ISO 354: Akustik – Messungen von Schallabsorption in Hallräumen

Moin,

wie ich es schon einige Male hier und anderswo angedeutet habe, sind die Absorptionsgrade, die im Internet oder auf den Seiten von Herstellern angegeben werden, mit Vorsicht zu genießen, da sie nach einem Meßverfahren (ISO 354) ermittelt werden, das erwiesenermaßen keine reproduzierbaren und akkuraten Werte liefert. Die aktuelle Fassung der ISO 354 ist die Fassung von 2003, und diese wird, wie aus den nachstehenden Beiträgen von fachlich kompetenten Autoren in Fachzeitschriften und auf Fachtagungen deutlich wird, stark kritisiert. Trotz aller Kritik wurde diese Norm bisher nicht überarbeitet und verbessert.

Weiterhin werden nach dieser Norm die Absorptionsgrade bei zufälligem Schalleinfall gemessen, was lediglich erlaubt, Nachhallzeiten vorherzusagen bzw. zu berechnen. Messungen unter bestimmten Einfallswinkeln, wie sie für Absorber von Erstreflexionen wichtig wären, werden nicht gemacht. Eine akkurate Bestimmung des für eine bestimmte Pegeldämpfung notwendigen Absorbers ist also nicht möglich.



ISO 354: Akustik – Messungen von Schallabsorption in Hallräumen


1. Benedetto et al., “The effect of stationary diffusors in the measurement of sound absorption coefficients in a reverberation room: An experimental study”, Applied Acoustics 14 (1981), S.49-63

Der kürzliche eingebrachte Vorschlag zur Überarbeitung der ISO 354:1963 empfiehlt den Gebrauch von Diffusoren, wenn das abklingende Schallfeld unzureichend diffus ist, ohne jedoch weder die Bedeutung dieser Aussage noch den Unterschied zw. Messungen an verschiedenen Materialien mit und ohne Diffusoren zu erklären.


2. Halliwell, “Interlaboratory variability of sound absorption measurement”, J. of the Acoustical Society of America 72 (1983), S.880-886

ASTM standard

Die Reproduzierbarkeit der gemäß einem Standard erfolgten Messungen ist nicht besser als die von Messungen, die im Falle des A-Meßaufbaus von jedem Labor nach seinen eigenen Meßvorschriften durchgeführt werden. Die größere Variabilität bei einer Vergleichmessung zw. verschiedenen Laboren unter Benutzung des E-Meßaufbaus ist vermutlich den Einzelheiten der Konstruktion des Meßrahmens sowie der Tatsache, daß nur eine Probenposition vermessen wurde, zuzuschreiben.


3. Kob, “Vergleichbarkeit von Absorptionsgradmessungen im Hallraum”, Fortschritte der Akustik DAGA ‚95, S.339

Der Absorptionsgrad von Materialien liefert dem Akustiker einen wichtigen Hinweis auf die Wirkung von z.B. Baustoffen oder Möbeln im Schallfeld. Er ist definiert als der Quotient aus nicht reflektierter und einfallender Schallintensität. Der Absorptionsgrad ist sowohl von der Frequenz als auch vom Einfallswinkel abhängig.

Bereits die ersten Vergleichsmessungen [1960] zeigten, daß die Vergleichbarkeit von Absorptionsgradmessungen in Hallräumen sehr unbefriedigend ist. Doch auch die nach den aktuellen Fassungen der Normen ISO 354:1985 bzw. DIN 52212 :1961 in verschiedenen Hallräumen durchgeführten Absorptions-gradmessungen liefern nicht genügend vergleichbare Resultate.


4. Cops et al., “Sound absorption in a reverberation room: Causes of discrepancies on measurement results”, Applied Acoustics 46 (1995), S.215-232

Die am besten bekannte Technik zur Bestimmung von Absorptionsgraden ist die Messung im Hallraum mit zufälligem Schalleinfallswinkel. Obwohl die wichtigsten Einzelheiten des Meßverfahrens in ISO 354:1988 vorgeschrieben sind, ergeben Vergleiche zw. verschiedenen Meßlabors, und sogar innerhalb desselben Labors, große Unterschiede zw. den gemessenen Werten.

Das Meßverfahren ist sehr einfach und mangelnde Sorgfalt kann nicht der Grund für die großen Unterschiede bei mittleren und hohen Frequenzen sein. Im letzten Jahrzehnt hat die Meßapparatur eine derart hohe Genauigkeit erreicht, daß die Gründe für diese Unterschiede nicht bei der Apparatur zu suchen sind. Daher ist es offensichtlich, daß die Unterschiede auf das Schallfeld, welchem das Absorbermaterial ausgesetzt wird, zurückzuführen sind. Dies bedeutet, daß die Parameter wie die Konzeption des Meßraums, die Position der Probe, die Position von Schallquelle(n) und Mikrophon(en) verantwortlich für die Reproduzierbarkeit der Meßergebnisse sind. Obwohl die diesbezüglich wesentlichen Einzelheiten in der ISO-354 aufgeführt sind, in der Absicht, akkurate Ergebnisse zu erzielen, ist die Form des Meßraumes nicht ohne Einfluß auf die Meßergebnisse.

Eine Voraussetzung für die Anwendung der Technik der Hallraummessung ist die Anwesenheit eines diffusen Schallfeldes während der Messung. Eine der Annahmen ist die, daß das Schallfeld diffus ist. Selbst wenn dies beim leeren Hallraum zutrifft, so stört das Einbringen des zu untersuchenden Absorbermaterials diese Diffusität wobei das Ausmaß der Störung stark vom Material abhängt. Eine Abweichung von der idealen Diffusität wird die Meßergebnisse beeinflussen.

Aus jüngsten Erfahrung auf diesem Gebiet wird deutlich, daß die Vorschriften zur Berechnung der Absorptionsgrade aus Hallraummessungen strenger sein müssen, um die Unterschiede der Meßergebnisse innerhalb der Räume zu verringern.


5. De Godoy et al., “A study of the influence of mounting conditions on the measured sound absorption in laboratory tests of suspended ceilings (L)”, J. of the Acoustical Society of America 119 (1), Januar 2006, S.33-36

Das von der Halterung der zu messenden Materialprobe eingenommene Volumen beträgt ungefähr 1.6 % des Volumens des Hallraums. Die Berechnung des Absorptionsgrads nach ISO 354:2003 berücksichtigt diese Volumenänderung dadurch nicht, daß für die Berechnung das Volumen des leeren Raums in die Gleichungen eingesetzt wird. Es leuchtet ein, daß dieser Unterschied den Wert des berechneten Absorptionsgrades ändern kann.


6. Sauro et al., Absorption coefficients – part 2 : is edge effect more important that expected ? », Internoise 2009, 23.-26. August 2009, Ottawa, Kanada

Es wurde beobachtet, daß die Kanten der Materialprobe einen signifikanten Einfluß auf den Absorptionsgrad hatten. Bei Befragung von Leuten aus der Industrie dahingehend, wie die Tatsache zu erklären sei, daß unterschiedlichen Standards zu unterschiedlichen Meßergebnissen führen, wurde angegeben, daß der Kanteneffekt dafür verantwortlich sei. Dies war ebenfalls der Grund, der angegeben wurde, wenn Absorptionsgrade oberhalb von 1 gemessen wurden. Auf die Frage, was der Kanteneffekt eigentlich sein, wurde in keinem Fall eine sinnvolle Antwort erhalten oder eine, die konsistent war von einem Befragtem zum anderen.

Aus den Daten wird wiederum deutlich, daß der Kanteneffekt eine größere Bedeutung hat als vormals angenommen. Er kann zu einer wesentlich höheren Absorption einer Materialprobe führen als die auf die pure Probenoberfläche basierte Berechnung ergeben würde. Der Autor ist daher der Meinung, daß die Berechnungen nach ASTM-C423 und ISO-354 im besten Fall inakkurat sind.


7. Andersson, “European Round Robin Test for sound absorption measurements”, Internoise 2010, 13.-16. Juni 2010, Lissabon, Portugal

Es ist aus früheren Vergleichstests bekannt, daß die Meßunsicherheit bei Messungen von Schallabsorptionsgraden zu schlechter Reproduzierbarkeit der Ergebnisse der verschiedenen Meßlabors untereinander führt.


8. Vercammen, “Improving the accuracy of sound absorption measurement according to ISO 354”, International Symposium on Room Acoustics, 29.-31. August 2010, Melbourne, Australien

Die Bandbreite der Daten von unterschiedlichen Labors ist ebenfalls significant. Hersteller könnten bei dem Labor messen lassen, welches die höchsten Werte misst. Es ist zu erwarten, daß der Hauptgrund für diese große Bandbreite das nicht diffuse Schallfeld im Hallraum ist. Obwohl in ISO 354:2003(E) diesbezüglich eine Anstrengung gemacht wurde, ist das Schallfeld im Hallraum in Anwesenheit einer hochabsorbierenden Materialprobe nicht deutlich definiert, so daß die Bedingungen für die Anwendung der Sabine-Formel nicht erfüllt sind.


9. Lautenbach et al., “Volume Diffusors in the reverberation room”, 20th International Congress on Acoustics ICA 2010, 23.-27. August 2010, Sydney, Australien

Es ist bekannt, daß die Reproduzierbarkeit der Meßergebnisse von verschiedenen Labors untereinander nicht sehr gut ist. Dies führt dazu, daß Hersteller versuchen, die Labors zu finden, die für ihr Absorbermaterial den höchsten Absorptionsgrad messen,

Den erwähnten Standards ISO 354:2003, ASTM C423-09a zufolge soll das abklingende Schallfeld „ausreichend“ diffus sein. Eine „akzeptable“ Diffusität von Hallräumen wird gewöhnlich durch Diffusorpaneele erzielt, so die beiden Standards.

Der Begriff “Diffusität” ist in keinem dieser Standards definiert. Allgemein wird in den Standards ein Schallfeld dann als diffus angesehen, wenn die Energiedichte in allen Raumpositionen gleich groß ist. Diese Definition enthält kein Kriterium dafür, wann ein Schallfeld “ausreichend” diffus ist.

Die Tests für Diffusität in beiden Standards scheinen davon auszugehen, daß Diffusorpaneele, rotierend oder nicht, eine Notwendigkeit seien, um eine ausreichende Diffusivität zu erzielen, dies deswegen, weil lediglich Diffusorpaneele in das Testverfahren aufgenommen sind. Das Diffusitätstestverfahren ISO 354 A2 basiert darauf, daß solange Paneele hinzugefügt werden, bis ein maximaler Absorptionsgrad für eine Materialprobe erreicht ist. Das Erreichen eines Maximums muß jedoch nicht gleichbedeutend sein mit dem Erreichen des richtigen Wertes.


Außer dem fundamentalen Problem, daß ein Hallraum mit einer hochabsorbierenden Materialprobe einer bestimmten Größe nicht diffus ist, werden durch die Diffusorpaneele eine Anzahl von Meßunsicherheiten eingebracht. Auf Grund der Anwesenheit all dieser Paneele ist das akustischen Verhalten des Raumes viel komplizierter, und es ist nicht einfach, das wirkliche effektive akustische Volumen zu bestimmen, und auch nicht die totale Fläche der Raumbegrenzungsflächen. Ein Paneel kann eine Ecke des Raumes abdecken, oder ist eine Barriere innerhalb des Raumes. Es ist daher nicht einfach, das akustische Verhalten des Raumes vorherzusagen oder zu beschreiben, während gleichzeitig dieser Raum dazu benutzt wird, eine Materialkonstante zu bestimmen, die in Folge zur Vorhersage des akustischen Verhaltens von Räumen verwendet wird, die erst noch gebaut werden müssen.


10. D’Antonio et al., “The state of the art in the measurement of acoustical coefficients”, 161st Meeting Acoustical Society of America, Seattle, Washington, 23.-27. Mai 2011

Nach mehr als 100 Jahren kennen wir noch immer nicht den Absorptionsgrad eines Absorbers bei zufälligem Schalleinfallswinkel, und die heutigen Standards sind nicht adäquat und unterliegen intensiver Überarbeitung!



Acoustical Society of America

Acoustics’08 Paris

4aAAc3. Measurement uncertainty of the sound absorption coefficient. Anna Izewska, Building Research Institute, Warschau, Polen

Der Standard ISO/IEC 17025:2005 (Kompetenz von Test- und Eichlabors) verlangt, daß diese Labors Prozeduren zur Abschätzung der Meßunsicherheit ihrer Meßergebnisse anwenden. Eine der Möglichkeiten ist, die globale Unsicherheit unter Berücksichtigung aller Faktoren, die einen signifikanten Beitrag zum Endresultat liefern, abzuschätzen.
Im Falle der Messungen des Absorptionsgrades nach ISO 354:2003 wird die globale Unsicherheit vor allem durch die Nachhallzeiten T1, T2 sowie die Leistungsschwächungskoeffizienten m1, m2 beeinflußt, welche nach ISO 9613-1 berechnet werden und die Umgebungsbedingungen im Hallraum repräsentieren. Trotz des in Labors üblichen sehr kleinen Unterschiedes der Werte m1, m2, sorgt die Exponentialform der Funktion des Koeffizienten dafür, daß die Meßunsicherheit sehr schnell mit der Frequenz ansteigt. Insbesonders im Bereich hoher Frequenzen ist die Unsicherheit derart groß, daß eine Bestimmung des Absorptionsgrades praktisch unmöglich ist.


159th ASA Meeting/NOISE-CON 2010

1pAA2. Absorption coefficient error propagation into room acoustics parameters. Michael Vorländer, Inst. f. technische Akustik, RWTH Aachen

Es ist gut bekannt, daß die bei zufälligem Schalleinfallswinkel bestimmten Absorptionsgrade unter Meßunsicherheiten leiden. Ob diese Unsicherheiten die Qualität der Resultate von raumakustischen Modellen beeinträchtigen, hängt vom spezifischen Fall ab. Man könnte dahingehend argumentieren, daß die Absorption des am meisten relevanten Material genauestens bekannt sein muß. Dieses Material jedoch könnte das mit dem höchsten Absorptionsgrad sein, von dem die größten Oberfläche im Raum vorhanden ist. In diesem Vortrag werden die echten bei zufälligem Schalleinfall ermittelten Absorptionsgrade sowie auf die aktuelle ISO 354 bezogenen Meßunsicherheiten kurz erläutert. Um eine bessere Sicht auf die Konsequenzen dieser Unsicherheiten zu bekommen, werden in Folge die quantitativen Unsicherheiten einiger der im Modell vorhergesagten Parameter wie Nachhallzeit und Klarheit berechnet unter Zuhilfenahme der Methode der Fehlerfortpflanzung.


162nd Meeting: Acoustical Society of America 2011

2aAAb2. The sound absorption measurement according to ISO 354. Martijn Vercammen und Margriet Lautenbach, Niederlande

Messungen des Schallabsorptionsgrads von Baumaterialien wie z.B. akustischen Decken werden im Hallraum gemäß ISO 354 durchgeführt. Es ist bekannt, daß die Reproduzierbarkeit dieser Messungen von verschiedenen Meßlabors untereinander nicht sehr gut ist. Zu diesem Zeitpunkt sind die Unterschiede zw. den Labors größer als von praktischen und juridischen Standpunkten aus akzeptabel ist. Eine ISO-Arbeitsgruppe hat begonnen, die Möglichkeiten der Verbesserung des Verfahrens zu untersuchen. Auf Grund des unzureichend diffusen Schallfelds im Hallraum bei Anwesenheit der Materialprobe hat die Form des Raums sowie die Platzierung der Diffusoren einen Einfluß auf die Meßergebnisse. Ein Versuch wird durchgeführt, an dem 10 Meßlabors beteiligt sind, um Information über die Bandbreite zu erhalten, und um zu bestimmen, ob es möglich ist, diese Bandbreite durch Korrektur der mittleren freien Weglänge oder durch Vergleich mit einem Referenzmaterial zu senken. Zusätzliche Messungen wie z.B. Messungen mit Volumendifffusoren werden durchgeführt, um die Meßbedingungen zu verbessern. Mögliche Verbesserungen der ISO 354 werden vorgestellt. Diese bestehen aus einer Prozedur zur Qualifizierung von Meßlabors basierend auf der statistischen Variation der Nachhallzeit sowie auf Messungen mit einem Referenzabsorber.


2aAAb3. Diffusivity of diffusers in the reverberation room. Margriet Lautenbach, Niederlande

Der bei zufälligem Schalleinfall ermittelte Absorptionsgrad wird im Hallraum nach den Standards ISO354 oder ASTM C423-09 gemessen. Diesen Standards zufolge wird die Diffusität des Hallraums durch Diffusorpaneele erzielt. Außer dem fundamentalen Problem, daß ein Hallraum mit einer hochabsorbierenden Materialprobe einer bestimmten Größe nicht diffus ist, werden durch die Diffusorpaneele eine Anzahl von Meßunsicherheiten wie akustisch effektive Volumen sowie die totale Fläche der Raumbegrenzungsflächen. Die kann einer der Gründe dafür sein, daß einige Meßlabors in der Lage sind, Absorptionsgrade oberhalb von 1 zu messen, selbst wenn das Volumen der Materialrpobe, der Kanteneffekt, und die Absorption der durch die Probe bedeckten Oberfläche berücksichtigt werden. Um die Unterschiede der Meßergebnisse verschiedener Labors untereinander zu verringern, wird der mögliche Einsatz von Volumendiffusoren anstelle von Diffusorpaneelen untersucht. Die folgenden Kriterien werden untersucht, um die Hypothese zu unterbauen, daß Volumendiffusoren zu besseren Ergebnissen führen: 1) Abweichungen zw. Mikrophon-Schallquellenpositionen, 2) Vergleich der maximalen relativen Standardabweichung (ASTM), 3) Vergleich der theoretischen Varianz, 4) Einfluß der Plazierung der Materialprobe. Die Untersuchungen wurden an einem Modell im Maßstrab 1:10 durchgeführt.


2aAAb4. Measuring absorption: Bad methods and worse assumptions. Ronald Sauro, NWAA Labs

Von dem Tag an, als Sabine die Verwendung von absorbierendem Material zur Beeinflussung der Nachhallzeit beschrieben hat, haben Akustiker probiert, diesen Effekt zu quantifizieren. Standards wie C-423 und ISO 354 wurden entwickelt, um dabei behilflich zu sein. Diese Standards, die Absorptionsgrade zw. 0 und 1 beschreiben, haben sich als nicht geeignet herausgestellt, um die tatsächliche Absorption von Materialien vollständig zu beschreiben. Es ist nicht ungewöhnlich, Messungen mit resultierenden Absorptionsgraden oberhalb von 1 zu finden. Wenn dies geschieht, wird angenommen, daß der Absorptionsgrad andere Materialeigenschaften nicht berücksichtigt. Die bekannten Standards leiden weiterhin unter Verfahrensunzulänglichkeiten. Es wird nicht der gesamte Bereich der absorptiven Eigenschaften erfasst.