser Arbeit war es notwendig den Empfangsraum zu modifizieren, um die

„akustische Qualität“ des Raums zu steigern. Die Abänderungen sind nachfolgend be-

schrieben.

Luftbefeuchter

Im Empfangsraum befindet sich eine Anlage zur Befeuchtung der Luft. Diese benötigt

eine Luftzufuhr, die eine direkte Anbindung zum Senderaum aufweist. Der Boden des

Empfangsraumes weist eine weitere Öffnung für den Wasseranschluss der Befeuch-

tungsanlage auf. Diese Schallübertragungswege sind mit Abdeckungen aus Holzfaser-

platten, Dämmmaterial und PU-Schaum verschlossen.

Abdeckung für die Leitungsdurchführung

Bei Versuchen in der Klimakammer an mobilen Klimageräten ist es notwendig, die Lei-

tungen des Klimakreises zwischen Senderaum und Empfangsraum zu verlegen. Daher

wurde in die Wand des Empfangsraumes ein Durchbruch von

zur Durchführung der Rohrleitungen angebracht. Um diesen Durchbruch bestmöglich

gemäß den Anforderungen für die Messungen am Klimakreis zu verschließen, wurde

eine Abdeckung mit einem Durchbruch angefertigt (Abbildung 3.4). Die Abdeckung wird

nach dem Anschluss der Rohrleitungen mit Schnellspannern auf der Außenwand des

Empfangsraumes befestigt. Diese Abdeckung minimiert die Öffnung nahezu auf die Ab-

messungen der durchgeführten Rohrleitungen.

3 Methode

38

Die Abdeckung besteht aus zwei Holzfaserplatten, die im Innenraum mit einem PU-

Schaumstoff ausgefüllt sind. Um die Unebenheit der Außenwand des Empfangsraumes

auszugleichen, ist eine starke Zellkautschukplatte aufgeklebt. Der restliche Frei-

raum des Durchbruches wird mit PU-Schaum verschlossen.

Abbildung 3.4: Abdeckung

Mobile Boden- und Wandabsorber im Empfangsraum

Die akustischen Messungen am Verdampfer des Klimakreises werden im Bereich des

Freistrahls durchgeführt. Die Mitte des Freistrahls befindet sich über dem Boden.

Der Boden der Klimakammer ist als schallharte Fläche anzunehmen. Durch den geringen

Abstand zum Boden kommt es zu sehr frühen Schallreflektionen. Die Bodenabsorber

dienen der Elimination von Schallreflexionen in diesem Bereich. Auf der gegenüberlie-

genden Seite des Luftkanals weist die Befeuchtungsanlage weitere Reflexionsflächen

auf. Durch Positionierung eines Wandabsorbers können diese Schallreflexionen ge-

dämpft werden.

Die Schallabsorber wurden so entworfen, dass sie ohne großen Aufwand aus der Klima-

kammer entfernt werden können. Dadurch mussten gewisse Abmessungen eingehalten

werden, wodurch der Bodenabsorber in zwei Teilen vorliegt. Die Abmessungen der

Schallabsorber sind in Tabelle 3.2 angegeben.

3 Methode

39

Bodenabsorber

Wandabsorber

Tabelle 3.2: Abmessung der mobilen Schallabsorber

Als Unterbau der Schallabsorber dient ein Holzrahmen, worauf die Absorptionsplatten

mit einem dünnen Filzstoff gespannt sind. Das Grundmaterial der Absorptionsplatten

besteht aus Melaminharz (Basotect: ). Laut Hersteller ergeben sich

folgende, von der Stärke der Platten abhängige, Schallabsorptionsgrade (Abbildung 3.5).

Abbildung 3.5: Schallabsorptionsgrad nach ISO 10534-2 der Basotect-Schallabsorber in Abhängigkeit von der Stärke [25]

Die Schallschnelle besitzt im Abstand von einer viertel Wellenlänge ihr Schnellemaxi-

mum. Durch das Zwischenschalten eines Luftpolsters wird die Effektivität des

Schallabsorbers für die entsprechende Frequenz erhöht, da sich bei porösen

Schallabsorbern die Reibungsverluste mit Zunahme der Schallschnelle erhöhen. Dadurch

kann eine Verringerung der unteren Wirkfrequenz erreicht werden [4].

3 Methode

40

Abbildung 3.6: Unvorteilhafte (links) und für gewisse Frequenzen zweckmäßige (rechts) Anbringung poröser Schallschlucker vor einer starren Wand [7]

Der Abstand zwischen Boden und Bodenabsorber der Klimakammer beträgt .

Das Schnellemaximum tritt in der Mitte des Schallabsorbers auf, wodurch sich der Ab-

stand um 35mm erhöht. Daraus ergibt sich eine untere mittlere Wirkfrequenz von [7]

⁄

3.2 Terzbandfilter in MATLAB

Für die Messungen in der Klimakammer werden Terzbandfilter verwendet, die mit der

MATLAB-Funktion oct3dsgn() realisiert werden [26] [27]. Die Funktion berechnet die

Filterkoeffizienten des rekursiven digitalen Filters. Durch Einsetzen der Filterkoeffizien-

ten in die Differenzengleichung wird der gefilterte diskrete Schalldruckpegel

[ ]

(∑ [ ] ∑ [ ]

) (3.1)

bestimmt [28].

Dabei gilt:

[ ] gewichteter diskreter Schalldruckpegel am Eingang des Filters zum Zeit-punkt ;

Filterkoeffizienten des Eingangssignals mit der Ordnung ;

3 Methode

41

Filterkoeffizienten des rückgekoppelten Ausgangssignals mit der Ord-nung .

Wird ein Bandfilter auf ein herausgeschnittenes Signal angewandt, muss dieses noch mit

einer Fensterfunktion gewichtet werden. Dadurch wird ein sprunghafter Anstieg verhin-

dert, der einen Impuls am Anfang und am Ende des Signals verursachen würde. Der ge-

wichtete Schalldruckpegel [ ] berechnet sich mittels

[ ] [ ] [ ] (3.2)

wobei [ ] der Fensterfunktion entspricht.

Als Fensterfunktion mit der Länge in Sekunden wurde die MATLAB-Funktion

tukeywin(L,r) verwendet. Die Ein- und Ausblendezeit wurde jweils auf fest-

gelegt. Die Übergabeparameter der Fensterfunktion sind in Tabelle 3.3 angeführt, wobei

der Abtastrate der Datenerfassung entspricht.

Tabelle 3.3: Übergabeparameter der Fensterfunktion

Die Filterbank entspricht dem ANSI S1.11-Standard. Digitale Bandpässe müssen insbe-

sondere im Tieffrequenzbereich vor dem Einsatz auf ihre Stabilität überprüft werden.

Durch Berechnung der Schroeder-Frequenz wird festgestellt, ab welcher unteren Grenz-

frequenz die Ergebnisse durch die angewandte statistische Raumakustik aussagekräftig

und zulässig werden. Bei einer mittleren Nachhallzeit im Empfangsraum von

und einem Raumvolumen ergibt sich eine untere Grenzfrequenz von

In Abbildung 3.7 werden die Grenzen der kleinsten und größten Dämpfung der Filter-

klasse 0 mit der untersten Mittenfrequenz der verwendeten Terzbandfilter

√

(3.3)

3 Methode

42

verglichen. Die verwendeten Terzbandfilter entsprechen daher der Filterklasse 0 nach

ÖVE/ÖNORM EN 61260 [6].

Abbildung 3.7: Filterdämpfung nach ÖVE/ÖNORM EN 61260 Klasse 0 mit einer Abtastra-te von (Butterworth 3. Ordnung)

3.3 Akustische Messverfahren

Bei Präzisionsmessungen in der akustischen Messtechnik müssen Lufttemperatur und

relative Luftfeuchtigkeit angegeben werden. Lufttemperatur und Luftfeuchtigkeit tragen

einen wesentlichen Anteil zur Schallabsorption der sich ausbreitenden Schallwelle bei

und dürfen bei hohen Frequenzen in sehr großen Räumen nicht vernachlässigt werden.

Ist die gemessene Nachhallzeit bei kürzer als und bei kürzer als

, so ist die Schallabsorption vernachlässigbar [29].

3.3.1 Messung der Nachhallzeit

Die Messung der Nachhallzeit wird mit dem Swept-Sine-Verfahren durchgeführt. Die

Messanordnung (Abbildung 3.8) beinhaltet einen Kugellautsprecher nach EN ISO 3382-1

und sechs freifeldentzerrte Messmikrofone (siehe Abschnitt 7.1).

Bei den Abständen der Mikrofone wird zueinander mindestens eine halbe Wellenlänge

und zu den reflektierenden Flächen eine viertel Wellenlänge der niedrigsten gemesse-

3 Methode

43

nen Frequenz eingehalten. Um die Messmikrofone außerhalb des Direktfeldes des Ku-

gellautsprechers zu positionieren, wird der Abstand mit dem doppelten Hallradius

eingehalten [29]:

√

(3.4)

Dabei ist

das Volumen;

die Schallgeschwindigkeit;

ein Schätzwert der erwarteten Nachhallzeit.

Mikrofonabstand zueinander

Mikrofonabstand zu reflektierenden Flächen

Abstand des Kugellautsprechers zum Mikrofon

Tabelle 3.4: Mindestabstände der Mikrofone bei der Nachhallmessung

Mit den Werten aus Tabelle 3.4 ergibt sich eine untere Grenzfrequenz von und

ein geschätzter Wert der Nachhallzeit von .

Mikrofonposition Höhe in mm

1 1250

2 1050

3 1450

4 650

5 550

6 550

LS 1200

Abbildung 3.8: Mikrofonpositionen der Nachhall-Messung im Empfangsraum

3 Methode

44

Als Anregungssignal wurde ein exponentieller Sweep verwendet (Tabelle 3.5). Der expo-

nentielle Sweep und das inverse Signal wurden mit der MATLAB-Funktion

psweep( ) erzeugt [30] [31]. Die Anregung erfolgte über einen Compu-

ter mit einer M-Audio Soundkarte als D/A-Umsetzer. Die Aufzeichnung der Signale er-

folgte mit einem LMS SCADAS Recorder (siehe Abschnitt 7.1.3). Nach dem Export der

Daten mittels MAT-Files und Import derselben in das Programm MATLAB wurde die

Raumimpulsantwort durch Entfaltung der Systemantwort mit Hilfe des inversen Signals

berechnet.

Sweep-Länge

Start- und Endfrequenz und

Abtastrate

Tabelle 3.5: Erzeugung des exponentiellen Sweeps

Durch die Rückwärtsintegration der quadrierten Raumimpulsantwort wird der Schallpe-

gelabfall im Raum berechnet. Um mathematisch die Nachhallzeit berechnen zu können,

wird für der Schallpegelabfall im Bereich - bis - linearisiert. Aus der Stei-

gung dieser Geraden kann die Nachhallzeit bestimmt werden. Die verwendeten MAT-

LAB-Funktionen etc_schroeder() und ls_fit() sind in Abschnitt 8.1 beschrieben.

Durch die Filterung der Impulsantworten mit Terzbandfiltern kann die Nachhallzeit

in Abhängigkeit von der Frequenz angegeben werden. Für jedes Terzband wird

aus allen sechs Positionen das arithmetische Mittel der Nachhallzeit berechnet. Weiters

wird aus der Nachhallzeit der gemittelte Absorptionsgrad nach Eyring in Terz-

bändern berechnet

(3.5)

wobei der Raumbegrenzungsfläche entspricht. Die Mittelwerte befinden sich

mit einer Wahrscheinlichkeit von 95% im angegebenen Vertrauensbereich (CI).

3 Methode

45

3.3.2 Messung des Grundgeräusches

Die Anordnung der sechs freifeldentzerrten Messmikrofone im Empfangsraum ist in

Abbildung 3.9 abgebildet. Das verwendete Messequipment und die Datenerfassung sind

im Abschnitt 7.1 beschrieben. Die Vorverstärker und die dazugehörigen Netzgeräte wur-

den im Senderaum positioniert, um keinen akustischen Einfluss auf die Messung zu ha-

ben. Die Datenerfassung wurde in der Halle aufgestellt und das Grundgeräusch über

einen Zeitraum von aufgezeichnet.

Mikrofonposition Höhe in mm

1 1200

2 1200

3 700

4 1400

5 1400

6 550

Abbildung 3.9: Mikrofonpositionen bei der Messung des Grundgeräusches im Empfangs-raum

Nach dem Export der aufgezeichneten Daten wurde anhand der MATLAB- Funktionen

adsgn() und leq() [26] der A-bewertete Grundgeräuschpegel über alle sechs Mess-

positionen gemittelt. Weiters wurde das Grundgeräusch in Terzbändern ausgewertet

und mit den Noise Rating Kurven verglichen. Der Mittelwert der Schalldruckpegel liegt

mit einer Wahrscheinlichkeit von im Vertrauensbereich (CI).

3.3.3 Messung des Bau-Schalldämm-Maßes

Das Bau-Schalldämm-Maß wird mit dem Zweiraumverfahren bestimmt. Die Messanord-

nung ist in Abbildung 3.10 dargestellt. Für die Anregung werden im Senderaum jeweils

zwei PA-Lautsprecherpaare an drei Lautsprecherpositionen verwendet (siehe Abschnitt

7.1.5). Im Senderaum wird der Schalldruck an zwölf Positionen und im Empfangsraum an

fünf Positionen gemessen. Es kommen freifeldentzerrte Messmikrofone im Sende- und

3 Methode

46

Empfangsraum zum Einsatz. Bei den Abständen der Mikrofone zueinander wird mindes-

tens eine halbe und zu den reflektierenden Flächen eine viertel Wellenlänge der nied-

rigsten gemessenen Frequenz eingehalten.

Der Mindestabstand der Lautsprecher zu den Mikrofonen muss größer sein als der Hall-

radius im Senderaum [3]. Die PA-Lautsprecher besitzen eine nierenförmige Abstrahlcha-

rakteristik, wodurch ein Bündelungsgrad von ca. angenommen werden kann

(siehe Abschnitt 7.1.5). Der Mindestabstand berechnet sich daher aus der Richtentfer-

nung

√ √

(3.6)

Mit einer angenommen Nachhallzeit von und einem Volumen des Senderaums

von , ergibt sich ein Mindestabstand von .

Die Anregung erfolgt über einen Zeitraum von mit einem gefärbten bandbegrenzten

Rauschen (pink noise). Die Generierung des Anregungssignals erfolgte mit einem Com-

puter und wurde mit der M-Audio Soundkarte als D/A-Umsetzer in die PA-Lautsprecher

eingespielt.

3 Methode

47

Mikrofonposition Senderaum

Höhe in mm

1 1600

2/9/10/11/12 1900

3 2300

4 1600

5 1200

6 3200

7 700

8 1700

LS 1700

Mikrofonposition Empfangsraum

Höhe in mm

1/2 1200

3 700

4/5 1400

Abbildung 3.10: Mikrofonpositionen der Bau-Schalldämm-Maß-Messung im Sende- und Empfangsraum

Das Anregungssignal wurde im Sende- und Empfangsraum für jede Position in Terzbän-

dern ausgewertet. Danach wurde der mittlere Schalldruckpegel und in

den Räumen berechnet. Der Mittelwert der Schalldruckpegel liegt mit einer Wahrschein-

lichkeit von 95% im angegebenen Vertrauensbereich (CI). Als Fläche des Trennbauteils

wurde die Raumbegrenzungsfläche (ohne der Fläche des Bodens) ange-

nommen. Die äquivalente Schallabsorptionsfläche berechnet sich

aus der Raumbegrenzungsfläche und dem aus der Messung der Nachhallzeit

bestimmten mittleren Absorptionsgrad . Das Bau-Schalldämm-Maß berechnet

sich für jedes Terzband wie folgt:

(

) (3.7)

3 Methode

48

3.3.3.1 Einzelmessungen an bestimmten Bauteilen

Zwei Bauteile haben sich im Zuge der Messungen im Empfangsraum verändert. Erstens

wurde die Schiebetür wegen ihrer schlechten Schalldämmung abgedichtet. Zweitens

wurde bei der Abdeckung der Durchbruch für die Leitungsdurchführung angebracht und

folglich mit PU-Schaum abgedichtet. In die Leitungsdurchführung wurden auch Leitun-

gen eines vorhandenen Versuchsaufbaus mit eingeschäumt. Bei beiden Bauteilen wurde

vor und nach der Änderung das Bau-Schalldämm-Maß bestimmt.

Der Versuchsaufbau der beiden Messungen ist in Abbildung 3.11 angegeben. Im Sende-

raum wurde jeweils ein PA-Lautsprecher an zwei Lautsprecherpositionen zur Anregung

verwendet. Im Senderaum wurden vier Messmikrofone verwendet. Im Empfangsraum

wurde der Schalldruckpegel bei der Einzelmessung der Schiebtür mit vier Mikrofonen

und bei der Einzelmessung der Abdeckung mit drei Mikrofonen bestimmt. Abstände,

Messequipment und Anregungssignal entsprachen der Messung des Bau-Schalldämm-

Maßes.

Mikrofonposition Messung

Abdeckung

Höhe in mm

1/2/3 1000

4/5 1300

6/7 700

Mikrofonposition Messung

Schiebetür

Höhe in mm

1/2 1500

3/4 600

5/6 1700

7/8 700

LS 1700

Abbildung 3.11: Einzelmessung des Bau-Schalldämm-Maßes an der Schiebetür und der Abdeckung

3 Methode

49

Um einen signifikanten Unterschied zwischen den Mittelwerten vor und nach der Ver-

änderung festzustellen, wurde der Vergleich zweier Stichprobenmittelwerte mit abhän-

gigen Stichproben angewandt. Zur Berechnung der Schalldämmung wurde für jedes

Mikrofonpaar, mit Position im Senderaum und Position im Empfangsraum, die

Schalldruckegeldifferenz

(3.8)

berechnet. Die weitere Vorgangsweise zur Bestimmung eines signifikanten Unterschieds

der Mittelwerte ist in Abschnitt 2.1.2 beschrieben.

3.3.4 Messung der Freifeldbedingung

Die Schalldruckabnahme wurde auf sechs Messpfaden mit einem Messmikrofon im

Empfangsraum gemessen. Als Schallquelle wurde der Messlautsprecher eingesetzt (sie-

he Abschnitt 3.3.4.2). Für alle sechs Messpfade wurde die Schallquelle im Bereich des

Strömungs-Gleichrichters des Luftkanals im Empfangsraum positioniert. Der Aufbau der

Messung ist in Abbildung 3.13 dargestellt.

Die Messmikrofone müssen sich außerhalb des Nahfeldes des Lautsprechers befinden.

Eine Möglichkeit den Übergang zwischen Nahfeld und Fernfeld zu definieren, ist die

Phasendifferenz zwischen Schalldruck und Schallschnelle heranzuziehen. In der Nähe

einer Oberfläche haben Schalldruck und Schallschnelle einen Phasenversatz von .

Breitet sich die Schallwelle aus wird der Phasenversatz immer kleiner, bis sie in Phase

schwingen. In DIN 1320 [32] wird der Übergang zwischen Nah- und Fernfeld bei einem

Phasenversatz von angegeben. Das Nahfeld erstreckt sich daher bis zu einem Ab-

stand von

(3.9)

zur Schallquelle, wobei die Schallgeschwindigkeit und die Kreisfrequenz darstellt [1].

In Abbildung 3.12 ist der Phasenversatz zwischen Schalldruck und Schallschnelle des

ersten Messmikrofons im Abstand von dargestellt. In der Literatur wird der Über-

3 Methode

50

gang zwischen Nah- und Fernfeld häufig mit angegeben, wodurch ein maximaler

Phasenversatz von eingehalten wird. Diese Bedingung wird in einem Abstand von

ab einer Frequenz von ca. erreicht.

Abbildung 3.12: Phasenversatz zwischen Schallschnelle und Schalldruck in einem Abstand von 0,32m

Bahn

1 0° 90°

2 0° 60°

3 90° 60°

4 40° 50°

5 90° 30°

6 60° 30°

Mikrofon Abstand (m)

1 0,32

2 0,41

3 0,52

4 0,66

5 1,38

6 1,75

Abbildung 3.13: Mikrofonpositionen der Freifeld-Messung im Empfangsraum

3 Methode

51

3.3.4.1 Berechnung der Impulsantworten

Die Anregung des Messlautsprechers erfolgt über einen Computer mit einer M-Audio

Soundkarte als D/A-Umsetzer (siehe Abschnitt 7.1.2). Als Anregungssignal wird ein ex-

ponentieller Sweep verwendet (Tabelle 3.6). Der exponentielle Sweep und das inverse

Signal werden mit der MATLAB-Funktion expsweep( ) erzeugt.

Sweep-Länge

Start- und Endfrequenz und

Abtastrate

Tabelle 3.6: Erzeugung des exponentiellen Sweeps

Durch die Aufspaltung des analogen Anregungssignals mit Hilfe des Stereoausgangs der

Soundkarte wird gleichzeitig an den Messlautsprecher und die Datenerfassung das Sig-

nal gesendet. Durch diese Vorgangsweise werden das Quell- und das Senkensignal syn-

chronisiert (Abbildung 3.14). Nach dem Export der Daten wird für jede Mikrofonposition

das Senkensignal synchron zum Beginn des Quellsignals geschnitten.

Abbildung 3.14: Signalverlauf bei der Messung der Freifeldbedingung

Positionskorrektur der Messmikrofone

Die Raumimpulsantworten werden durch Entfaltung der Systemantwort mit Hilfe des

inversen Signals berechnet. Um mögliche Positionsabweichungen der Messmikrofone

auszugleichen, werden aus dem zeitlichen Versatz der Impulse die tatsächlichen Positio-

3 Methode

52

nen der Mikrofone berechnet. Die Raumimpulsantwort entspricht keinem idealen

Dirac-Impuls, wodurch die Position nicht direkt abgelesen werden kann. Die Schwer-

punktzeit berechnet den Energieschwerpunkt des Impulses und bestimmt dadurch

dessen zeitlichen Versatz:

∫

∫

(3.10)

Die Schwerpunktzeit entspricht dem Flächenschwerpunkt des Zeitsignals und wird

aus dem Verhältnis von der mit der Zeit gewichteten Schallenergie zur gesamten Schal-

lenergie berechnet.

Um den exakten Energieschwerpunkt des Zeitsignals zu bestimmen, dürfen keine Refle-

xionen in der Raumimpulsantwort vorhanden sein, damit die Reflexionen des Raumes

keinen Einfluss auf die berechnete Schwerpunktzeit nehmen. Aus der Laufzeitdifferenz

zwischen erster Reflexion und Direktschall wird jener Zeitraum abgeschätzt, inner-

halb welchem die erste Reflexion eintrifft. Umso geringer die Distanz zwischen einer

Senke und einer Reflexionsfläche ist, desto kürzer ist die Zeit bis zum Eintreffen der ers-

ten Reflexion an der Senke (Abbildung 3.15).

Als minimalster Abstand zwischen Messmikrofon und Reflexionsfläche wird der

Bodenabsorber herangezogen. Bei einem Abstand zur Absorberoberfläche

und einer maximalen Entfernung der Messmikrofone zum Messlautsprecher

beträgt die minimalste Zeitdifferenz bei den horizontalen Messpfa-

den:

√(

)

(3.11)

wobei c der Schallgeschwindigkeit in der Luft entspricht. Die Schallgeschwindigkeit ist

von der Art und dem Zustand des Mediums abhängig. In der Luft beträgt die Schallge-

schwindigkeit bei . Verändert sich die Temperatur in , berechnet sich

die Schallgeschwindigkeit in guter Näherung wie folgt [13]:

3 Methode

53

(3.12)

Die Laufzeitdifferenz gibt den geschätzten inkrementellen Zeitbereich zwischen Direkt-

schall und Auftreten der ersten Reflexion an. Die Impulse des Direktschalls werden von

den Reflexionen durch ein dynamisches Fenster getrennt. Die in Abbildung 3.15 gezeig-

ten Rechteckfenster werden durch ein modifiziertes Tukey-Fenster mit verschiedenen

Ein- und Ausschwingzeit ersetzt (Abbildung 3.16). Eine längere Ausschwingzeit würde

den Impuls des Direktschalls mit dem berechneten verändern.

Die Zeitbereiche der Fenster werden aus der Laufzeitdifferenz und der aus jeder

Mikrofonposition bestimmten theoretischen Laufzeit zwischen Messlautsprecher

und Messmikrofon berechnet. Die Zeitintervalle der Fensterfunktionen [ ] be-

rechnen sich aus der Verzögerung der ersten Mikrofonposition , die

um verschoben wird:

[ ] [ ] (3.13)

Die Raumimpulsantworten werden mit dem modifizierten Tukey-Fenster gewichtet und

durch Anfügen von Nullen wieder auf die ursprüngliche Länge der Impulsantwort aufge-

füllt (zero-padding).

Die Berechnung der Schwerpunktzeit im Intervall bestimmt für jede Impulsant-

wort die tatsächliche Entfernung

(3.14)

des Mikrofons zum akustischen Mittelpunkt des Messlautsprechers.

3 Methode

54

Abbildung 3.15: Zeitbereich des dynamischen Fensters zur Eliminierung der Reflexionen

Abbildung 3.16: Modifiziertes Tukey-Fenster mit verschiedener Ein- und Ausschwingzeit

3.3.4.2 Pegelabnahme des Messlautsprechers

Für die Berechnung der Pegelabnahme in einem annähernd kubischen Raum können die

äquivalente Schallabsorptionsfläche des Raumes und die Abstrahlcharakteristik der

Schallquelle verwendet werden. Die Pegelabnahme in Polarkoordinaten zwischen den

Radien und berechnet sich durch

(

) (3.15)

3 Methode

55

wobei dem Hallrichtwert der Schallquelle in Terzbän-

dern entspricht.

Die Abstrahlcharakteristik des Messlautsprechers ins Freifeld wurde aus den Messdaten

vom Institut für Elektronische Musik und Akustik bestimmt. Die Messdaten beinhalten

die Impulsantworten gemessen in der Horizontalebene in -Schritten zwischen und

. Die Abstrahlcharakteristik des Messlautsprechers wurde nicht in einem reflexi-

onsarmen Messraum bestimmt. Dadurch war es notwendig, die Impulsantwort auf 10ms

einzugrenzen [33]. Der Messlautsprecher ist durch seine Konstruktion rotationssymmet-

risch (Abbildung 7.2). Durch Drehung der Messdaten aus der Horizontalebene um die

Mittelachse, kann die dreidimensionale Abstrahlcharakteristik bestimmt werden. Durch

die Auswertung der Impulsantworten in Terzbändern sind die frequenzabhängigen

Schalldruckverteilungen des Messlautsprechers auf der Hüllfläche bekannt. Der Rich-

tungsfaktor berechnet sich aus dem Verhältnis des Mittelwerts des Schalldruckes un-

ter einem bestimmten Winkel auf der Hüllfläche und dem Mittelwert des Schalldruckes

in Richtung der Bezugsachse des Messlautsprechers (Z-Achse):

(3.16)

Der Bündelungsgrad ist das Verhältnis des Effektivwerts des quadrierten Schalldrucks

in Bezugsrichtung und dem Mittelwert über alle Raumrichtungen. Durch die symmetri-

schen Eigenschaften des Messlautsprechers ist es ausreichend, den Mittelwert in der

Horizontalebene zwischen und zu berechnen. Der Bündelungsgrad des Mess-

lautsprechers berechnet sich daher durch [34]:

(3.17)

In Abbildung 3.17 ist das Richtungsmaß

(3.18)

3 Methode

56

in Terzbändern des Messlautsprechers dargestellt. Über ist eine starke Bünde-

lung des Messlautsprechers erkennbar, die bei weiter ansteigender Frequenz in eine

keulenförmige Abstrahlcharakteristik übergeht.

Abbildung 3.17: Richtungsmaße des Messlautsprechers in den Terzbändern von bis

3.3.4.3 Bereich der Freifeldbedingung im Empfangsraum

Für jede Impulsantwort wird aus der Messung der Freifeldbedingung in Terzbändern die

Pegelabnahme für jedes Messmikrofon bestimmt. Anschließend wird mit der

theoretischen Pegelabnahme für jede korrigierte Messmikrofonposition die Diffe-

renz

(3.19)

berechnet und mit den Grenzwerten in Tabelle 2.3 verglichen. Der Vergleich mit Grenz-

werten aus der Schalldruckabnahme-Prüfung nach EN ISO 3745 setzt eine kugelförmige

Abstrahlcharakteristik des eingesetzten Lautsprechers voraus.

3 Methode

57

Durch die frequenzabhängige Abstrahlcharakteristik des Messlautsprechers sind die

Ergebnisse der Freifeldbedingung in einem eingeschränkten Bereich gültig. In Abbildung

3.18 ist die Schalldruckpegelabnahme nach dem Entfernungsgesetz (Gleichung (2.32))

einer sich kugelförmig ausbreiteten Schallwelle in den Freiraum abgebildet. Weiters ist

die Schalldruckpegelabnahme des Messlautsprechers im Empfangsraum bei den Raum-

winkeln und [ ] bei einer Frequenz von und einer

äquivalenten Absorptionsfläche von dargestellt. Die äquivalente Absorptions-

fläche ergibt sich aus dem Produkt des in der Messung der Nachhallzeit bestimmten

Absorptionsgrades und der Raumbegrenzungsfläche im Empfangsraum

von (siehe Abschnitt 4.1). Bei einer kugelförmigen Ausbreitung der Schallwel-

le ergibt sich im Empfangsraum ein Hallradius √

. In Abbildung 3.18

wird gezeigt, dass die Richtentfernung des Messlautsprechers bei einem Raumwinkel

von aufgrund seines rotationsymmetrischen Abstrahlverhaltens für alle Raum-

winkel im Terzband von dem Hallradius entspricht

√ (3.20)

Durch die Bündelung der Schallenergie in Bezugsrichtung des Messlautsprechers wird

der Bereich des Direktschallfeldes vergrößert ( ) und das Messverfahren würde

eine zu große Distanz für das Freifeld ergeben. Außerhalb der Bezugsrichtung ( )

wird über das Schallfeld nicht mehr vom Direktschall dominiert ( ) und es

stellt sich ein konstanter Schalldruckpegel (Diffusfeld) ein. Dadurch ist der Vergleich mit

den Grenzwerten in EN ISO 3745 (Festlegung der Eignung von reflexionsarmen Räumen

und Halbräumen) nur innerhalb dieser Grenzen zulässig.

3 Methode

58

Abbildung 3.18: Schalldruckpegelabnahme des Messlautsprechers im Empfangsraum bei ( und [ ])

3.3.5 Messung der Störgeräusche

Bei Messungen an mobilen Klimageräten treten verschiedenste akustische Störgeräu-

sche auf. Die Störgeräusche sind abhängig vom jeweiligen Betriebszustand der Anlage.

Alle Messungen der Störgeräusche werden mit freifeldentzerrten Messmikrofonen

durchgeführt. Die Datenerfassung ist im Abschnitt 7.1.3 beschrieben.

3.3.5.1 Störquellen in der Halle

Die Klimakammer befindet sich in einer Halle, wo verschiedenste Versuchsanlagen auf-

gestellt sind. Diese Anlagen emittieren akustische Geräusche. Während den einzelnen

Messungen wurden die Anlagen deaktiviert, um nur die von der Klimakammer ausge-

henden Störquellen zu erfassen. Zu den deaktivierten Anlagen gehören die Hallenlüftung

und die MS-Lüftung im Keller. Leider war es nicht möglich, bei einem Dauerversuch die

Absaugung und bei zwei weiteren Dauerversuchen das Kohlenmonoxid-Warnsignal in

der Halle zu deaktivieren.

Zur Erfassung der Störgeräusche in der Halle wurde das Grundgeräusch an sieben Positi-

onen im Senderaum über einen Zeitraum von 22s aufgenommen. Die verwendeten

Mikrofonpositionen sind in Abbildung 3.19 angegeben.

3 Methode

59

Um kurzzeitige Änderungen im Schalldruckpegelverlauf festzustellen wurde eine Kurz-

zeit-Fourier-Transformation angewandt. Das Signal wurde mit der MATLAB-Funktion

spect() in den Spektralbereich transformiert (siehe Abschnitt 8.1). Weiters wurde das

Störsignal an jeder Position in Terzbändern ausgewertet und der mittlere Schalldruckpe-

gel im Raum berechnet.

Mikrofonposition Senderaum

Höhe in mm

1 1600

2 1900

3 2300

4 1600

5 1200

6 700

7 1700

Mikrofonabstand Empfangsraum

Abstand in mm

(Höhe = 550mm)

1 320

2 430

3 590

4 790

5 1060

6 1430

7 1940

Abbildung 3.19: Mikrofonpositionen der Störquellen-Messung im Sende- und Empfangsraum

3.3.5.2 Konditionierer

Diese Anlage ist im Senderaum der Klimakammer installiert und somit vom Empfangs-

raum entkoppelt. Der Konditionierer hat drei Betriebsstufen welche Störgeräusche emit-

3 Methode

60

tieren. Diese werden mit sieben Mikrofonen im Senderaum über einen Zeitraum von 22s

erfasst (Abbildung 3.19). Das Störsignal wird im Senderaum für jede Position in Terzbän-

dern ausgewertet. Danach wird der mittlere Schalldruckpegel im Raum berechnet.

3.3.5.3 Hochlaufanalyse der Luftkanäle

Die Luftkanäle emittieren in verschiedenen Betriebszuständen unterschiedliche Störge-

räusche. Durch die Möglichkeit, diese Zustände kontinuierlich zu verändern, kann eine

Hochlaufanalyse durchgeführt werden. Bei dieser Analyse wird der Schalldruckverlauf

mit einer gewissen Schrittweite aufgeteilt und für jeden Schritt ausgewertet.

Der Störschall ist abhängig von der Drehzahl des Ventilators im Luftkanal. Die Drehzahl

verhält sich annähernd linear zur Strömungsgeschwindigkeit bzw. zum Massenstrom,

wodurch sich eine konstante Schrittweite der Fenster ergibt. Als Fensterfunktion wird

die MATLAB-Funktion tukeywin(L,r) verwendet (siehe Abschnitt 3.2). Die Schrittweite

des Fensters beträgt , wobei vor und nach dem Fenster eine Ein- und Ausblen-

dezeit von gewählt wird. Dadurch ergibt sich eine Fensterlänge von .

Die Fensterfunktion wird zeitlich um die Schrittweite des Fensters verschoben, nach

Gleichung (3.2) mit dem Schalldruckverlauf gewichtet und in Terzbändern ausgewertet.

Die Anzahl der Zustände berechnet sich mit den in Tabelle 3.7 angeführten Parame-

tern der Hochlaufanalyse:

(3.21)

Luftkanal SR / ER

Startfrequenz des Motors

Endfrequenz des Motors

Schrittweite pro Sekunde

Inkrement

Tabelle 3.7: Parameter der Hochlaufanalyse beim Luftkanal im Sende- und Empfangsraum

3 Methode

61

Luftkanal Senderaum

Die Hochlaufanalyse wird an sieben Mikrofonpositionen wie in Abbildung 3.19 gezeigt

durchgeführt. Die in Tabelle 3.7 angeführten Werte ergeben nach Gleichung (3.21) 14

Zustände, die einer Strömungsgeschwindigkeit zwischen bis zugeordnet

werden. Für jeden Zustand wird der mittlere Schalldruckpegel in Terzbändern berech-

net.

Luftkanal Empfangsraum

Die Hochlaufanalyse wird an sieben Mikrofonpositionen mit verschiedenen Abständen

in Richtung des Freistrahls gemessen, wobei die Abstände in Abbildung 3.19 angegeben

sind. Der Massenstrom des Luftkanals im Empfangsraum befindet sich in einem Bereich

zwischen und . Mit Gleichung (3.21) und den in Tabelle 3.7 angegebe-

nen Werten ergeben sich für diesen Bereich 20 Zustände, wobei jeder an den einzelnen

Mikrofonpositionen in Terzbändern ausgewertet wird.

3.3.5.4 Tonalität von Geräuschen

Einzelne herausstechende Töne und schmalbandiges Rauschen wird oft bei der Beurtei-

lung von Geräuschen als besonders störend empfunden. Nicht harmonische Geräusche

dürfen nach dem Prominence-Ratio-Verfahren ANSI S1.13 (1995) bestimmt werden.

Nach diesem Verfahren wird eine Frequenzgruppe als tonhaltig bezeichnet, wenn in

dieser ein oder mehrere tonale Anteile die benachbarten Frequenzgruppen um

überschreiten [35].

Tonale Komponenten werden bei einer Auswertung in Terzbändern teilweise nicht

sichtbar. Durch Darstellung des Hochlaufes der Luftkanäle im Spektralbereich mit der

Kurzzeit-Fourier-Transformation (siehe Abschnitt 8.1.3) werden tonale Komponenten

hervorgehoben.

4 Ergebnisse

62

4 Ergebnisse

In diesem Kapitel werden die akustischen Eigenschaften des Empfangsraums dargestellt.

Weiters wird gezeigt, welche Störgeräusche in Abhängigkeit vom jeweiligen Betriebszu-

stand der Versuchsanlage in der Klimakammer auftreten.

4.1 Nachhallzeit

Die Nachhallzeit und der daraus bestimmte Absorptionsgrad nach Eyring ist in Terzbän-

dern im Frequenzbereich zwischen und in Abbildung 4.1 dargestellt. Das

Maximum der Nachhallzeit liegt bei . Zwischen

und fällt die Nachhallzeit mit steigender Frequenz nahezu linear ab,

wobei in den Terzbändern von und eine leichte Überhöhung der Nach-

hallzeit erkennbar ist.

Der aus der Nachhallzeit bestimmte Absorptionsgrad zeigt deshalb in den Terzbändern

von und eine Absenkung. Weiters ist der Vertrauensbereich (CI) des

Absorptionsgrades unter breiter und im Terzband von ist ebenfalls

eine Ausweitung erkennbar, was auf keine gleichmäßige Schalldämpfung des Empfangs-

raumes in diesen Frequenzbereichen hinweist.

4 Ergebnisse

63

400 0,110 49

500 0,079 60

630 0,072 64

800 0,065 68

1000 0,069 66

1250 0,078 61

1600 0,058 71

2000 0,058 72

2500 0,069 66

3150 0,056 73

4000 0,051 76

5000 0,050 77

6300 0,047 79

8000 0,047 79

Relative Luftfeuchtigkeit in % 57

Lufttemperatur in °C 28

Abbildung 4.1: Nachhallzeit im Empfangsraum und der daraus berechnete Absorptions-grad in Terzbändern

4.2 Grundgeräusch

Das im Empfangsraum herrschende Grundgeräusch ist in Abbildung 4.2 dargestellt. Der

A-bewertete Grundgeräuschpegel beträgt . beschreibt das

Grundgeräusch ausgewertet in Terzbändern im Frequenzbereich zwischen und

. Die Noise Rating Kurve wird im dargestellten Frequenzbereich nicht

überschritten. Unter wird der Vertrauensbereich (CI) breiter. Oberhalb

kommt es zu einem Schallpegelanstieg von ca. pro Oktave (siehe Abschnitt 5.2).

4 Ergebnisse

64

200 15,0

250 18,7

315 12,1

400 5,1

500 2,9

630 2,4

800 3,2

1000 1,2

1250 1,5

1600 2,3

2000 3,1

2500 3,9

3150 4,6

4000 5,2

5000 5,6

6300 5,9

8000 6,1



Abbildung 4.2: Grundgeräuschpegel des Empfangsraums in Terzbändern


Das im Sende- und Empfangsraum in Terzbändern ausgewertete Anregungssignal ist in

Abbildung 4.3 dargestellt. Der gemittelte Schalldruckpegel im Empfangsraum wird aus

den Messmikrofonpositionen zwei bis vier berechnet. Das Messmikrofon an der Position

eins ( ) befindet sich in der Nähe der Schiebetür. In diesem Bereich ist ein höherer

Schalldruckpegel gegenüber dem restlichen Empfangsraum erkennbar.

Die Dichtlippen der Schiebetür waren teilweise beschädigt und schlossen daher nicht

luftdicht ab. Durch Reparatur der Dichtlippen und Erhöhung des Anpressdruckes wurde

das Bau-Schalldämm-Maß ab signifikant verbessert. beschreibt das Bau-

Schalldämm-Maß der Schiebetür durch eine Einzelmessung (siehe Abschnitt 3.3.3.1). Die

in Abbildung 4.4 grün markierten Terzbänder geben keinen signifikanten Unterschied

4 Ergebnisse

65

des Bau-Schalldämm-Maßes an, wobei die magenta markierten Terzbänder einen signi-

fikanten Unterschied darstellen. Dadurch ist ersichtlich, dass das Bau-Schalldämm-Maß

für Frequenzen über eine signifikante Verbesserung zeigt.

Eine weitere Einzelmessung an der Abdeckung vor und nach dem Einbringen des Durch-

bruches hat auf das Bau-Schalldämm-Maß keinen Einfluss gezeigt. Lediglich bei dem

Terzband von hat sich eine signifikante Verschlechterung um ca. ergeben

(Abbildung 4.4).

Abbildung 4.3: Terzpegel im Senderaum (links) und Empfangsraum (rechts)

Abbildung 4.4: Vergleich von Mittelwerten der einzelnen Terzbänder bei Messwieder-holung vor und nach dem Abdichten (links) und vor und nach dem Einfügen des Durch-

bruches (rechts)

In Abbildung 4.5 ist das in Terzbändern ausgewertete Bau-Schalldämm-Maß zwischen

Sende- und Empfangsraum dargestellt. Wird das Ergebnis der Einzelmessung der abge-

dichteten Schiebetür mit jener des Bau-Schalldämm-Maßes verglichen, verlaufen

beide Kurven zwischen und nahezu ident.

4 Ergebnisse

66

In den Terzbändern bei und zeigt die Schiebetür schlechte Dämpfungsei-

genschaften, die durch die hohe U-Profil Dichtlippe der Schiebetür verursacht wer-

den (siehe Abschnitt 5.3).

400 42

500 42

630 39

800 39

1000 46

1250 49

1600 51

2000 51

2500 54

3150 56

4000 59

5000 58

6300 59

8000 57

SR / ER

Relative Luftfeuchtigkeit in % 60 / 58

Lufttemperatur in °C 23 / 25

Abbildung 4.5: Bau-Schalldämm-Maß in Terzbändern zwischen Sende- und Empfangs-raum im Vergleich mit dem Bau-Schalldämm-Maß der Schiebetür

4.4 Freifeldbedingung

Die Ergebnisse der Messung der Freifeldbedingung im Empfangsraum sind in Abbildung

4.6 angegeben, wobei der ungültige Messbereich durch schwarze Linien abgegrenzt

wurde. Die Farbe jedes Bildpunktes repräsentiert die Übereinstimmung mit den Grenz-

werten nach EN ISO 3745 (Festlegung der Eignung von reflexionsarmen Räumen und

Halbräumen) für jedes Terzband im Abstand zur Schallquelle. Diese dreistufige Farbco-

4 Ergebnisse

67

dierung entspricht den Grenzwerten für den Vollraum (grün), für den Halbraum (orange)

und der Nichteinhaltung beider Grenzwerte (rot). Die zulässigen Abstände des Freifeldes

werden in einem zusammenhängenden Frequenzbereich angegeben, innerhalb dessen

die Grenzwerte nicht verletzt werden. Die Bereiche der Übereinstimmung mit den

Grenzwerten im Empfangsraum nach EN ISO 3745 (Vollraum) sind in Tabelle 4.1 ange-

geben, wobei die Messpfade , und jeweils einmal den Grenzwert um maximal

verletzen.

Weiters wird die Richtentfernung des Messlautsprechers mit der Messung der Freifeld-

bedingung im Empfangsraum gegenübergestellt (siehe Abschnitt 2.6).Die Messpfade

und zeigen kein vergleichbares Ergebnis, obwohl beide Verfahren das Direktschallfeld

des Messlautsprechers im Empfangsraum bestimmen (siehe Abschnitt 5.4).

Messpfad Abstand in m in kHz in kHz

1 0,66 1,25 8

2)1 0,66 1 3,15

3 0,52 1 8

4 0,66 4 8

5)1 0,85 0,8 2

6 0,85 0,4 6,3

Tabelle 4.1: Zulässige Abstände und Frequenzbereiche im Empfangsraum nach EN ISO 3745 (Vollraum); Messpfad)1 ist ungültig (siehe Abschnitt 5.4)

4 Ergebnisse

68



Abbildung 4.6: Freifeldbedingung des Empfangsraums in Terzbändern im Vergleich mit der Richtentfernung des Messlautsprechers im Empfangsraum

4 Ergebnisse

69

4.5 Störgeräusche

4.5.1 Halle

Das in Terzbändern ausgewertete Grundgeräusch des Senderaums ist in Abbildung 4.7

dargestellt. Bis ca. ist eine akustische Aktivität vorzufinden. Weiters wurde eine

Kurzzeit-Fourier-Transformation (Spektrogramm) des zweiten Messmikrofones durchge-

führt. Bis ist eine zeitlich konstante Anregung vorhanden. In der sechsten

Sekunde ist eine transiente Störung erkennbar, welche von einem fallenden Metallstück

in der Halle verursacht wurde.

Abbildung 4.7: Störgeräuschpegel im Senderaum in Terzbändern (links) und im Spektral-bereich mit 4096 FFT-Punkten und 50% Überlappung (rechts)

4.5.2 Konditionierer

Die drei Stufen des Konditionierers sind in Abbildung 4.8 in Terzbändern dargestellt. Die

Stufe drei weist im Terzband von einen Unterschied von ca. gegenüber den

angrenzenden Frequenzbändern auf. Ansonsten sind keine Anhebungen im Störge-

räusch des Konditionierers erkennbar.

4 Ergebnisse

70

Abbildung 4.8: Störgeräusch des 3-stufigen Konditionierers in Terzbändern

4.5.3 Luftkanal

Die Hochlaufanalyse der Luftkanäle wird mit Hilfe eines Wasserfalldiagramms darge-

stellt. Auf der X-Achse sind die Terzbänder, auf der Y-Achse die Betriebszustände anhand

der Strömungsgeschwindigkeit oder des Massenstroms im Luftkanal und auf der Z-Achse

der Schalldruckpegel dargestellt. Unterstützend wird der Schalldruckpegel farblich her-

vorgehoben.

Zusätzlich sind die Hochlaufanalysen der beiden Luftkanäle im Spektralbereich darge-

stellt, wodurch tonale Komponenten deutlicher hervorgehoben werden (siehe Abschnitt

3.3.5.4).

Luftkanal Senderaum

In Abbildung 4.9 sind die Störgeräusche anhand der Strömungsgeschwindigkeit von

- in Schritten dargestellt. Bei den Betriebszuständen - ist eine

Anhebung von ca. im Terzband von zu den benachbarten Terzbändern fest-

zustellen. Im Terzband von ist zwischen und eine Anhebung von

bis zu im Vergleich zu den benachbarten Terzbändern erkennbar und wird somit

als tonale Komponente eingestuft (siehe Abschnitt 6.2). Ab 2,25m/s sind mit Ausnahme

einer tonalen Frequenzmodulation zwischen 400Hz und 800Hz keine ausgeprägten tona-

4 Ergebnisse

71

len Komponenten mehr vorhanden und das Störgeräusch nimmt im dargestellten Fre-

quenzbereich um ca. 2dB pro Schritt zu.

Abbildung 4.9: Hochlaufanalyse im Senderaum in Terzbändern (oben) und im Spektral-

bereich mit 4096 FFT-Punkten und 50% Überlappung (unten)

Luftkanal Empfangsraum

In Abbildung 4.10 sind die Betriebszustände an Messposition anhand des Massen-

stroms von - in -Schritten dargestellt. Das Messmikrofon ist

von dem Strömungs-Gleichrichter des Luftkanals entfernt und befindet sich somit inner-

halb des Hallradius‘ des Empfangsraums. Im Bereich von - ist eine gleichmä-

ßige Anregung bis ca. erkennbar, die pro Schritt um ca. 2dB zunimmt. Oberhalb

eines Massenstroms von ist bei , oberhalb von bei und

eine tonale Komponente in dem jeweiligen Terzband erkennbar.

4 Ergebnisse

72

Abbildung 4.10: Hochlaufanalyse im Empfangsraum der Mikrofonposition in Terzbän-

dern (oben) und im Spektralbereich mit 4096 FFT-Punkten und 50% Überlappung (unten)

5 Diskussion

73

5 Diskussion

Die zur Feststellung der akustischen Eigenschaften des Empfangsraums verwendeten

Messverfahren weichen teilweise von den in der Norm beschriebenen standardisierten

Messverfahren ab. Einerseits wurden Messmittel, die nicht der Norm entsprechen ein-

gesetzt, andererseits war die Durchführung der normierten Messverfahren durch die

besonderen baulichen Bedingungen in der Klimakammer nicht möglich. In folgendem

Kapitel werden die Abweichungen zu den standardisierten Messverfahren angegeben

und die Auswirkungen auf die Messergebnisse beschrieben. Durch Zusammenführen der

Messergebnisse werden abhängig vom jeweiligen Betriebszustand der Signal- / Störge-

räuschabstand und daraus die Messgenauigkeit als zentraler Aspekt der akustischen

Messungen im Empfangsraum der Klimakammer bestimmt.

5.1 Nachhallzeit

Die Messung der Nachhallzeit wurde nach EN ISO 18233 „Anwendung neuer Messver-

fahren in der Bau- und Raumakustik“ durchgeführt.

Die Präzision des Verfahrens wird durch die Anzahl von Messpunkten im Raum bestimmt

(Tabelle 5.1). An das verwendete Messmikrofon werden folgende Anforderungen ge-

stellt:

„Das Mikrofon sollte so klein wie möglich sein und vorzugsweise einen Memb-randurchmesser von höchstens 14mm aufweisen. Mikrofone mit einem Durch-messer bis 27mm sind zulässig wenn es sich um reine Druckempfänger handelt oder sie als Freifeld-Mikrofone mit einem Diffusor-Vorsatz ausgestattet sind. “ 6

Die eingesetzten Messmikrofone weisen einen Membrandurchmesser von auf

und sind somit für die Messung der Nachhallzeit geeignet.

6 ÖNORM EN ISO 3382-2, „Messung von Parametern der Raumakustik, Teil 2: Nachhallzeit in

gewöhnlichen Räumen“, 2009, S.7

5 Diskussion

74

Kurz Standard Präzision

Sender-Mikrofon-Kombinationen 2 6 12

Senderpositionen 1 2 2

Mikrofonpositionen 2 2 3

Tabelle 5.1: Mindestanzahl der Messpunkte laut EN ISO 3382-2 [29]

Zur Messung der Nachhallzeit muss im Empfangsraum zwischen Kugellausprecher und

Messmikrofon ein Mindestabstand von eingehalten werden. Das Auffin-

den einer zweiten Senderposition wurde durch die Grundfläche des Empfangsraumes

( ) begrenzt. Die Präzision des Verfahrens ist durch die sechs Sender-

Mikrofon-Kombinationen in die Kategorie „Standard“ einzustufen. Der Schallpegelabfall

wurde im Bereich des Strömungs-Gleichrichters des Luftkanals im Empfangsraum ge-

messen (Abbildung 3.8). Die räumliche Abtastung ist in diesem Bereich sehr genau

( ), wodurch diese Messung in die Kategorie „Präzision“ einzustufen

ist.

5.2 Grundgeräusch

Zum Zeitpunkt der Messung des Grundgeräusches waren nur stationäre Störgeräusche

im Senderaum der Klimakammer vorhanden (Abbildung 5.1), wodurch die Erfassung des

Grundgeräuschpegels über einen Zeitraum von ausreichend ist.

In Abbildung 5.1 ist der Rauschpegel des freifeldentzerrten Messmikrofons in

Terzbändern angegeben (siehe Abschnitt 7.1.1). Durch die Bildung der energetischen

Differenz wird der korrigierte Grundgeräuschpegel

(

) (5.1)

berechnet. Dieser Wert gibt jenen Schalldruckpegel an der notwendig ist, um den

Rauschpegel auf den gemessenen Grundgeräuschpegel anzuheben. Dieser korrigierte

Grundgeräuschpegel überschreitet die geforderte nicht.

Für die exakte Bestimmung des Grundgeräusches müsste ein spezielles Low-Noise

Mikrofon mit einem rauscharmen Vorverstärker verwendet werden.

5 Diskussion

75

Abbildung 5.1: Korrigierter Grundgeräuschpegel des Empfangsraums (links); Kurzzeit-Fourier-Transformation des Störgeräusches im Senderaum mit 4096 FFT-Punkten und 50% Überlappung (rechts)


Die Messung des Bau-Schalldämm-Maßes wurde nach EN ISO 140 „Messung der Bau-

schalldämmung in Gebäuden und von Bauteilen“ durchgeführt.

Messmikrofon

Für die Bestimmung des Bau-Schalldämm-Maßes wurden freifeldentzerrte Messmikro-

fone verwendet, die für die Messung von eben fortschreitenden Wellen kalibriert sind.

„Bei Schallpegelmessern die für Messung in Schallfeldern von ebenen fortschrei-tenden Wellen kalibriert sind, müssen Korrekturen für das Diffusfeld angewendet werden.“7

Die Freifeldantwort des verwendeten Bruel & Kjaer 4190 free-field microphone in

0°-Richtung ist in Abbildung 7.1 dargestellt. Der Druckstau in 0°-Richtung auf der Memb-

ranoberfläche des Mikrofones ist erst über erkennbar, wodurch keine Korrektur

im Frequenzbereich unter notwendig ist.

7 ÖNORM EN ISO 140-4, „Akustik - Messung der Schalldämmung in Gebäuden und von Bauteilen - Teil

4: Messung der Luftschalldämmung zwischen Räumen in Gebäuden“, 1999, S. 4, S. 7

5 Diskussion

76

Lautsprecher

Vom Lautsprecher wird eine gleichmäßige ungerichtete Schallabstrahlung gefordert. Die

Abstrahlcharakteristik des Lautsprechers wird im freien Schallfeld mit einem Rausch-

signal in Entfernung um die Schallquelle bestimmt. Das Richtwirkungsmaß in den

Terzbändern

(

) (5.2)

wobei dem Schalldruckpegel des Lautsprechers für den Winkel und

dem gleitenden Mittelwert des Schalldruckpegels zwischen 0° und 30° ent-

sprechen, muss für jeden Winkel folgende Grenzen einhalten:

„Gleichmäßige ungerichtete Strahlung kann angenommen werden, wenn die -Werte im Frequenzbereich von bis innerhalb der Grenzen von liegen. Im Bereich von bis erhöhen sich die Grenzen linear von auf . Für Frequenzen von bis sind es . Die Prüfung soll in unterschiedlichen Ebenen durchgeführt werden.“8

Vom Anregungssignal im Senderaum wird ein konstantes und gleichmäßiges Spektrum

gefordert. Das Anregungssignal im Empfangsraum muss mindestens , vorzugsweise

über dem Grundgeräuschpegel liegen [36].

Die vom Hersteller des verwendeten PA-Lautsprechers JF80 gemessenen Richtungsmaße

sind in einer horizontalen und vertikalen Ebene in Abbildung 7.3 angegeben. Der PA-

Lautsprecher entspricht nicht den Anforderungen nach EN ISO 150-4, jedoch wird durch

folgend beschriebene Vorgangsweise die Erzeugung eines diffusen Schallfeldes im Sen-

deraum erreicht. Die Anregung im Senderaum der Klimakammer erfolgt durch sechs PA-

Lautsprecher, wobei pro Lautsprecherposition zwei PA-Lautsprecher positioniert wer-

den. Durch eine Drehung der beiden Lautsprecher in divergierende Position wird die

gleichmäßige Schallabstrahlung in der Horizontalebene verbessert. In Abbildung 5.2 ist

die Messunsicherheit des Anregungssignals im Senderaum dargestellt. Die Diffusi-

tät des Anregungssignals ist hinsichtlich der besonderen baulichen Bedingungen im Sen-

deraum als befriedigend einzustufen.

8 ÖNORM EN ISO 140-4, „Akustik - Messung der Schalldämmung in Gebäuden und von Bauteilen - Teil

4: Messung der Luftschalldämmung zwischen Räumen in Gebäuden,“ 1999, S. 4, S. 7

5 Diskussion

77

Zusätzlich ist in Abbildung 5.2 die Messunsicherheit im Empfangsraum angegeben.

Der Signal- / Grundgeräuschpegelabstand des Anregungssignals im Empfangsraum be-

trägt mindestens im dargestellten Frequenzbereich. Die Messung der Anregung

weist im Empfangsraum eine größere Messunsicherheit als im Senderaum auf. Dies ist

durch das Vorhandensein von Schallübertragungswegen in der Trennfläche zwischen

Sende- und Empfangsraum bedingt (Kabelschächte, Löcher, fehlendes Dämmmaterial

etc.). Zusätzlich darf die starke Dämpfung des Empfangsraumes nicht vernachlässig wer-

den, wodurch ein beträchtlicher Schalldruckpegelabfall zur Schallquelle auftritt. Dieser

Störfaktor wurde durch den nahezu gleichen Abstand der Messmikrofone zu den Trenn-

flächen minimiert. Der geringe Stichprobenumfang trägt zu einer Verbreiterung des Ver-

trauensbereichs bei.

Abbildung 5.2: Messunsicherheit des Anregungssignals im Sende- und Empfangsraum

Nachhallzeit

Für die Berechnung der äquivalenten Absorptionsfläche des Korrekturterms

(

) des Bau-Schalldämm-Maßes wird in EN ISO 140 die Nachhallzeit nach

Sabine vorgeschrieben. Durch die sehr kurze Nachhallzeit im Empfangsraum ergibt sich

ein Absorptionsgrad im dargestellten Frequenzbereich. Unter diesen Bedingun-

gen liefert die Nachhallzeit nach Eyring realere Werte als die Berechnung nach Sabine.

5 Diskussion

78

5.3.1 Einzelmessungen an bestimmten Bauteilen

Folgende Verfahren sind zur Bestimmung des Bau-Schalldämm-Maßes von Bauteilen in

der EN ISO 140 angeben: „Teil 3: Messung der Luftschalldämmung von Bauteilen in Prüf-

ständen“ und „Teil 14/A.4: Messung an Türen“. Beide Verfahren können durch die be-

sondere bauliche Bedingung in der Klimakammer nicht eingesetzt werden.

Das verwendete Verfahren ermittelt einen signifikanten Unterschied an einem geänder-

ten Bauteil und stellt somit ein „vergleichendes“ Verfahren dar. Die Messmikrofone

wurden knapp außerhalb der Richtentfernung der PA-Lautsprecher positioniert und die

Bezugsachsen der PA-Lautsprecher in Richtung des zu vergleichenden Bauteils ausge-

richtet. Die Messmikrofone wurden so nahe wie möglich am Bauteil positioniert, wobei

zu den reflektierenden Flächen eine viertel Wellenlänge der niedrigsten dargestellten

Frequenz eingehalten wurde. Der Vergleich der Ergebnisse der Einzelmessungen an be-

stimmten Bauteilen mit dem Bau-Schalldämm-Maß ist nur bedingt gültig. Diese Ver-

suchsanordnung unterschätzt den wahren Wert der Schalldämmung des Bauteiles,

wodurch ein zu niedriger Wert verifiziert wird.

5.4 Freifeldbedingung

Die Richtentfernung des Messlautsprechers und die Freifeldbedingung im Empfangs-

raum zeigen entlang der Messpfade und keine vergleichbaren Ergebnisse. Die Richt-

entfernung beschreibt die ideale Schallausbreitung einer gerichteten Schallwelle mit

einer vorgegeben äquivalenten Absorptionsfläche in einem annähernd kubischen Raum,

wobei sich die Schallwelle ohne Hindernisse ausbreiten kann (siehe Abschnitt 2.6.1). Die

Messpfade und verlaufen sehr nahe an den Begrenzungsflächen des Empfangs-

raums, wodurch diese Voraussetzung in diesem Bereich nicht gegeben ist.

5.4.1 Optimale Pegelabnahme

Werden die Reflexionen des Raumes aus allen Impulsantworten der Freifeldmessung

eliminiert, entspricht die Schalldruckpegelabnahme dem Entfernungsgesetz einer sich

kugelförmig ausbreitenden Schallwelle (Gleichung (2.32)). Die Raumimpulsantwort des

Direktschalls wird mit einem dynamischen Fenster von der restlichen Raumimpulsant-

wort getrennt. Zusätzlich wird eine Positionskorrektur der Messmikrofone durchgeführt

5 Diskussion

79

(siehe Abschnitt 3.3.4.1). Anschließend wird aus den geschnittenen und gewichteten

Impulsantworten die Schalldruckpegelabnahme in Terzbändern berechnet und mit dem

Entfernungsgesetz verglichen (Abbildung 5.3).

Je näher sich ein Messmikrofon an einer Reflexionsfläche befindet, desto kürzer wird die

Zeitdifferenz bis die erste Reflexion am Messmikrofon eintrifft. Ab einem gewissen Ab-

stand zu einer Reflexionsfläche ist es messtechnisch nicht mehr möglich, den Direkt-

schall von den Reflexionen zu trennen. Der gemessene Impuls weist eine Einschwingzeit

von ca. auf, die durch die Trägheit des elektrodynamischen Wandlers des Mess-

lautsprechers verursacht wird. Die Messpfade und verlaufen parallel zu mindes-

tens einer Reflexionsfläche im Empfangsraum. Der zeitkritische Messbereich wird ent-

lang der Messpfade und aufgrund des Abstandes zur Reflexionsfläche

bei einem Mikrofonabstand zum Messlautsprecher von erreicht. Für

die Messpfade und wird der zeitkritische Messbereich aufgrund bei

erreicht.

5.4.1.1 Gültiger Messbereich bei der Messung der Freifeldbedingung

In Tabelle 5.2 sind die Frequenzbereiche und Abstände für die Einhaltung der optimier-

ten Freifeldbedingung bis zu einer Abweichung von vom Entfernungsgesetz ange-

geben.

Messpfad Abstand in m in kHz in kHz

1 0,85 0,4 8

2 0,66 0,4 4

3 0,66(1,08) 0,4 6,3

4 1,08 0,4 8

5 1,08 0,4 2,5

6 1,08 0,4 6,3

Tabelle 5.2: Frequenzbereich und Abstand bei Einhaltung einer Abweichung von bei der optimierten Freifeldbedingung im Empfangsraum

Die Messpfade und zeigen den erwarteten Schalldruckpegelabfall. Bei Messpfad

wird bei den Mikrofonpositionen und die festgelegte Abweichung

von zwischen den Terzbändern und um überschritten.

5 Diskussion

80

Der Messpfad zeigt ab der Mikrofonposition im Terzband von eine

gleichbleibende Anhebung, welche durch eine nahe Reflexionsfläche (Mikrofonständer)

verursacht wird. Dieser Effekt erklärt sich nach dem Huygen‘schen Prinzip aus der

Wellennatur des Schalles. Jeder Punkt einer Reflexionsfläche ist Ausgangspunkt einer

Halbkugelwelle, die sich durch Überlagerung addieren oder auslöschen kann [7].

Bei dem Messpfad kann über kein linearer Schalldruckpegelabfall nach dem

Entfernungsgesetz gezeigt werden. Durch diese Messunsicherheiten entlang der Mess-

pfade und werden die Ergebnisse der Messung verfälscht und sind daher als ungültig

einzustufen.

5 Diskussion

81

Abbildung 5.3: Optimierte Schalldruckpegelabnahme in Terzbändern (Messpfad bis )

5.5 Zusammenführung der Messergebnisse

Das gesamte Störgeräusch im Senderaum berechnet sich aus der energetischen

Summe der Teilstörgeräusche. Durch Bildung der Differenz wird das

empfangene Störgeräusch im Empfangsraum berechnet. Weiters ist das Störgeräusch im

Empfangsraum mit dem Abstand in Richtung des Freistrahls bekannt.

Durch die Berechnung der energetischen Summe der Störgeräusche im Sende- und Emp-

5 Diskussion

82

fangsraum und des korrigierten Grundgeräuschpegels im Empfangsraum

wird der gesamte Störgeräuschpegel, abhängig vom eingestellten Betriebszustand, be-

rechnet. Durch Miteinbeziehung des Toleranzfaktors zum gesamten Störgeräusch-

pegel wird der minimal zu detektierende Schalldruckpegel wie folgt ermittelt:

(

)

mit

(5.3)

Die Messgenauigkeit wird durch die Wahl des Toleranzfaktors bestimmt. Umso grö-

ßer die Differenz zwischen zu detektierendem Schalldruckpegel und Grundgeräusch ist,

desto kleiner wird das Toleranzfeld . In Tabelle 5.3 sind die Toleranzfelder in Abhän-

gigkeit vom Toleranzfaktor angegeben.

12 +0,3

9 +0,5

6 +1,0

3 +1,8

Tabelle 5.3: Toleranzfeld in Abhängigkeit des Toleranzfaktors

Die Freifeldbedingung in Richtung des Freistrahls (Tabelle 4.1) und der vom Betriebszu-

stand der Versuchsanlage abhängige minimal zu detektierende Schalldruckpegel

bestimmen die Messgenauigkeit des aeroakustischen Messplatzes für mobi-

le Klimaanlagen.

6 Aeroakustischer Messplatz für mobile Klimaanlagen

83

6 Aeroakustischer Messplatz für

mobile Klimaanlagen

In diesem Kapitel wird auf kritische Betriebszustände der Klimakammer eingegangen

und daraus der maximale Betriebszustand für aeroakustische Messungen an mobilen

Klimaanlagen bestimmt. Dazu wurde ein auf MATLAB basierendes Graphical User Inter-

face (GUI) zur Auswertung verschiedener Betriebszustände entwickelt. Zusätzlich wird

die Vorgangsweise bei aeroakustischen Messungen an mobilen Klimaanlagen festgelegt,

damit der aus dem Betriebszustand ermittelte minimal zu detektierende Schalldruck-

pegel für reflexionsarme aeroakustische Messungen eingehalten wird. Weiters

werden Maßnahmen zur Optimierung der Klimakammer als Messraum vorgeschlagen.

6.1 Betriebszustands-GUI

Das Graphical User Interface (GUI) bestimmt durch die Auswahl der Betriebszustände

der Klimakammer den minimal zu detektierenden Schalldruckpegel mit einem Toleranz-

faktor (Abbildung 6.1). Die Drop-Down-Menüs Konditionierer und Luftkanal SR be-

rechnen den Störgeräuschpegel im Senderaum ( ) für den jeweiligen Betriebszu-

stand. Weisen beide Drop-Down-Menüs den Wert -Aus- auf, wird das im Senderaum

verursachte Störgeräusch angezeigt. Die Drop-Down-Menüs Luftkanal ER und Mic Ab-

stand geben den Störgeräuschpegel entlang des Freistrahls im Abstand zum

Strömungs-Gleichrichter des Luftkanals für den jeweiligen Betriebszustand an. Weist das

Drop-Down-Menü Luftkanal ER den Wert -Aus- auf, wird der korrigierte Grundgeräusch-

pegel im Empfangsraum ausgegeben (siehe Abschnitt 5.2). Durch Drücken des

Push-Buttons Start wird der minimal zu detektierende Schalldruckpegel im

gewählten Betriebszustand dargestellt. Durch die Auswahl des Push-Buttons Save wird

das aktuelle in Form eines MAT-Files gespeichert.


84

Abbildung 6.1: Betriebszustands-GUI

6.2 Kritische Betriebszustände

Die Ermittlung von kritischen Betriebszuständen wurde mit dem Betriebszustands-GUI

durchgeführt und in Abbildung 6.2 dargestellt. Durch Wahl des Toleranzfaktors

wird durch das Störgeräusch im Empfangsraum angezeigt. Bei fol-

genden Betriebszuständen ergeben sich kritische Betriebszustände.

Störgeräusch des Asynchronmotors

Der Asynchronmotor des Luftkanals im Senderaum zeigt eine tonale Komponente im

Terzband bei . Dieser Effekt tritt nur bei niederen Steuerfrequenzen des Asyn-

chronmotors zwischen und auf.

Minimalster Betriebszustand

Das minimalste Störgeräusch wird bei der Inbetriebnahme der Luftkanäle im Sende- und

Empfangsraum der Klimakammer bei einer Strömungsgeschwindigkeit von und

einem Massenstrom von der Luftkanäle im Sende- und Empfangsraum erreicht.

Zwischen und wird die Bedingung eingehalten, wobei ein

sprunghafter Anstieg um mindestens bei Terzbändern unter erkennbar

ist.


85

Gleichbleibendes spektrales Störgeräusch

Der Ventilator des Luftkanals im Empfangsraum ist auf der Außenseite des Empfangs-

raums installiert, wodurch ein Störgeräusch im Senderaum emittiert wird. Das Störge-

räusch weist bis zu einem Massenstrom von im Sende- und im Empfangsraum

(Freistrahl) dieselben spektralen Eigenschaften auf. Daraus kann abgeleitet werden, dass

der Großteil des entstehenden Störgeräusches durch den Ventilator verursacht wird.

Durch spezielle Kulissenschalldämpfer würde dieses gedämpft werden, wodurch auch

Versuchskonstellationen mit höheren Massenströmen die Bedingungen bzw.

erfüllen würden (siehe Abschnitt 6.4).

Zusätzlich ist im Senderaum eine konstant bleibende tonale Komponente im Terzband

von bei allen Betriebszuständen erkennbar. Die Hochlaufanalyse im Spektralbe-

reich des Luftkanals im Empfangsraum (Abbildung 4.10) zeigt im Freistrahl in diesem

Frequenzbereich keine Anregung, wodurch dieses Störgeräusch nur in den Senderaum

der Klimakammer emittiert wird.

Strömungsgeräusch

Ab einem Massenstrom von ist im Freistrahl des Luftkanals im Empfangsraum

bei eine starke tonale Komponente mit ca. gegenüber den benachbarten

Terzbändern erkennbar. Diese tonale Komponente wird durch die Querschnittsänderun-

gen im Luftkanal oder durch den Strömungs-Gleichrichter verursacht.


86

Störgeräusch des Asynchronmotors

Minimalster Betriebszustand

Gleichbleibendes spektrales Störgeräusch

Strömungsgeräusch

Abbildung 6.2: Darstellung kritischer Betriebszustände

6.3 Messbereich des aeroakustischen Messplatzes für

mobile Klimaanlagen

An den aeroakustischen Messplatz für mobile Klimaanlagen werden folgende Anforde-

rungen gestellt: Die entstehenden Geräusche am Verdampfer sollen in einem Frequenz-

bereich zwischen und in einem reflexionsarmen Bereich (Freifeld)

detektiert werden, wobei der Störgeräuschpegel der Anlage die Bedingung einhal-

ten muss.

Diese Vorgaben werden einerseits durch das Störgeräusch des Luftkanals im Empfangs-

raum beim geringsten möglichen Massenstrom mit in einem Abstand von

bei überschritten, andererseits liegt die untere Grenzfrequenz zur

Einhaltung der Freifeldbedingung im diesem Bereich des Freistrahls bei (siehe

Abschnitt 4.4, Messpfad ).


87

Leider war es nicht möglich, die notwendigen baulichen Änderungen an der Klimakam-

mer vorzunehmen, um diese Anforderungen zu erfüllen. Im Abschnitt 6.4 werden Maß-

nahmen zur Optimierung der Klimakammer angegeben, um den geforderten Frequenz-

bereich einzuhalten bzw. die untere Grenzfrequenz noch weiter zu verbessern.

Die Geräusche des Verdampfers der Klimakammer werden im Freistrahl des Luftkanals

im Empfangsraum nach dem Versuchsaufbau detektiert (Abbildung 3.3). Für die Inbe-

triebnahme des Klimakreises werden abhängig vom Betriebszustand der Klimaanlage

verschiedene Strömungsgeschwindigkeiten bzw. Massenströme der Luftkanäle im Sen-

de- und Empfangsraum erzeugt. Die Aufrechterhaltung des Raumklimas wird durch die

Konditionierung gewährleistet.

In Abbildung 6.3 ist der maximale Betriebszustand für die Inbetriebnahme der Klima-

kammer als aeroakustischer Messplatz dargestellt. Durch Wahl des Toleranzfaktors

wird durch das Störgeräusch im Empfangsraum angezeigt.

Bei den in Tabelle 6.1 angeführten Betriebszuständen wird im Frequenzbereich zwischen

und die Bedingung erfüllt. In diesem Frequenzbereich wird bis

zu einem Abstand von die Freifeldbedingung eingehalten, wodurch eine Erfas-

sung des minimal zu detektierenden Schalldruckpegels im Freistrahl des Luft-

kanals möglich ist. Weiters ist in Tabelle 6.1 der minimal zu detektierende Schalldruck-

pegel bei maximalen Eistellungen und einem Toleranzfaktor ange-

geben.

Abbildung 6.3: Maximaler Betriebszustand des aeroakustischen Messplatzes (Messbereich )


88

Betriebsmodus Wert

Konditionierer -Aus- bis Stufe 1

Luftkanal-SR -Aus- bis

Luftkanal-ER -Aus- bis

MIC-Abstand

1,25 1,6 2 2,5 3,15 4 5 6,3 8

22,7 21,3 18,4 17,3 15,4 14,1 14,7 14,4 16,9

Tabelle 6.1: Betriebszustände für die Einhaltung von (oben) und daraus bestimm-te minimal zu detektierende Schalldruckpegel mit einem Toleranzfaktor

(unten)

6.3.1 Vorgangsweise bei aeroakustischen Messungen an mobilen

Klimaanlagen

Zur Erfassung aussagekräftiger Ergebnisse bei aeroakustischen Messungen an mobilen

Klimaanlagen ist folgende Vorgehensweise einzuhalten:

Werden neue Schallübertragungswege (Kabelschächte, Anschlüsse etc.) zwischen Sen-

deraum und Empfangsraum angebracht, müssen diese mit geeigneten Mitteln ver-

schlossen werden (siehe Abschnitt 3.1.2). Der in der Abdeckung eingebrachte Durch-

bruch muss mit PU-Schaum verschlossen werden.

Die energetische Summe zusätzlicher Störgeräusche im Senderaum, wie z.B. der Klima-

kompressor des Klimakreises oder die Störgeräusche in der Halle, müssen in jedem

Terzband um mindestens 10dB kleiner als der durch das Betriebszustands-GUI berech-

nete Störgeräuschpegel im Senderaum ( ) sein (siehe Abschnitt 6.1).

Die mobilen Bodenabsorber und der Wandabsorber müssen wie in Abbildung 3.2 im

Bereich der Messung aufgestellt werden, damit alle Schallreflexionen durch absorbie-

rendes Material gedämpft werden. Zusätzlich dürfen keine Schallreflexionsflächen im

Empfangsraum vorhanden sein. Werden durch neue Apparaturen Schallreflexionsflä-

chen in den Raum eingebracht, müssen diese mit geeigneten Materialen verkleidet wer-

den (siehe Abschnitt 3.1.2). Weiters muss eine wesentliche Verkleinerung des Raum-

volumens durch eingebrachte Apparaturen im Empfangsraum vermieden werden.


89

Unter Berücksichtigung des maximalen Betriebszustandes und des Bereichs der Freifeld-

bedingung sind reflexionsarme Messungen an mobilen Klimaanlagen in der Klimakam-

mer zulässig (siehe Abschnitt 6.3).

6.4 Maßnahmen zur Optimierung der Klimakammer

Die akustischen Messungen haben gezeigt, dass einerseits das Störgeräusch des Luftka-

nals im Empfangsraum, andererseits die Freifeldbedingung die Hauptfaktoren für die

Einschränkung des Frequenzbereiches für reflexionsarme aeroakustische Messungen in

der Klimakammer darstellen.

Der Luftkanal im Empfangsraum zeigt ein gleichmäßiges spektrales Störgeräusch bis zu

einem Massenstrom von (siehe Abschnitt 6.1). Durch Installation eines Kulis-

senschalldämpfers nach dem Ventilator des Luftkanals im Empfangsraum wird bis zu

einem Massenstrom von zwischen und die Bedingung

erfüllt (Abbildung 6.5). Der Aufbau des Kulissenschalldämpfers und die sich daraus erge-

bende Einfügungsdämpfung sind in Abbildung 6.4 angegeben. Die akustischen und

baulichen Eigenschaften des Kulissenschalldämpfers wurden mit der Produktsoftware

der Herstellerfirma berechnet [37]. Die fehlenden Dämpfungswerte wurden für die

Terzbänder zwischen den angegeben Oktavbändern linear interpoliert.

400 500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3150 4000 5000 6300 8000

22 26 32 38 44 44,7 45,3 46 41 36 31 27 24 20

Abbildung 6.4: Kulissenschalldämpfer mit einer Einfügungsdämpfung


90

Die Messung der Freifeldbedingung hat gezeigt, dass im Empfangsraum der Klimakam-

mer die Schallausbreitung bei Frequenzen unter gestört wird. Diese Randeffek-

te treten insbesondere an Messpfaden auf, die nahe und parallel zu den Begrenzungs-

flächen verlaufen (siehe Abschnitt 4.4). Wird der Luftkanal, wie in Abbildung 6.6 darge-

stellt, um in Richtung Raummitte gedreht und zusätzlich um angehoben, ver-

läuft der Freistrahl zwischen den Messpfaden und (siehe Abschnitt 3.3.4). Der Frei-

strahl befindet sich somit in Höhe der Messmikrofonposition (Abbildung 3.15).

Durch diese Modifikation des Empfangsraumes wird eine untere Grenzfrequenz der

Freifeldbedingung von innerhalb eines Abstandes von nach EN ISO 3745

(Vollraum) eingehalten. In Abbildung 6.6 sind die Einstellungen für die maximalen Be-

triebszustände für eine reflexionsarme aeroakustische Messung an mobilen Klimaanla-

gen im optimierten Empfangsraum unter Einhaltung der Bedingung angegeben.

Abbildung 6.5: Messbereich im optimierten Empfangsraum


91

Freifeld

in Hz in Hz

400 8000

Konditionierer -Aus-

Luftkanal SR -Aus- bis

Luftkanal ER -Aus- bis

Abstand

Abbildung 6.6: Optimierter Luftkanal ER (links); maximaler Betriebszustand im optimierten Empfangsraum (rechts)

7 Anhang A

92

7 Anhang A

7.1 Messequipment

Im folgenden Abschnitt werden Informationen zum verwendeten Messequipment ange-

geben.

7.1.1 Messmikrofon

Bruel & Kjaer 4190 ½ inch free-field microphone:

Frequenzbereich: bis

Dynamikumfang: bis

Temperaturbereich: - bis

Abbildung 7.1: Bruel & Kjaer ½ inch free-field microphone: Frequenzgang (oben); Rauschspektrum (unten) [38]

7 Anhang A

93

7.1.1.1 Vorverstärker

Bruel & Kjaer the NEXUS 2690-A-0S4:

-Kanal Mikrofon-Vorverstärker

Temperaturbereich: – bis

7.1.1.2 Schallkalibrator

Bruel & Kjaer Akustischer Kalibrator Typ 4231:

Kalibrierpegel: und bei

Mindestkalibriergenauigkeit:

Temperaturbereich: bis

7.1.2 D/A Umsetzer

M-Audio FireWire Audiophile:

THD+N: -

Frequenzgang: Samplefrequenz -

Ausgangsimpedanz:

7.1.3 Datenerfassung

LMS SCADAS III Recorder:

A/D Umsetzer: Delta-Sigma Umsetzer

Abtastrate:

Eingangsspannung:

Software / Datenexport:

LMS Test.Lab Spectral Testing

MAT-Files

7 Anhang A

94

7.1.4 Kugellausprecher

Dodekaeder DO12-S:

Schallleistung:

Frequenzbereich: bis

Abstrahlung: gemäß DIN 52210 Teil 1

7.1.5 Messlautsprecher

Abbildung 7.2: Messlautsprecher

7.1.6 PA-Lautsprecher

JF80 PA-LS:

Frequenzgang: zwischen und

Maximaler Output :

7 Anhang A

95

Horizontal

Horizontal

Horizontal

Vertical

Vertical

Vertical

Abbildung 7.3: Richtungsmaße des PA-Lautsprechers in den Terzbändern von bis [39]

7 Anhang A

96

7.2 Kulissenschalldämpfer

Abbildung 7.4: Datenblatt des Kulissenschalldämpfers [37]

8 Anhang B

97

8 Anhang B

8.1 MATLAB-Funktionen

8.1.1 Schröder-Rückwärtsintegration

% Schröder Rückwärtsintegration

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

%L = etc_schroeder(x,mode);

%

% mode =0: don't normalize [default]

% =1: normalize matrix to the peak value in the matrix

%

%Gerold Nistelberger 2011-07-20

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

function L = etc_schroeder(x,mode);

if ~exist('mode','var')

mode = 0;

end

if mode == 1

peak = max(max(x.^2));

x = (x.^2)/peak;

else

x = (x.^2);

end

x = x(:);

N=length(x);

int2=cumtrapz(x);

int1=fliplr(cumtrapz(fliplr(x')));

L=10*log10(int1(1:N)./int2(N));

8 Anhang B

98

8.1.2 Linearisierung mit der Methode der kleinsten quadratischen

Abweichung

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

% Methode der kleinsten Quadrate

%

%fit = ls_fit(y,n);

%

% n=Polynom nten-Grades

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

function fit = ls_fit(y,n);

y=y(:);

x = [1:length(y)]';

p = polyfit(x,y,n);

fit = polyval(p,x);

end

8 Anhang B

99

8.1.3 Kurzzeit-Fourier-Transformation

%Kurzzeit-Fourier-Transformation

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

%[X_dB ddf ddt] = spect(p,fs,Nfft);

%

%X_dB...Schalldruckpegel [dB] (p_0=2*10^-5 [Pa])

%ddf...Frequenzbins

%ddt...Zeitverlauf

%

%p...Schalldruckverlauf

%fs...Samplingrate

%Nfft...FFT-Punkte (noverlap Nfft/2)

%

%Gerold Nistelberger 2011-07-22

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

function [X_dB ddf ddt] = spect(p,fs,Nfft);

p = p(:);

p_0 = 2*10^-5;

x = buffer(p,Nfft,Nfft/2,'nodelay');

frame = size(x,2);

w = hann(Nfft);%Hann-Fenster

x_Buffer = x.*repmat(w,1,frame);

X = fft(x_Buffer);

w_korr = 1.63;% Fensterkorrekturfaktor Hann-Fenster

X_abs = abs(X(1:Nfft/2+1,:)/(Nfft/(2)))*w_korr;

X_dB=20*log10(X_abs/p_0);

ddf = 0:fs/(Nfft):fs/2;

ddt = (1:frame)*(frame/2*(Nfft)/fs)/(frame);

end

9 Literaturverzeichnis

100


[1] S. Weinzierl (Hrsg.), Handbuch der Audiotechnik, Berlin Heidelberg: Springer, 2008.

[2] W. Fassold und E. Veres, Schallschutz und Raumakustik in der Praxis, 1. Auflage,

Berlin: Verlag für Bauwesen, 1998.

[3] ÖNORM EN ISO 140-3, „Akustik: Messung der Schalldämmung in Gebäuden und

Bauteilen Teil 3: Messung der Luftschalldämmung von Bauteilen in Prüfständen“,

2005.

[4] W. Schirmer (Hrsg.), Technischer Lärmschutz, 2. Auflage, Berlin Heidelberg:

Springer, 2006.

[5] J. Bortz, Statistik für Sozialwissenschaftler, 5. Auflage, Berlin Heidelberg: Springer,

1999.

[6] ÖVE/ÖNORM EN 61260+A1, „Elektroakustik: Bandfilter für Oktaven und Bruchteile

von Oktaven“, 2003.

[7] L. Cremer und H. A. Müller, Die wissenschaftlichen Grundlagen der Raumakustik,

Band II, 2. Auflage, Suttgart: Hirzel, 1978.

[8] ÖNORM EN ISO 18233, „Akustik: Anwendung neuer Messverfahren in der Bau- und

Raumakustik“, 2006.

[9] G.-B. Stan, J.-J. Embrechts und D. Archambeau, „Comparison of Different Impulse

Response Measurement Techniques“, J. Audio Eng. Soc, Bd. 50, Nr. 4, pp. 249-262,

2002.

[10] M. Möser, Messtechnik der Akustik, Berlin Heidelberg: Springer, 2010.

[11] U. Zölzer, Digital Audio Signal Processing, 2nd edition, Wiley, 2008.


101

[12] V. Blobel und E. Lohmann, Statistische und numerische Methoden der

Datenanalyse, Stuttgart: Teubner, 1998.

[13] G. Graber und W. Weselak, Skript zur Vorlesung: Raumakustik, Version 4.0,

Technische Universität Graz: Institut für Breitbandkommunikation, 2006.

[14] D. Maute, Technische Akustik und Lärmschutz, 1. Auflage, Leipzig: Carl Hauser

Verlag, 2006.

[15] ÖVE/ÖNORM EN 61672-1, „Elektroakustik: Schallpegelmesser-Teil 1:

Anforderungen (IEC 61672-1:2002)“, 2003.

[16] ISO 1996, „Acoustics: Description and measurement of environmental noise-Part 3:

Application to noise limits“, 2003.

[17] G. Müller (Hrsg.), Taschenbuch der technischen Akustik, 3. Auflage, Berlin

Heidelberg: Springer, 2004.

[18] IRT Akustische Information 1.11-1/1995 , „Höchstzulässige Schalldruckpegel von

Dauergeräuschen in Studios und Bearbeitungsräumen bei Hörfunk und Fernsehen“,

Institut für Rundfunktechnik, München, 1995.

[19] EBU Tech. 3276–2nd edition, „Listening conditions for the assessment of sound

programme material: monophonic and two–channel stereophonic“, European

Broadcasting Union, Genf, 1998.

[20] ITU-R BS.1116-1, „Methods for the subjective assessment of small impairments in

audio systems including multichannel sound systems“, International

Telecommunication Union, Genf, 1994-1997.

[21] W. Weselak, Skript zur Vorlesung: Akustische Messtechnik, Version 6.0, Technische

Universität Graz: Institut für Signalverarbeitung und Sprachkommunikation, 2011.

[22] „MathWorks,“ [Online]. Available: http://www.mathworks.de. [Zugriff am 20. Mai

2012].

[23] ÖNORM EN ISO 3745, „Akustik: Bestimmung der Schallleistung von Geräuschen aus

Schalldruckmessung - Verfahren der Genauigkeitsklasse 1 für reflexionsarme Räume

und Halbräume“, 2009.


102

[24] „Eurofoam“, [Online]. Available: http://www.eurofoam.at. [Zugriff am 17. Februar

2012].

[25] Basotect, „BASF The Chemical Company“, [Online]. Available:

http://www.basotect.com. [Zugriff am 2. November 2011].

[26] C. Couvreur, „MATLAB Central“, 29 Dezember 1997. [Online]. Available:

http://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/69-octave. [Zugriff am 13.

Februar 2012].

[27] C. Couvreur, „Implementation of a One-Third-Octave Filter Bank in MATLAB“,

Submitted: Applied Acoustics, 1997.

[28] A. Oppenheim, R. Schafer und J. Buck, Zeitdiskrete Signalverarbeitung, 2.

überarbeitete Auflage, München: Pearson Studium, 2004.

[29] ÖNORM EN ISO 3382-2, „Akustik: Messung von Parametern der Raumakustik, Teil 2:

Nachhallzeit in gewöhnlichen Räumen“, 2009.

[30] P. Majdak, 3 Februar 2008. [Online]. Available: http://piotr.majdak.com/. [Zugriff

am 16 Februar 2012].

[31] P. Majdak, P. Balazs und . B. Laback, „Multiple Exponential Sweep Method for Fast

Measurement of Head Related Transfer Functions“, in Audio Engineering Society

Convention 122, Wien, 2007.

[32] DIN 1320, „Akustik: Begriffe“, 2009.

[33] S. Warum, „Diplomarbeit: Messung von Außenohrübertragungsfunktionen und

direktionalen Raumimpulsantworten als Basis der Auralisation realer Räume“,

Institut für Elektronische Musik und Akustik - IEM, Universität für Musik und

darstellende Kunst Graz, 2003.

[34] DEGA-Empfehlung 101 , „Akustische Wellen und Feld“, Deutsche Gesellschaft für

Akustik e.V. , Berlin, 2006.


103

[35] Klaus Genuit (Hrsg.), Sound-Engineering im Automobilbereich: Methoden zur

Messung und Auswertung von Geräuschen und Schwingungen, Berlin Heidelberg:

Springer, 2010.

[36] ÖNORM EN ISO 140-4, „Akustik : Messung der Schalldämmung in Gebäuden und

von Bauteilen - Teil 4: Messung der Luftschalldämmung zwischen Räumen in

Gebäuden“, 1999.

[37] „TROX Technik,“ [Online]. Available: http://www.trox.de. [Zugriff am 16. Mai 2012].

[38] „Brüel & Kjaer“, [Online]. Available: http://www.bruelkjaer.de/. [Zugriff am 11.

September 2011].

[39] „EAW“, [Online]. Available: http://www.eaw.com. [Zugriff am 30. Mai 2012].

Konzipierung eines aeroakustischen Messplatzes für … möchte ich mich bei allen die mich bei...

Documents

Transcript of Konzipierung eines aeroakustischen Messplatzes für … möchte ich mich bei allen die mich bei...