Der Bau einer Gesangskabine im Home-Studio

Inhaltsverzeichnis:

Einleitung:

Hypothese

1 Akustik und Schall
1.1 Die Geschichte der Akustik
1.2 Die Akustik
1.3 Der Schall
1.4 Schallpegel
1.5 Töne, Geräusche und Lärm
1.6 Frequenz und Frequenzpegel
1.7 Der Schall im Raum

2 Die Bauplanung
2.1 Bauakustik allgemein
2.2 Energiebilanz am Bauteil
2.2.1 Schalldämm-Maß R und verwandte Größen
2.2.2 Schallleistung – Definition
2.2.3 Messung der Luftschalldämmung (Schallschutz)
2.2.4 Messungen bei Schallschutz in Gebäuden
2.3 Raumakustische Grundlagen

3 Kabinenbau, Ausgangssituation

4 Home - Recording
4.1 Beurteilung der Raumlage
4.2 Studioeinrichtung
4.3 Zusammenfassung des von mir verwendeten Equipments
4.4 Zweck einer Kabine
4.5 Der Schallschutz
4.6 Der Lageplan
4.7 Die Lüftung
4.8 Die Resonanzfrequenz und schwingende Wände
4.9 Raum in Raum Prinzip
4.10 Verwendetes Material beim Bau der Kabine
4.10.1 Die Türe und das Fenster
4.10.2 Türstock
4.10.3 Metal – Rahmen
4.10.4 Schalldämmmatten / Noppenschaum
4.10.5 Kleber für die Dämmstoffmatten
4.10.6 Steinwolle
4.10.7 Gipskarton
4.11 Die Bauabschnitte
4.11.1 Planung und Vorarbeiten
4.11.2 Vermessungen, Raster
4.11.3 Zuschneiden der Profile
4.11.4 Montage der CW-Ständerprofile
4.11.5 Einsetzen der Türzarge
4.11.6 Einsetzen des Fensters
4.11.7 Montage der Gipskarton Wände
4.11.8 Ausfüllen mit Dämmstoff
4.11.9 Elektroinstallation
4.11.10 Verputzen & Verspachteln
4.11.11 Einhängen und Einpassen der Tür
4.11.12 Anbringen eines Außenanstrichs
4.11.13 Verkleben der Schalldämmmatten mit dem Zweikomponenten - Klebstoff
4.12 Aufgetretene Probleme

5 Messungen
5.1 Messdetails
5.2 Details zu den Messungen mit Musikinstrumenten
5.3 Fazit der Messungen
5.4 Die Schallabsorption
5.5 Normalschallpegeldifferenz
5.6 Die Nachhallzeit
5.7 Die Eigenresonanz
5.8 Die Dämpfung
5.8.1 Hohlraumdämpfung
5.8.2 Bodenbeläge
5.9 Absorptionsvermögen diverser Oberflächen und Personen
5.10 Genaue Daten der Kabine
5.11 Fazit und persönliche Bemerkungen zur Planung und zum Bau der Kabine

Schlusswort

Ich danke

Quellen- und Literaturverzeichnis, Audio CD (am Innencover)

Anhang 1, Beispiele für den Luftschall – Absorptionsgrad in %

Anhang 2, Kosten- und Budgetaufstellung für den Bau der Aufnahmekabine

Einleitung:

In meiner Bachelor Arbeit wird ausgearbeitet, ob es wirklich möglich ist, eine schalldichte Kabine mit einem Budget von EUR 1.000,- zu bauen und wie man die vorgegebenen Daten und Eigenschaften, die für das optimale Arbeiten in einer Kabine erforderlich sind, erreichen kann. Diverse Messungen sollen neben dem eigentlichen Bau der Kabine einen Hauptteil der Arbeit darstellen, da erst anhand der Ergebnisse ein eindeutiges und endgültiges Urteil abgegeben werden kann. Um genau herauszufinden wie schalldicht eine solche Kabine nach dessen Fertigstellung auch wirklich ist, ist unter anderem die Berechnung der Schallpegeldifferenz nötig.

Hypothese:

MiteinemBudgetvon 1.000,- Euro ist bei der Errichtung einer schalldichten Kabine eine Schallpegeldifferenz von 20 dBA zu erreichen.

Diese Schallpegeldifferenz ist zwar nicht sehr hoch und es bedeutet auch dass bei diversen Messungen die Kabine wahrscheinlich nicht zu 100 % schalldicht sein wird, wenn man jedoch diese 20 dBA mit diversen Schallschutz Normen vergleicht, welche im allgemeinen Hochbau vorgeschrieben sind, dann wird man feststellen, dass 20 dBA eine hohe Pegeldifferenz im Kabinenbau sind. Ob diese dann auch im Home- Studio Bereich reicht, wird während und am Ende der Arbeit beschrieben und getestet.

Um jedoch mit den eigentlichen Messungen beginnen zu können, wird ein wenig auf die Geschichte der Akustik eingegangen, als auch bauakustisches Grundwissen vermittelt, welches für die Realisierung und den Bau einer solchen Kabine benötigt wird.

1 Akustik und Schall

1.1 Die Geschichte der Akustik

Die Akustik ist eine Naturwissenschaft, sie ist die Lehre vom Schall und seinen Auswirkungen.

Schon im alten China war man sich der Nutzung von Resonanz (=Mitschwingen eines Körpers mit dem eines anderen) und Schallreflexion bewusst.

In den laufenden Jahrhunderten wurde immer mehr in diesem Gebiet geforscht. Ende des 19. Jahrhunderts begann dann die intensive Forschung der Elektroakustik, das heißt die Umsetzung von akustischen Signalen in elektrische.

Diverse Erfindungen und Erkenntnisse von damals sind in unserer Wissenschaft nach wie vor verankert, wenn auch in einer ganz anderen und moderneren Betrachtung. In unserer heutigen Zeit ist aber die Akustik wieder ein sehr interessantes Thema, in dem mehr geforscht wird als jemals zuvor. Das bezieht sich auf die verschiedensten Industriezweige die weit über die „klassische“ Akustik im Häuser- und Tonstudiobau hinaus geht.

1.2 Die Akustik

Geräusche, Klänge und ‚Sounds’ werden im Allgemeinen als Schall bezeichnet. Als Luftschall bezeichnet man eine spezielle Form von Energie, die eine Schwingung von Luftmolekülen um einen Ruhepunkt als Ursache hat. Wenn wir Schall hören, wird unser Trommelfell in eine charakteristische Bewegung versetzt, die man Schwingung nennt. Diese wird durch Druckschwankungen der Luft im Gehörgang ausgelöst, die von der auftreffenden Schallwelle erzeugt werden. Schall ist die Ausbreitung von kleinsten Druck- und Dichtestörungen in einem elastischen Medium wie zum Beispiel in Gase oder Flüssigkeiten. Hier unterscheidet man zwischen dem Nutzschall und dem Störschall.

Die Akustik wird in mehrere Bereiche unterteilt:

Physikalische Akustik, physiologische Akustik und psychologische Akustik, auch als Psychoakustik bekannt.¹ Die physikalische Akustik ist ein Teilgebiet der Mechanik, die physiologische Akustik ein Teilgebiet der sensorischen Physiologie und die Psychologische

Akustik gehört zur Wahrnehmungspsychologie. Hierzu gehört auch die musikalische Akustik und wird unter anderem in der Bau- und Elektroakustik angewendet. Aus all diesen Gebieten nimmt unser Gehör einen Schall wahr.

Um den damit verbundenen Gleichgewichtssinn zum Beispiel zu verstehen, muss man sich mit jedem der Gebiete auseinandersetzen um die komplizierten Vorgänge, die bei der Aufnahme einer Schallwelle passieren auch zu verstehen.

1.3 Der Schall

Abb.:Grundbegriff einer Welle

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Beim Schall unterscheiden wir auch zwischen dem physikalischen Schall, der akustischen Wahrnehmung und der Bedeutung dieses Schalls.² Zunächst erfolgt eine Explosion. Wir nehmen sie akustisch wahr und stellen einen unmittelbaren Augenblick später fest, was diese Explosion für uns bedeutet. So kann man feststellen, dass Schall ein natürlicher Reiz ist, der zu einer Hörempfindung führt. Es handelt sich hier um Schwingungen und Wellen in einem elastischen Medium.³

Die Zahl der Schwingungen pro Sekunde wird als Frequenz bezeichnet. Die Einheit hierfür ist das Hertz(Hz). Ein gesundes, menschliches Gehör nimmt Frequenzen zwischen ca. 20 und 20.000 Hertz wahr. Alles was sich unterhalb dieses Bereichs befindet, bezeichnet man als Infraschall, alles oberhalb des Bereiches als Ultraschall.

1.4 Schallpegel

Der Schalldruckpegel wird in Dezibel (dB) angegeben.⁴

1.5 Töne, Geräusche und Lärm

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.:Lärmtabelle

Jeder Schall und jede Schallart setzt sich aus verschiedenen Faktoren zusammen. Der Sinuston ist die Grundwelle des Tones. Er ist durch eine harmonische Sinusschwingung definiert.

Man unterscheidet verschiedene Arten von Sinustönen. Reine Sinustöne kommen in der Natur selten vor. Das Rauschen von Blättern, der Wind, Wassergeplätscher usw. bezeichnet man als aperiodische Schalle. Sie werden oftmals in der Natur aber auch von Maschinen erzeugt.

Anders hingegen sind periodische Schalle.

Sie werden hauptsächlich von Tieren und Menschen erzeugt wie zum Beispiel Vogelstimmen, das Wiehern eines Pferdes, das Bellen eines Hundes und auch von der menschlichen Stimme und deren Vokale. Hier wird eine Grundschwingung von weiteren Schwingungen überlagert, den so genannten Obertönen.

Diese Obertöne und ihre jeweilige Intensität bestimmen nun die Klangfarbe. Dabei sind Resonanzeigenschaften, Dynamik, Phasenalge und Räumlichkeiten für den jeweiligen Klang der Klangfarbe verantwortlich.

1.6 Frequenz und Frequenzpegel

Als Frequenz f wird die Anzahl der Schwingungen pro Sekunde bezeichnet und stellt somit eine Wiederholungshäufigkeit dar. Diese wird in Hertz (1 Hz = 1/s) angegeben und beschreiben die Tonhöhe eines Schallereignis.

Schallwellen beschreiben die Auswirkung von Druck- bzw. Dichteschwankungen in elastischen Medien. Schallvorgänge, die aus einer einzigen Sinusschwingung bestehen, bezeichnet man also als Töne. Die reinen Töne kommen in der Natur kaum vor sondern setzten sich aus verschiedenen Teilfrequenzen und Amplituden zusammen.

AMPLITUDE = maximale Auslenkung – maximale Ausweichung vom Ruhedruck, maßgeblich für die Lautstärke.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.: Die Amplitude als Maß für die Lautstärke

Messgeräte mit denen Frequenzanalysen erstellt werden enthalten daher Oktav- und Terzfilter.⁵

FREQUENZ UND ZEITVERLÄUFE

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.:Typischer FrequenzverlaufdesSchalldruckpegelsvonmännlicher (a) und weiblicher (b)Sprache

Zur Entscheidung über Maßnahmen der Raumakustik sind Kenntnisse über Frequenz- und Zeitverläufe nötig. Die Mittelwerte des Frequenzverlaufes männlicher- und weiblicher Stimme zeigen, dass die Stimmlage des Grundtones bei Männern eine Oktave tiefer ist als bei Frauen. Der mittlere Schalldruckpegel weißt jedoch kaum Unterschiede zwischen den beiden Stimmen auf. Die Grundtöne sind somit für die Verständlichkeit der Sprache unerheblich. Wo es also alleine um die Aufnahme von Stimme und Gesang geht kann man auf die Übertragung⁶ tiefer Frequenzen verzichten und sich auf akustische Maßnahmen im Frequenzbereich von 125 Hz bis 2000 Hz konzentrieren.

1.7 Der Schall im Raum

Wenn sich Schall durch ein Medium fortpflanzt, werden Teilchen des Mediums in Schwingung versetzt und geben Teile des Schalls gedämpft wieder ab. Daraus kann man schließen, dass eine hohe Abhängigkeit besteht, auf welches Medium, also auf welchen Baustoff der Schall jeweils „trifft“.

Nachdem nun die wichtigsten Grundbegriffe und Eigenschaften des Schalls und dessen Ausbreitung in einem Medium bekannt sind, wird im folgenden Kapitel etwas genauer auf die allgemeine Bauplanung und die Bauakustik eingegangen.

2 Die Bauplanung

Wichtige Voraussetzung für die Planung des Baus einer schalldichten Kabine ist die Grundkenntnis des Schalls und der Bauakustik. Im Rahmen dieser Arbeit sollen die wesentlichen Grundbegriffe möglichst klar verständlich erläutert werden.

2.1 Bauakustik allgemein

Die Bauakustik befasst sich mit Luft- und Trittschall. Beide werden eigentlich nur durch die Art der Anregung unterschieden:

- Beim Luftschall wird, wie schon im vorigen Kapitel erklärt, Luft in Schallschwingungen versetzt, die erzeugte Schallenergie wird in den Raumbegrenzungsflächen in Körperschall umgewandelt und im Nachbarraum wieder als Luftschall abgestrahlt. Das heißt es handelt sich hier um eine großflächige Anregung von Strukturen, in denen erzwungene Schwingungen erzeugt werden.
- Durch den so genannten Trittschall, wie schon der Name sagt, werden massivere Strukturen wie Boden, Decken etc. durch äußere Kräfteeinwirkung angeregt wie zum Beispiel durch begehen. Durch die einzelnen Schritte entsteht ein Schall, der von einem darunter oder darüber liegenden Raum wahrgenommen wird. Durch diese einzelnen Schritte wird die begangene Struktur zur Eigenschwingung angeregt. Durch diverse Maßnahmen, wie zum Beispiel einem Estrich, kann man diesen Effekt stark beeinflussen und demnach auch eindämmen. Problematischer wird es bei haustechnischen Maschinen, welche beispielsweise eine periodische Krafteinleitung erzeugen

Das Thema Bauakustik beinhaltet somit nicht nur die Lehre von Baustoffen, sondern auch wichtige Bereiche des Luftschallschutzes, des Trittschallschutzes und des wichtigen, leider allzu oft unterschätzten – Körperschalls.

Die Bauakustik ist also sehr eng mit der Raumakustik verbunden. Das bedeutet, dass der Schalldruckpegel von den raumakustischen Eigenschaften wie Größe, Baustoffe, Raumgröße etc. abhängig ist und damit auch die Nachhallzeit stark beeinflusst wird.

2.2 Energiebilanz am Bauteil

Hier wird skizziert, dass die durchgelassene Luftschallübertragung vom verwendeten Bauteil, bzw. Baustoff abhängig ist.⁷

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.: Energiebilanz am Bauteil

2.2.1 Schalldämm-Maß R und verwandte Größen

Wird in einem Raum Luftschall erzeugt, so muss die Summe aus der im Raum absorbierten und reflektierten Energie und aus der durchgelassenen Energie gerade gleich groß sein wie die erzeugte Energie. Dabei jedoch ist die durchgelassene Energie umso kleiner, je stärker der vorhandene Baustoff die Energie dämpft.⁸

Bei einer 24 cm dicken Wand aus Ziegeln wird zum Beispiel nur etwas ein Hunderttausendstel der Summe die auf die Wand trifft, durchgelassen. Das heißt also, dass selbst schon mit einem geringen Materialaufwand der Schall im Raum „gehalten“ werden kann. So sind beispielsweise Dämmwollen, Akustikschaumstoff und Styropor Materialien die hierfür sehr gut geeignet wären. Die Aufgabe der Raumakustik ist also die im Raum verbliebene Energie so „umzuwandeln“ bzw. zu „absorbieren“, so dass sich eine sehr geringe Nachhallzeit ergibt.

2.2.2 Schallleistung – Definition

Der Schalldruckpegel ist ortsabhängig. Das heißt dass der Schall mit der Entfernung stetig abnimmt. Daher definiert man zur akustischen Beschreibung von Schallquellen nicht den Schalldruck sondern die Schalleistung.

2.2.3 Messung der Luftschalldämmung (Schallschutz)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.: Schematische Darstellung der verschiedenen Wege der Schallübertragung mit Kurzzeichen für die Ein- und Austrittsflächen

Zwischen zwei verschieden geschlossenen Räumen wird die Schallpegeldifferenz errechnet. Dabei wird im Senderaum ein stationäres Luftschallfeld durch eine Schallquelle erzeugt. Die Schallpegel werden im Sende- und Empfangsraum gemessen. Aus ihrer Differenz ergibt sich unter Berücksichtigung der Absorption im Empfangsraum das Schalldämm-Maß oder die Schallpegeldifferenz. Der Schallsender soll hierbei allseitig gleichmäßig in den Raum abstrahlen. Hier kann man einfache Lautsprecher verwenden und so anordnen, sodass eine⁹ kugelförmige Abstrahlung erreicht wird.¹⁰ Der Schallpegel kann dann mit einem einfachen Schallpegel-Meßgerät ermittelt werden. (Erhältlich zum Beispiel bei Conrad Electronics in Wien-Vösendorf, SCS um ca. EUR 30,-).

Die Schallpegeldifferenz D zwischen 2 Räumen wird dabei folgendermaßen errechnet:

D = L₁ – L₂

L₁ = Schallpegel im Senderaum

L₂ = Schallpegel im Empfangsraum

Auf diese Berechnungen wird aber im späteren Verlauf im Kapitel 5 noch detailliert eingegangen.

2.2.4 Messungen bei Schallschutz in Gebäuden

Bei dem Bau Öffentlicher Gebäude, Häuser und Wohnungen wurden hinsichtlich des Schallschutzes eigene Normen festgelegt. Diese können anhand von speziellen Messverfahren grundsätzlich optimal erreicht werden.¹¹ Spezielles Augenmerk wird auf die Luft- und Trittschalldämmung gelegt. Ferner existieren klare Normen für Fenster und Scheiben, Türen und Wände, wobei zwischen baurechtlich verbindlichen Anforderungen und Vorschlägen zum erhöhten Schallschutz unterschieden wird.

Die meisten Normen dienen dazu, Personen in Wohnungen, aber auch Reihen-, Doppel- oder Mehrfamilienhäusern vor störendem Lärm zu schützen und dafür Sorge zu tragen, dass Geräusche normaler Lautstärke nicht von Dritten außerhalb der Wohnung gehört und verstanden werden können.¹²

2.3 Raumakustische Grundlagen

Die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalls beträgt in der Luft etwa 343 m/s (auch abhängig von der Temperatur). In einem störungsfreien Raum, sog. ein homogenes Medium, erfolgt die Ausbreitung entlang einer Geraden. Unter der Annahme einer punktförmigen Schallquelle erfolgt die Schwingungsanregung der Mediumteilchen gleichmäßig nach allen Seiten. So breitet sich der Schall nach allen Seiten gleich schnell und gleich laut aus. Atmosphärische Effekte, verschiedene Raumeigenschaften oder physikalische Hindernisse können allerdings die Schallwellen ablenken, sodass es zu den nachstehend beschriebenen Effekten kommen kann.

REFLEXIONEN

Beim Auftreten einer Schallwelle auf eine harte Oberfläche, treten je nach Abhängigkeit vom Verhältnis der Wellenlänge zur Größe des Objekts unterschiedliche Effekte auf. Je nach Beschaffenheit der Oberfläche auf die der Schall trifft, wird die Schallquelle gespiegelt bzw. reflektiert. Wenn die Oberfläche zum Beispiel rau ist, so findet eine diffuse Reflexion statt. Hier entscheidet die Größe von Elementen bzw. die Oberflächen-Beschaffung über den Ausfallswinkel und Einfallswinkel des Schalls und damit der Reflexion.

STEHENDE WELLEN

Zwischen parallelen, reflektierenden Wänden kann es zu sogenannten stehenden Wellen kommen. Dabei wird eine senkrecht auftreffende Schallwelle immer wieder mit ihrer eigenen Reflexion überlagert. Dadurch werden Schallwellen gegenseitig ausgelöscht oder verstärkt, was sich negativ auf Sprach- oder Musik- Aufnahmen und Wiedergaben auswirken kann bzw. auch bei speziellen Messungen sehr störend ist.

NACHHALLZEIT

Um einen Raum akustisch richtig einschätzen und beurteilen zu können, ist wohl die Kenntnis über die Nachhallzeit das Wichtigste. Durch einfaches Händeklatschen kann man einen Raum mit Schallenergie anregen und den Nachhallvorgang hören und abschätzen. Für eine genaue Aussage über die akustischen Eigenschaften eines Raumes jedoch müssten der zeitliche Verlauf des Schalldrucks und die für den Raum charakteristischen Reflexionen mit ihren Pegeln bekannt sein.

Mit Hall ist der gesamte diffuse Schall im Raum gemeint. Der Nachhall ist die Abnahme des Schallfeldes nach Abschalten der Schallquelle. Die Abnahme dieses Schallfeldes ist abhängig von den Eigenschaften des Raumes d.h. abhängig von der Oberfläche der Wand, Böden, Möbel, sowie Höhe und Breite des Raumes. Die Nachhallzeit ist somit vom Volumen und von den schallabsorbierenden Oberflächen abhängig.¹³

In meinem Fall bzw. bei der Größe meiner Gesangskabine haben wird die Nachhallzeit sehr gering bzw. kaum vorhanden sein, da der Klang des Raumes mit dem Noppenschaum nochmals so trocken wie möglich werden soll und das bedeutet auch eine geringe Nachhallzeit.

Das Problem dabei ist jedoch, dass bei einer zu kurzen Nachhallzeit der Raum trocken wirkt und man das Gefühl haben kann, dass der Raum nicht “trägt“. Dieses Gefühl des „Nichttragens“ kann dann sowohl den Zuhörer im Regieraum als auch den Sprechenden bzw.

[...]

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¹ Vgl.: Hellbrück, Ellermeier, Hören, 2004, Seite 17 ff

² Vgl.: Hellbrück, Ellermeier, Hören, 2004, Seite 53

³ Vgl.: Juan, Physikalische und psychoakustische Grundlagen der Musik, 2000, Seite 19

⁴ Vgl. Andrea Stickel, Faszination Gehör, Seite 14ff

⁵ Vgl.: Grafische Darstellung: Diplomarbeit von DI Claus Huber, Seite 9

⁶ Vgl.: Grafische Darstellung: Diplomarbeit von DI Claus Huber, Seite 12

⁷ Vgl.: Herwig Baumgartner, Roland Kurz, Schadenfreies Bauen, Band 27, Seite 13

⁸ Vgl.: Herwig Baumgartner, Roland Kurz, Schadenfreies Bauen, Band 27, Seite 11

⁹ Vgl.: Schallschutz, Normen, DIN-Taschenbuch, 1994, Seite 157

¹⁰ Vgl.: Schallschutz, Normen, DIN-Taschenbuch, 1994, Seite 156

¹¹ Vgl.: Schallschutz, Normen, DIN-Taschenbuch, 1994, Seite 15

¹² Vgl.: Herwig Baumgartner, Roland Kurz, Schadenfreies Bauen, Band 27, Seite 13

¹³ Vgl.: http://www.ton.udk-berlin.de/tutorium/html/Tutorium.html, 12.5.2007