Hallraummessung nach ISO 354

Die Hallraummessung bestimmt, wie stark ein Aufbau Schall schluckt, indem sie einen absichtlich extrem halligen Prüfraum zweimal misst: einmal leer und einmal mit einer großflächigen Probe darin. Aus der Verkürzung der Nachhallzeit folgt die äquivalente Absorptionsfläche der Probe und daraus ihr Absorptionsgrad αs bei diffusem Schalleinfall. Das Verfahren regelt ISO 354.

Ausführliche Erklärung

Der Umweg über den Raum ist der eigentliche Kunstgriff. Am Material selbst lässt sich bei schrägem und aus allen Richtungen einfallendem Schall kaum etwas messen — man müsste das Feld unmittelbar an der Oberfläche erfassen, und jedes Mikrofon dort stört genau das Feld, das es messen soll. Der Hallraum umgeht das: Er misst nicht an der Probe, sondern am Energiehaushalt des ganzen Raums. Was die Probe dem Feld entzieht, zeigt sich als schnelleres Abklingen, und dieses Abklingen lässt sich sauber und wiederholbar aufnehmen.

Damit das aufgeht, muss der Prüfraum künstlich sein. ISO 354 verlangt ein Volumen von mindestens rund 200 Kubikmetern, harte und dichte Begrenzungsflächen mit sehr geringer Eigenabsorption, keine parallelen Wandpaare oder ersatzweise fest eingebaute Streukörper, und eine nachgewiesene Diffusität des Feldes — meist erreicht durch frei hängende, gekrümmte Platten unter der Decke. Ein Hallraum ist damit das genaue Gegenteil eines guten Hörraums: Er soll so lange und so ungerichtet nachhallen wie irgend möglich, weil nur dann der Schall die Probe tatsächlich aus allen Richtungen trifft.

Was gemessen und wie ausgewertet wird

Gemessen wird die Nachhallzeit in Terzbändern, üblicherweise von 100 Hz bis 5 kHz, an mehreren Mikrofon- und Quellpositionen. Aus jeder Nachhallzeit folgt über die Sabinesche Beziehung die äquivalente Absorptionsfläche des Raums; die Differenz zwischen dem Zustand mit und ohne Probe gehört der Probe, und geteilt durch deren geometrische Fläche ergibt sie αs. Zwei Korrekturglieder halten die Schluckung der Luft selbst aus dem Ergebnis heraus — sie ist im Hallraum schon bei 1 kHz messbar und schwankt mit der Feuchte zwischen zwei Messtagen, weshalb Temperatur und relative Feuchte bei beiden Messungen protokolliert werden. Den vollständigen Rechenweg mit beiden Gleichungen, dem Zahlenwert 55,3, der Luftdämpfungskorrektur und einem durchgerechneten Beispiel führt der Absorptionsgrad aus der Hallraummessung.

Für den Hallraum ist Sabine der richtige Ansatz, weil der leere Prüfraum genau der Fall ist, für den der Harvard-Physiker Wallace Clement Sabine die Beziehung um 1900 aufgestellt hat: sehr geringe, gleichmäßig verteilte Absorption. Die Beziehung selbst steht bei der Nachhallzeit nach Sabine, ihre Grenzen bei stark bedämpften Räumen bei der Nachhallzeit nach Eyring.

Die Probe und ihr Rand

Die Probenfläche liegt nach ISO 354 zwischen etwa 10 und 12 Quadratmetern, als möglichst rechteckige, zusammenhängende Fläche mit einem Seitenverhältnis nahe 1 und mit Abstand zu den Raumkanten. Sie liegt in aller Regel auf dem Boden, und ihre Ränder werden mit einem schallharten Rahmen abgedeckt, damit der Schall nicht seitlich in die Schnittkante eindringt.

Der Rahmen mildert die Kantenwirkung und beseitigt sie nicht. Am Übergang von der harten Bodenfläche zur weichen Probe wird Schall in die Probe hineingebeugt; die Fläche wirkt akustisch größer, als sie geometrisch ist. In der Auswertung zählt dieser Überschuss zur Wirkung der Probe, bezogen wird er aber auf ihre geometrische Fläche — und deshalb kommen im Prüfbericht regelmäßig Werte über 1,0 heraus, in den mittleren Bändern eines dicken porösen Absorbers durchaus bis 1,1 oder 1,2. Physikalisch schluckt nichts mehr als die auftreffende Energie; der Wert über 1,0 ist ein Artefakt der Bezugsfläche und kein Materialwunder. Für die Raumrechnung wird er üblicherweise auf 1,0 begrenzt. Was das für die Kennzahl selbst heißt, führt der Absorptionsgrad aus.

Ebenso wichtig ist die Montageart. Dieselbe Mineralwolleplatte, einmal direkt auf dem Boden und einmal auf einem Rahmen mit definiertem Luftabstand, ergibt zwei deutlich verschiedene Kurven — im Tiefton liegen Faktoren dazwischen, weil das Material mit Abstand näher am Schnellemaximum der Luft sitzt. Gemessen wird also immer ein Aufbau und nie ein Stoff. Ein Prüfbericht ohne Angabe der Montageart ist für die Auslegung unbrauchbar.

Was das Verfahren grundsätzlich nicht liefert

Die Hallraummessung sieht das Schallfeld an der Probe nie. Sie sieht nur, wie schnell die Energie im Raum kleiner wird, und alles, was diese Energie verringert, zählt gleich viel. Daraus folgen drei harte Grenzen.

Es gibt keine Phase und keine Impedanz. Der Abklingvorgang ist eine Energiegröße; die Information darüber, wie die Oberfläche eine ankommende Welle in Betrag und Zeitversatz beantwortet, steckt nicht darin. Wer die Oberflächenimpedanz eines Aufbaus braucht — für eine Simulation, für die Auslegung eines abgestimmten Absorbers, für den Abgleich mit der Delany-Bazley-Näherung oder mit den Schlitzplatten-Formeln —, kommt am Impedanzrohr nicht vorbei.

Es gibt keine Richtungsauflösung. αs ist bereits ein Mittelwert über alle Einfallsrichtungen. Wie sich derselbe Aufbau bei streifendem Einfall verhält, worauf es bei einer Seitenwand nahe dem Lautsprecher ankommt, geht in dieser Mittelung unter.

Und es gibt keine Trennung der Wirkungswege. Ob die Energie im porösen Gefüge in Wärme umgesetzt wurde, ob sie eine Trennwand durchquert hat oder ob sie eine Halterung zum Mitschwingen gebracht hat, unterscheidet das Verfahren nicht. Für den Raum ist die Energie in allen drei Fällen weg — für die Frage, ob ein Aufbau in einer anderen Einbausituation dasselbe leistet, ist der Unterschied entscheidend.

Streuung zwischen Prüfstellen

Dieselbe Probe ergibt in zwei Hallräumen zwei verschiedene Kurven, und zwar in einem Ausmaß, das viele Anwender unterschätzt. Ringversuche zeigen Unterschiede im Absorptionsgrad, die in den unteren Terzbändern die Größenordnung von 0,1 bis 0,2 erreichen; nach oben hin wird die Übereinstimmung besser. Drei Ursachen wirken zusammen: Der Raum ist unterhalb von etwa 200 Hz nicht wirklich diffus, weil dort nur wenige Raummoden liegen und das Feld an ihnen hängt. Die Diffusität wird zwischen den Laboren unterschiedlich hergestellt, und mehr Streukörper verschieben die Werte nach oben. Und Randeinfassung, Probenzuschnitt und Aufstellungsort im Raum sind zwar geregelt, aber nicht auf den Zentimeter identisch.

Dahinter steckt keine Schlamperei einzelner Labore. Es ist die Eigenschaft eines Verfahrens, das eine gerichtete Größe aus einem statistischen Feld gewinnt. Praktisch heißt es: Zwei Datenblattkurven verschiedener Hersteller, die im Bass um 0,1 auseinanderliegen, unterscheiden sich möglicherweise gar nicht. Erst deutlichere Abstände sind eine belastbare Grundlage für eine Produktentscheidung.

Von der Kurve zur Klasse

Weil eine Terzkurve über achtzehn Bänder für Ausschreibungen unhandlich ist, verdichtet ISO 11654 sie in zwei Schritten: erst zu Oktavwerten, dem praktischen Absorptionsgrad αp, dann durch Vergleich mit einer verschobenen Bezugskurve zu einer Einzahlangabe, dem bewerteten Absorptionsgrad αw, aus dem die Absorberklassen A bis E folgen. Dieser Weg beginnt ausdrücklich bei Hallraumwerten. Rohrwerte lassen sich nicht in eine Absorberklasse überführen, und wo in einem Datenblatt eine Klassenangabe steht, ist die zugrunde liegende Messung eine nach ISO 354. Was die Verdichtung für die Planung bedeutet und warum die Klasse für Heimkinoräume wenig aussagt, steht beim Absorptionsgrad.

Häufiges Missverständnis

Der verbreitetste Irrtum ist, dass der Hallraum das Material misst. Er misst einen Raum mit und ohne Probe, und die Differenz enthält alles, was sich zwischen den beiden Messungen geändert hat: die Probe, ihre Unterkonstruktion, ihren Luftspalt, ihren Randrahmen und die Kanten, an denen zusätzlich Schall eintritt. Wird eine Kurve auf einen Stoff bezogen statt auf den geprüften Aufbau, geht sie in der Planung regelmäßig daneben — dieselbe Platte auf 100 mm Abstand ist ein anderes Bauteil mit einer anderen Kurve.

Beim zweiten Irrtum geht es um die Genauigkeit. Weil das Verfahren aufwendig ist, große Räume und geeichte Bedingungen verlangt, wird sein Ergebnis für eine harte Zahl gehalten. Für die Raumrechnung ist es die richtige Zahl, aber keine scharfe: Unterhalb von 200 Hz ist die Diffusitätsannahme des Verfahrens nur näherungsweise erfüllt, und genau dort liegen im Wohnraum die Probleme. Wer im Tiefton plant, sollte die Hallraumkurve als gute Größenordnung lesen und die Auslegung nicht auf die zweite Nachkommastelle stützen.

Nicht zu verwechseln mit

• Impedanzrohr nach ISO 10534: Kleine Probe, senkrechter Einfall, Ergebnis mit Betrag und Phase. Das schärfere Instrument für den Materialvergleich, aber nicht die Zahl für die Raumrechnung.
• Nachhallzeitmessung im fertigen Raum nach ISO 3382: Dasselbe Messsignal und dasselbe Auswerteverfahren, aber eine andere Frage. Sie beschreibt das Ergebnis aller Flächen zusammen und lässt sich keinem Aufbau einzeln zuordnen.
• Streugradmessung nach ISO 17497-1: Findet ebenfalls im Hallraum statt und bestimmt, welcher Anteil ungerichtet zurückkommt. Diese Energie bleibt im Raum, statt zu verschwinden — die Größe gehört zur Diffusion und nicht zur Absorption.
• Schalldämm-Maß-Messung nach ISO 10140: Zwei gekoppelte Prüfräume, gemessen wird der Durchgang in den Nachbarraum. Ein guter Absorber ist kein guter Dämmer.

In der Planung

Für die Deckensegel eines Heimkinos liegen zwei Prüfberichte vor, beide nach ISO 354, beide mit einem Maximum nahe 1,0 im Mittelton. Der erste Blick gilt der Montageart: Steht dort eine Messung direkt auf dem Prüfraumboden, während das Segel im Kino mit 200 mm Abstand unter der Betondecke hängt, beschreibt die Kurve einen anderen Aufbau als den geplanten — und zwar einen mit deutlich schwächerer Tieftonwirkung als dem, was tatsächlich montiert wird. Der zweite Blick gilt der unteren Bandgrenze: Endet die Kurve bei 125 Hz, ist über den Bereich, in dem der Raum dröhnt, schlicht nichts ausgesagt.

Erst danach ist die Konzeptfrage an der Reihe: Soll die Decke frühe Reflexionen zwischen Lautsprecher und Hörplatz wegnehmen, oder soll sie die Nachhallzeit über den ganzen Bereich absenken? Die Antwort bestimmt das Verfahren — poröse Fläche mit Wandabstand, abgestimmter Aufbau oder eine Kombination — und damit den Zielwert für den Strömungswiderstand beziehungsweise die Abstimmfrequenz. Das Produkt kommt zuletzt, und dann ist der Prüfbericht eine Kontrolle und keine Entscheidungsgrundlage.

Für Sonderaufbauten aus dem eigenen Innenausbau gibt es keinen Prüfbericht, und das ist der Normalfall bei einer Akustik-Vorwand oder einem eingebauten Bassabsorber. Dann wird mit der Kurve des verwendeten Dämmstoffs in vergleichbarer Dicke und vergleichbarem Wandabstand gerechnet, die Abweichung bewusst als Unsicherheit geführt und nach dem Einbau am fertigen Raum gegengemessen. Diese Gegenmessung ist die einzige Zahl, die den wirklichen Aufbau beschreibt.

Verknüpfte Inhalte

Der Rechenweg von den beiden Nachhallzeiten zum Ergebnis steht beim Absorptionsgrad aus der Hallraummessung. Die Kennzahl, die dieses Verfahren ausgibt, führt der Absorptionsgrad; die Größe, über die gerechnet wird, die äquivalente Absorptionsfläche; die gemessene Zeit selbst die Nachhallzeit mit den Ansätzen nach Sabine und Eyring. Das zweite Messverfahren und sein Gegenstück in allen Punkten ist das Impedanzrohr, die Größe, die nur dort herauskommt, die Oberflächenimpedanz. Warum ein Absorber überhaupt Bewegung braucht, klärt die Absorption, den Vorgang an der Grenzfläche die Reflexion, die ungerichtete Rückkehr die Diffusion und der Schroeder-Diffusor. Gebaut wird das Ergebnis in Bassabsorber und Akustik-Vorwand; gerechnet in der Delany-Bazley-Näherung und bei den Schlitzplatten- und mikroperforierten Absorbern.

Quellen

Aufbau des Prüfraums, Probenfläche, Montagearten und die Auswertung über die Nachhallzeitdifferenz folgen ISO 354; das Auswerteverfahren der Abklingkurve steht in ISO 3382-2, die Verdichtung zu Einzahlangaben und Absorberklassen in ISO 11654, das zweite Messverfahren in ISO 10534-2. Der Zusammenhang von Volumen, Absorptionsfläche und Nachhallzeit geht auf Sabine zurück und ist bei Möser dargestellt; Kantenwirkung, Diffusitätsanforderung und die Streuung zwischen Prüfstellen sind bei Cox und D'Antonio behandelt.