Strömungswiderstand

Was ist der Strömungswiderstand, und warum entscheidet er über die Wirkung poröser Absorber und Bespannstoffe?

Der Strömungswiderstand gibt an, welcher Druckunterschied nötig ist, um Luft mit einer bestimmten Geschwindigkeit durch ein poröses Material zu treiben. Er ist die Materialgröße, aus der sich das akustische Verhalten poröser Absorber und die Durchlässigkeit von Bespannstoffen ableiten lässt.

Ob ein Material Schall schluckt oder durchlässt, hängt daran, wie leicht Luft hindurchgeht. Du kannst das selbst prüfen: Halte den Stoff vor den Mund und puste hindurch. Geht die Luft fast ungehindert durch, ist der Stoff akustisch so gut wie nicht vorhanden — das will man vor einem Lautsprecher. Musst Du kräftig drücken und kommt trotzdem kaum etwas an, wirft das Material den Schall zurück. Dazwischen liegt der Bereich, in dem Material Schall in Wärme umwandelt, und genau dort arbeiten Akustikelemente. Zu offen ist also genauso wenig hilfreich wie zu dicht.

Ausführliche Erklärung

Schall in Luft ist Bewegung: Die Luftteilchen schwingen hin und her. Trifft diese Bewegung auf ein poröses Gefüge, muss die Luft durch enge Kanäle hindurch, und an deren Wänden reibt sie. Diese Reibung ist der Mechanismus, mit dem poröse Absorber arbeiten — sie entziehen dem Schallfeld Bewegungsenergie und geben sie als Wärme ab. Wie stark sie das tun, hängt daran, wie schwer die Luft es hat. Genau das misst der Strömungswiderstand, und zwar mit einer stationären oder langsam wechselnden Strömung statt mit Schall, was das Verfahren erheblich einfacher macht als eine akustische Messung.

Drei Größen tragen denselben Namen und werden ständig verwechselt. Die Grundgröße ist der Strömungswiderstand R einer konkreten Probe: der Druckabfall geteilt durch den Volumenstrom, in Pa·s/m³. Weil dieser Wert von der Probenfläche abhängt, wird er auf die Fläche bezogen und heißt dann spezifischer Strömungswiderstand Rs, in Pa·s/m — das ist der Wert, mit dem dünne Lagen wie Bespannstoffe, Vliese und Gewebe beschrieben werden. Wird er zusätzlich auf die Dicke bezogen, entsteht der längenbezogene Strömungswiderstand r in Pa·s/m², im deutschsprachigen Raum oft mit Ξ bezeichnet; er ist eine reine Materialeigenschaft und der Kennwert für dicke poröse Stoffe wie Mineralwolle, Melaminharzschaum oder Holzfaser.

text Rs = r · d

Rs = spezifischer Strömungswiderstand der Lage in Pa·s/m r = längenbezogener Strömungswiderstand des Materials in Pa·s/m² d = Dicke der Schicht in m

Die Beziehung erklärt, warum die Verwechslung so folgenreich ist: Ein Datenblattwert ohne Einheit oder ohne Dickenangabe ist nicht interpretierbar. Für die Praxis heißt das, bei Stoffen nach Pa·s/m zu fragen und bei Dämmstoffen nach Pa·s/m² — und im englischen Sprachraum darauf zu achten, dass dort statt Pascalsekunden je Meter häufig die Einheit rayl steht — im heute üblichen MKS-System derselbe Zahlenwert, nur anders benannt.

Der zweite Grund, warum diese Größe so nützlich ist, liegt in einem Vergleich. Der spezifische Strömungswiderstand hat dieselbe Einheit wie die Schallkennimpedanz der Luft, die bei Zimmertemperatur bei rund 413 Pa·s/m liegt. Damit lässt sich einordnen, was ein Zahlenwert bedeutet: Ist der Widerstand einer Lage klein gegen diesen Bezug, stört sie das Schallfeld kaum und ist akustisch nahezu transparent. Liegt er in derselben Größenordnung, greift die Lage spürbar ein und wirkt selbst absorbierend. Liegt er weit darüber, verhält sie sich zunehmend wie eine geschlossene Fläche und reflektiert.

Daraus folgt der wichtigste Punkt für die Auslegung: Es gibt für einen porösen Absorber ein Optimum und kein „je mehr, desto besser". Ist der längenbezogene Widerstand zu klein, läuft die Luftbewegung durch das Material hindurch, ohne genug Reibung zu erfahren. Ist er zu groß, wird die Welle schon an der Oberfläche zurückgeworfen und dringt gar nicht erst in die Tiefe vor, wo sie ihre Energie abgeben könnte. Dass sich dieser Zusammenhang überhaupt aus einer einzigen Größe abschätzen lässt, geht auf M. E. Delany und E. N. Bazley zurück, die 1970 am britischen National Physical Laboratory Messreihen an Faserdämmstoffen auswerteten; ihre Näherung ist bis heute der Standardweg dafür.

Häufiges Missverständnis

Der verbreitetste Irrtum ist der Schluss vom Aussehen auf die Akustik. Ein Stoff, durch den Licht scheint, gilt als offen, ein dichter, schwerer Stoff als akustisch undurchlässig — beides trifft nur zufällig zu. Sichtbarkeit hängt an der Größe und Verteilung der Öffnungen, der Strömungswiderstand an ihrer Zahl, ihrer Enge und der Weglänge hindurch. Feinporige, blickdichte Gewebe können erstaunlich offen sein, und ein locker wirkender, aber beschichteter Stoff kann dicht sein.

Als Zweites gerät die Rohdichte. Weil schwerere Mineralwolle oft dichter gepresst ist, gilt sie als der bessere Absorber. Der Zusammenhang ist aber nur lose: Zwei Produkte gleicher Rohdichte können je nach Faserdurchmesser und Bindung deutlich verschiedene Strömungswiderstände haben, und ab einem gewissen Punkt kehrt sich die Wirkung um, weil das Material zu dicht wird. Die Rohdichte ist ein brauchbarer Anhaltspunkt beim Einkauf und kein Ersatz für den Kennwert.

Nicht zu verwechseln mit

Absorptionsgrad α: Das Ergebnis eines Aufbaus, gemessen nach ISO 354 und abhängig von Dicke, Wandabstand und Abdeckung. Der Strömungswiderstand ist eine der Ursachen dahinter.
Schallkennimpedanz: Eine Eigenschaft des Mediums aus Dichte und Schallgeschwindigkeit. Sie hat dieselbe Einheit wie der spezifische Strömungswiderstand und dient hier nur als Bezugsgröße.
Rohdichte: Kilogramm je Kubikmeter, ein Materialkennwert für den Einkauf. Er korreliert mit dem Strömungswiderstand, ersetzt ihn aber nicht.
Luftdichtheit der Gebäudehülle: Eine bauphysikalische Größe zu Lüftungswärmeverlusten. Andere Frage, anderes Messverfahren.

In der Planung

Vor einer Absorberfläche soll eine durchgehende Stoffbespannung sitzen, und der Innenarchitekt hat drei Muster vorgelegt.

Zuerst zu bestimmen ist die Aufgabe der Fläche. Soll sie nur Technik verbergen, ist jeder Widerstand ein Verlust und der offenste Stoff der richtige. Soll sie zugleich Erstreflexionen aufnehmen, darf der Stoff ein wenig mitwirken — dann ist ein mittlerer Widerstand kein Fehler, sondern ein Beitrag. Beides zugleich in derselben Fläche zu wollen, führt zum Kompromiss, den man besser bewusst schließt als übersieht.

Danach erst das Verfahren: Datenblattwert erfragen, und wenn er fehlt — was die Regel ist —, den Puste-Test als grobe Vorauswahl nutzen und die verbleibenden Muster im Aufbau probieren, statt nach Optik zu entscheiden. Zuletzt kommen Farbe, Struktur und die Frage der Reinigbarkeit, die hier fachlich dazugehört: Eingelagerter Staub verändert den Strömungswiderstand über die Jahre und damit die akustische Eigenschaft der Fläche.

Verknüpfte Inhalte

Wie poröse Absorber arbeiten und warum der Wandabstand ihre Wirkung verschiebt, steht bei Absorption und Schallschnelle; wie ihre Wirkung beziffert wird, beim Absorptionsgrad. Warum tiefe Frequenzen andere Bauformen verlangen, erklärt der Bassabsorber. Warum die Rohdichte beim Einkauf trotzdem die Zahl ist, die auf dem Datenblatt steht, klärt ihr eigener Eintrag. Die Anwendung auf Gewebe behandelt die Seite zur akustisch wirksamen Stoffbespannung, das Gewebe vor der Bildfläche der Eintrag zur akustisch transparenten Leinwand. Die Bezugsgröße für die Einordnung von Zahlenwerten liefert die Schallkennimpedanz.

Quellen

Definition und Messverfahren folgen ISO 9053, der Zusammenhang zum akustischen Verhalten poröser Materialien der Arbeit von Delany und Bazley sowie der genannten Fachliteratur. Absorptionsgrade, die zum Vergleich herangezogen werden, entstehen nach ISO 354 und gelten für den gemessenen Aufbau.