Akustik-Software: Virtual Reality fürs Ohr

Spezielle Berechnungs- und Simulationsprogramme ermöglichen zuverlässige Vorhersagen zur Schallausbreitung, des Nachhalls, der Schalldruckpegel, des Schalldurchgangs durch Bauteile oder zur Wirkung akustischer Maßnahmen. Das ermöglicht eine frühzeitige Einbindung der Akustik in die Bauplanung und steigert die Planungssicherheit.

Vom analogen zum digitalen Modell

Über Jahrzehnte kamen in der Raum- und Bauakustikplanung sogenannte Modellmessverfahren zum Einsatz. Dabei wurde die Raumgeometrie des geplanten Objektes anhand eines Holz-, Gips- oder Plexiglasmodells maßstäblich nachgebildet und akustische Kenngrößen mit speziellen Messgeräten erfasst.

Diese aufwendige Methode wurde mit Einführung der elektronischen Datenver­arbeitung und der steigenden Rechenleistung durch rechnergestützte Berechnungen und ­Simulationen sukzessive abgelöst. Je nach ­Objekt und der jeweiligen Problemstellung kommen dabei verschiedene Berechnungsmethoden einzeln oder kombiniert zum Einsatz: Das Spiegelschallquellen- und Strahlenver­folgungsverfahren (Raytracing) sowie die FEM- oder BEM-Berechnungsmethode. 

Auf dem Spiegelschallquellen- und Raytracing-Verfahren basierende Programme sind inzwischen Standardwerkzeuge der Raumakustikplanung. Dabei werden – analog zur Optik – akustische Vorgänge näherungsweise durch Schallstrahlen und Reflexionsvorgänge mathematisch beschrieben. 

Reflexionen an ebenen Flächen in großen Räumen lassen sich per Spiegelschallquellen-Verfahren in Abhängigkeit von der Entfernung zum Empfänger und den Absorptionsgraden der Flächen berechnen. 

Beim Raytracing werden die Wege einer Vielzahl von Schallstrahlen, die von einer Schallquelle ausgehen, bis zum Empfänger verfolgt. Dadurch lassen sich raumakustische Kenngrößen, wie etwa Nachhallzeiten oder Schallpegel berechnen.

Müssen gleichzeitig Spiegelungen an glatten und Streuungen an rauhen Flächen ­berücksichtigt werden, kommen beide Ver­fahren zum Einsatz. Beide haben ihre Grenzen bei tiefen Frequenzen und kleinen Räumen mit hohen akustischen Anforderungen, wie etwa Tonstudios. 

Sollen niederfrequente, nicht-diffuse Schallfelder, Schalldämmmaße komplexer Wandaufbauten, Eigenfrequenzen,Strukturschwingungen, Schalldrücke und Schallleistungen zur Abschätzung von Lärmbelastungen be­rechnet werden, ist die Finite-Elemente-Methode (FEM) besser geeignet. Sie berück­sichtigt die Wellennatur des Schalls und somit beispielsweise auch Beugungseffekte oder ­Wellenüberlagerungen (Interferenzen). Die FEM ist ein numerisches Berechnungsverfahren, das auch in der Baustatik zur Berechnung örtlicher Spannungen und Verformungen zum Einsatz kommt.

In der Akustik wird das zu untersuchende Raumvolumen durch ein imaginäres Netz von Flächen – Finite Elemente genannt – unterteilt. Dadurch lässt sich das Strukturverhalten auch komplex geformter Räume mathematisch beschreiben. Ist das Verhalten der Teilstrukturen und über Kopplungs- und Randbedingungen der Bezug zum Gesamtsystem mathematisch definiert, erhält man ein komplexes Gesamtgleichungssystem, das anschließend am PC gelöst werden kann. 

Materialien oder Bauteile können detailliert modelliert, oder über Materialeigenschaften als Randbedingungen vorgegeben werden. Die der FEM ähnliche Randelementemethode (engl. Boundary Element Method, BEM) erfordert einen geringeren Eingabe- und Berechnungsaufwand, ist aber nicht so flexibel einsetzbar.

Was ist Auralisation?

Während die meisten akustischen Analysen eine Berechnung akustischer Werte und deren Visualisierung in Form zwei- oder dreidimensionaler Grafiken zum Ziel haben, geht die Auralisation weiter. Bei diesem Ver­fahren werden vom Computer berechnete akustische Vorgänge und Größen als Audio­dateien ausgegeben und per Lautsprecher oder Kopfhörer hörbar gemacht. Die Wirkung schalltechnischer Maßnahmen kann damit eindrücklicher vermittelt werden, als über ­Parameter und Kennwerte. 

Die Auralisation wird insbesondere für Objekte mit besonderen raumakustischen Anforderungen, wie Opern- und Konzerthallen, Theater, Musikstudios etc., zunehmend aber auch im Zusammenhang mit der raum- und bauakustischen Planung von Restaurants, Großraumbüros, Bibliotheken, Museen, Bahnhöfen, Industriehallen oder Außenräumen eingesetzt. Bereits im Planungsstadium kann beispielsweise das Hörerlebnis eines Konzertbesuchers nachempfunden werden, und zwar von jeder Position aus. 

Auch das Verhalten von Bauteilen, etwa von Schallschutzfenstern, bei unterschiedlichen akustischen Einwirkungen, wie Bau-, Straßen- oder Fluglärm oder die Schalldämmeigenschaften von Trockenbaukonstruktionen werden virtuell hörbar. Damit sind Planer in der Lage, Bauherren die akustische Qualität von Räumen oder Bauteilen unmittelbarer zu vermitteln und den Nutzen akustischer Maßnahmen anschaulich zu demonstrieren. 

Noch realitätsnäher lassen sich akustische Verhältnisse im Rahmen virtueller Begehungen durch Räume oder Gebäude vermitteln. Unterschiedliche Konzepte werden so interaktiv erfahrbar und unmittelbar vergleichbar. Ebenso können bauakustische Maßnahmen zur Eindämmung akustischer Störeinflüsse und Umgebungslärm von jeder Position aus besser eingeschätzt werden. Bauprodukt-Hersteller können sich die akustische Qualität ihrer Produkte schon in der Entwicklungsphase anhören oder diese potenziellen Kunden im Rahmen einer E-Commerce-Produktvermarktung eindrücklicher vermitteln. Kunden können die akustischen Eigenschaften eines Produktes bei der Kaufentscheidung besser beurteilen, als anhand von Tabellenwerten.

Welche Lösungen gibt es und wie funktionieren sie? 

Die Palette der raum- und bauakustischen Berechnungs- und Simulationsprogramme reicht von einfachen Programmen für die Analyse individueller, eng umgrenzter akustischer Probleme, über die Analyse komplexer Raumformen oder die Berechnung von Lärm in Arbeitsstätten und die Überprüfung von Lärmminderungsmaßnahmen, bis hin zur Echzeit-Auralisation architektonisch anspruchs­voller Räume und Gebäude, inklusive interaktiver Objektbegehung per VR-Brille (siehe auch Programme /Anbieter). 

Im nächsten Abschnitt werden ausgewählte Programme beispielhaft vorgestellt. Die Analyse anspruchsvoller akustischer Szenarien setzt in der Regel ein dreidimensionales Raum- oder Gebäudemodell voraus, das alle akustisch relevanten Strukturen geometrisch definiert. Entweder liegt es im Zusammenhang mit der Gebäudeplanung ohnehin schon vor und kann per DXF-, DWG- oder IFC-Schnittstelle importiert werden oder es muss mit einem internen 3D-Editor oder externen 3D-CAD-Programm neu modelliert werden.

Nutzerfreundlicher sind in CAD-Programme integrierte Lösungen (z. B. Auratorium), da dann umständliche Arbeitsschritte entfallen: CAD-Modelleingabe, anschließender Export und Import in die Raumakustiksoftware, Simulation, anschließend Änderung des CAD-Modells, erneuter Ex- und Import etc.

Bevor der zu untersuchende Raum für die ­Berechnung vorbereitet, respektive das Raumvolumen in Finite Elemente unterteilt wird, sollten die individuellen Rahmendaten analysiert und eine Zielvorgabe definiert werden. Anschließend müssen die Art der ­Schallquelle und des Empfängers, deren Position und mögliche Bewegung, Übertragungswege, raumakustische Oberflächeneigenschaften, wie Absorptions- und Streugrade, und andere Randbedingungen definiert werden. 

Das FE-Netz wird entweder manuell oder vom System automatisch im Hintergrund erzeugt. Danach kann der Berechnungsvorgang gestartet werden. Die Ergebniswerte (Nachhallzeit, Schalldruckpegel oder der Sprachübertragungsindex als Messgröße für die Sprachverständlichkeit etc.) werden tabellarisch oder als Isolinien- oder Isoflächengrafiken ausgegeben. Dabei werden Bereiche mit identischen Ergebniswerten mit einer Linie, respektive Farbfläche markiert und so die Vielzahl der Ergebniswerte einfacher „lesbar“ gemacht.

Programmbeispiele und Anwendungen

Auratorium von Audioborn ist eine im CAD-Programm integrierte Echtzeit-Akustiksimulationssoftware. Änderungen am Raum oder an den Quell- und Empfangspositionen werden quasi in Echtzeit berechnet, visualisiert und hörbar gemacht. Die zugrunde liegenden Simulationsalgorithmen bilden auch Welleneffekte ab, etwa Schallabsorption, -streuung und -beugung oder Interferenz-Effekte. Die Software wird sowohl in der Raumakustiksimulation als auch in der Musik- und Filmproduktion sowie VR-Anwendungen eingesetzt.

Catt-Acoustic von CATT berechnet mit numerischen Simulationsverfahren die Impulsantworten mehrerer Schallquellen mit beliebiger Richtfunktion. Werkzeuge zur Faltung und Auralisation stehen in der Vollversion bereit. Die akustischen Kenndaten der Oberflächenmaterialien lassen sich in einer individuell erweiterbaren Datenbank verwalten, was die Definition akustischer Szenarien beschleunigt. Ein OpenGL-basierter Catt-3D-Viewer sorgt für eine optisch ansprechende Darstellung der Modelle bei Kundenpräsentationen.

Ease von AFMG Technologies dient der raumakustischen Simulation von Innenräumen und Freiflächen. Werden in Innen- oder Freiräumen den verwendeten Wand- und Deckenmaterialien akustische Eigenschaften zugeordnet, lassen sich alle relevanten akustischen Parameter und Eigenschaften berechnen. Die Platzierung von Schallquellen wird von einer umfangreichen Datenbank unterstützt. Die berechneten akustischen Eigenschaften lassen sich per Auralisationsmodul Ears hörbar machen. 

Knauf TOPview ist eine App, mit der Akustikdaten gemessen und Räume akustisch sowie per VR-Brille optisch erlebbar werden. Damit lassen sich die Wirkungen akustischer Maßnahmen, wie Akustikdecken und/oder Wandabsorber auf einen Raum intuitiv vermitteln. Nachhallzeiten, Schallpegel und Sprachverständlichkeit werden damit verständlich und multimedial erfahrbar gemacht. Werden mit der App Schallpegel oder Nachhallzeiten eines Raumes gemessen, schlägt sie passende akustische Maßnahmen vor.

Odeon von Odeon A/S kann Raumakustik, Lautsprecherinstallationen, teilweise auch Schallübertragungen im selben Modell bearbeiten. Die Resultate werden als akustische Parameter, Schallkarten, Animationen und Auralisationen dargestellt. Raummodelle werden über SketchUp oder andere CAD-Programme importiert. Das Programm ermöglicht individuelle Raumakustik-Planungen für eine wunschgemäße Akustik und Schalldämmung bei Musik, Ansprachen, Konzerte etc. 

Mit Bastian, CadnaA und CadnaR von DataKustik, Iris und Insul von Marshall Day Acoustics und SONarchitect ISO von Sound of Numbers werden auch verschiedene Berechnungs- und Simulationsprogramme zur Berechnung bauakustischer Eigenschaften offeriert. Die Programme ermöglichen die bauakustische Analyse einzelner Baumaterialien, Bauteile oder kompletter Räume, die Berechnung der Luft- und Trittschallisolierung innerhalb von Gebäuden, die Luftschalldämmung gegen Außenlärm, die Schallübertragung von Räumen ins Freie und die Schallabsorptionen in Räumen.

Akustik-Software erfordert Fachwissen 

Gestalterische Wünsche oder funktionale Anforderungen von Architekten und Bauherren widersprechen häufig den akustischen Erfordernissen. Hier kann die numerische Akustik helfen, alle Anforderungen in Einklang zu bringen. 

Numerische Verfahren, wie die Finite-Elemente-Methode (FEM), erlauben eine sehr präzise Simulation der Ausbreitung von Akustikwellen in Luft, Flüssigkeiten und Festkörpern. 

Entscheidend ist jedoch eine physikalisch korrekte Modellierung aller Randbedingungen, die Berücksichtigung aller relevanten Frequenzbereiche, die Kopplung zwischen den Modellen für Luft- und Körperschall sowie von Dämpfungsmechanismen. Hieraus resultieren viele Fehlerquellen und Ungenauigkeiten. Einige Berechnungsverfahren, wie das Spiegelschallquellen- oder Strahlenverfolgungsverfahren, sind nur für große Räume geeignet. 

Fehler und Ungenauigkeiten können ferner durch notwendige Vereinfachungen entstehen, die dem hohen Rechen- und Eingabeaufwand geschuldet sind. So werden beispielsweise Berechnungen, die mehrere Stunden und Tage in Anspruch nehmen können, abgebrochen und durch statistische Mittelwerte ergänzt, was zu Verfälschungen des Ergebnisses führen kann. 

Auch bei der FE-Methode können durch ein zu grobes Rechengitter, ungenaue Randbedingungen oder vernachlässigte akustische Szenarien falsche Ergebnisse liefern, was auf den ersten Blick nicht erkennbar ist. Ausschlaggebend für die Ergebnisqualität ist darum vor allem das fachliche Know-how des Anwenders.

Dieser Beitrag von Autor Marian Behaneck ist zuerst erschienen in TGA Fachplaner 07/2020.