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Schallschutzprüfungen in Gebäuden auf Basis von DASYLab

Projekt: Masterarbeit von Boris Ndimubanzi im Studiengang Elektrotechnik an der Hochschule Bonn-Rhein-Sieg
Bereich: Informatik / Autonome Systeme
Anforderung: Schallschutzprüfungen in Gebäuden
Umsetzung: Hardware:Mikrofon (PCB130E20); Messwerterfassung: Measurement Computing (DT9832A) ; Software DASYLab

System für Schallschutzprüfungen in Gebäuden auf Basis von DASYLab

In der Bauakustik ist Schalldämmung die Fähigkeit von Bauwerken, den Pegel von ein- oder ausgehenden Geräuschen zu dämpfen. Dies ist eine wichtige Eigenschaft für das Wohlbefinden und den Komfort der Gebäudebewohner, daher gibt es in vielen Ländern Vorschriften, die für verschiedene Gebäudetypen wünschenswerte Schalldämmwerte festlegen. Es ist dann üblich, Schallschutzprüfungen durchzuführen, um festzustellen, ob die Gebäudekonstruktionen diesen Vorschriften entsprechen.
Die Prüfung besteht darin, ein Testsignal mit bekannten Eigenschaften zu erzeugen, es über einen Lautsprecher abzustrahlen, das resultierende Schallfeld in Prüfräumen auf beiden Seiten von Gebäudekonstruktionen zu messen und dann zwei akustische Parameter zu berechnen: den Schalldruckpegel (SPL) und die Nachhallzeit.
Aus den berechneten Parametern können drei Deskriptoren abgeleitet werden, um die Schalldämmfähigkeit der zu prüfenden Gebäudestruktur zu quantifizieren. Es gibt viele Methoden, mit denen diese Deskriptoren abgeleitet werden können, eine der robustesten Methoden ist die aus der in den Prüfräumen gemessenen Raumimpulsantwort. Diese Methode ist unempfindlich gegen Rauschen und ermöglicht präzise Ergebnisse auch unter Bedingungen mit schlechtem Signal-Rausch-Verhältnis.

Boris1 Testaufbau deAbb. 1: Verbindungen der SystemkomponentenEin System für Schallschutzprüfungen in Gebäuden besteht aus verschiedenen Hauptkomponenten, die miteinander interagieren müssen: den I/O-Geräten, um Signale zu erfassen (Mikrofon) und auszugeben, also Testsignale zu erzeugen (Signalgenerator), eine Analyseeinheit, um die erfassten Daten zu verarbeiten, und die Schallschutzdeskriptoren abzuleiten, und einer Benutzeroberfläche, um das System zu steuern und die Analyseergebnisse zu visualisieren.
Die Wahl für die Umsetzung des Systems fiel auf DASYLab, da es dank seiner konfigurierbaren Drag&Drop-Module mit geringem Aufwand das genutzte Datenerfassungsgerät integrieren konnte. Mit seiner Python-Schnittstelle ermöglichte DASYLab den Datenaustausch mit der in Python implementierten Analysekomponente, die von leistungsfähigen Python-Bibliotheken wie NumPy und SciPy für numerische Analysen profitierte. DASYLab bot auch eine einfache Möglichkeit, eine GUI mit den konfigurierbaren eingebauten Anzeigen und Steuerelementen zu erstellen und anzupassen.
Das System ist in Abbildung 1 dargestellt. Die Abbildung 2 zeigt den Standardaufbau einer Schallschutzmessung in Gebäuden.

Systembeschreibung

Boris2 Testaufbau deAbb. 2: Standardsetup GeräuschdämmungstestDas System besteht aus einem Datenerfassungsgerät DT9832A von MCC, einem Mikrofon PCB130E20 Klasse 2, einem Bluetooth-Lautsprecher und einem Dodekaeder-Lautsprecher. Mit DASYLab können problemlos das Mikrofonsignal über den eingebauten DT9832A-Treiber erfasst werden. Auch die Ausgabe des erzeugten Testsignals an den Lautsprecher erfolgt durch DASYLab über den integrierten Soundkartentreiber .

Schallschutzanalyse

Das implementierte Analyseverfahren leitet aus der in den Prüfräumen nach ISO 18233 gemessenen Raumimpulsantwort Schallschutzdeskriptoren ab. Zur Messung der Raumimpulsantwort wird ein Ansatz verwendet, bei dem ein exponentielles Sinus-Sweep-Signal erzeugt und in einem Raum wiedergegeben wird [1]. Ein exponentieller Sinussweep ist ein Sinussignal mit konstanter Amplitude, aber mit einer Frequenz, die exponentiell variiert. Um die Raumimpulsantwort zu messen, wird die Reaktion des Raumes auf den abgespielten Sweep aufgezeichnet und mit einem Inversfilter gefaltet, der eine auf der Zeitachse gespiegelte Kopie des exponentiellen Sinussweeps ist, und auf den eine Amplitudenmodulation angewendet wird.

Die Schallquelle ist im Quellraum platziert. Beim Versuch wird die Raumimpulsantwort sowohl im Quellraum als auch im Empfangsraum gemessen, und aus den gemessenen Impulsantworten werden die SPL-Differenzspektren zwischen den beiden Räumen und deren jeweilige Nachhallzeiten abgeleitet.

Aus der SPL-Differenz zwischen den beiden Räumen und ihren Nachhallzeitspektren werden die Schallschutz-Descriptoren berechnet. Diese Descriptoren sind Spektren, die die Schallschutzleistung bei verschiedenen Frequenzen quantifizieren. Es gibt drei durch die ISO 16283 definierte bauakustische Deskriptoren: den Schallschutzindex (𝑅′), die normierte Schallpegeldifferenz (𝐷𝑛) und die normierte Schallpegeldifferenz der Nachhallzeit (𝐷𝑛𝑇). Sie werden durch die folgenden Gleichungen definiert:
𝑅′=𝐷+10log(𝑆/𝐴⁄)
𝐷𝑛=𝐷+10log(𝐴/𝐴0⁄)
𝐷𝑛𝑇=𝐷-10 log (𝑇/𝑇0⁄)

Boris3 Signalverarbeitung de Abb. 3: Signalverarbeitungskette Dabei ist 𝐷 die SPL-Differenz zwischen Quell- und Empfangsraum ist und 𝑆 die Fläche der gemeinsamen Trennwand zwischen den beiden Räumen ist. 𝐴 und 𝐴0 sind die berechneten und referenzierten Absorptionsbereiche des Empfangsraums, 𝑇 und 𝑇0 sind die berechneten und referenzierten Nachhallzeiten.

Um die Schalldämmleistung von Gebäudestrukturen zu bewerten, werden die oben genannten Deskriptoren in Einzelzahlen nach ISO 717 umgewandelt. Die berechnete Schallschutzleistung wird dann mit der durch die Vorschriften definierten Nennleistung verglichen, um festzustellen, ob ein Verstoß gegen die Vorschriften vorliegt oder nicht.

Abbildung 3 veranschaulicht die Signalverarbeitung der Analysekomponente des Systems zusammen mit den entsprechenden Zwischenergebnissen.

 

Benutzeroberfläche

Boris4 DASYLab GUIAbb. 4: DASYLab BenutzeroberflächeIn DASYLab ist zur Konfiguration, Steuerung und Visualisierung der Schallschutz der Versuche eine grafische Benutzeroberfläche erstellt. Die erstellte GUI ist in Abbildung 4 dargestellt.

Experimentelle Anwendung

Das Hauptergebnis des Systems ist die Berechnung der Einzelzahlen zur Bewertung der Schallschutzleistung des zu prüfenden Bauwerks und der Vergleich der berechneten Werte mit den in der bauakustischen Richtlinie festgelegten Nennleistungen. Dieser Vergleich zwischen der berechneten und der erwarteten Bewertung ermöglicht es, Verstöße gegen die bauakustischen Vorschriften zu erkennen. Es ist möglich, die Messdaten und die berechneten Deskriptoren weiter zu analysieren, um nicht nur Verstöße zu erkennen, sondern auch die möglichen Ursachen für die Verstöße zu diagnostizieren.

Der Praxistest

Mit dem erstellten System wurde ein Experiment durchgeführt, um die Auswirkungen von Schlitzen und Löchern an den Gebäudestrukturen für Elektrogeräte auf die Schalldämmleistung zu untersuchen. Für einen Schlitz, der in einer Wand für eine Lampe angebracht ist, wurden die Schallschutzbeschreibungen für drei Szenarien berechnet:

  • Spalt ist leer
  • im Spalt wird eine Lampe inkl. Kabel befestigt
  • der Spalt ist mit Beton gefüllt

Die berechneten bauakustischen Beschreibungen und die Bewertungen der Schallschutzleistung für jedes dieser Szenarien sind in den folgenden Bildern dargestellt. Bei Verstößen gegen Vorschriften können die berechneten bauakustischen Deskriptoren zur weiteren Klassifizierung und Diagnose der Mängeltypen des zu prüfenden Bauwerks verwendet werden.

Boris5 Ergebnis a en
Abb. 5: Spalt leer

  

Boris6 Ergebnis b en
Abb. 6: Spalt mit Lampe

  

Boris7 Ergebnis c en
Abb. 7: Spalt mit Beton aufgefüllt

Zusammenfassung

Dieses Anwendungsbeispiel beschreibt ein System zur Prüfung der Schallschutzleistung von Gebäudestrukturen und zeigt, wie leicht DASYLab eingesetzt werden konnte, um die Aufgabe zu lösen. DASYLab ermöglicht eine direkte Anbindung an das DT9832A, das für die Erfassung der Mikrofondaten der PCB130E20 verwendet wird. Die in Python-Script umgesetzten Analysekomponenten profitieren von einer Reihe im DASYLab Script-Modul leicht einzubindender leistungsfähiger Python-Bibliotheken. Schließlich ermöglicht DASYLab eine schnelle Erstellung einer GUI zur Interaktion mit dem System und zur Visualisierung der Ergebnisse.

Referenzen:
[1] A. Farina, „Simultaneous measurement of impulse response and distortion with a swept-sine technique,“ in Audio Engineering Society Convention 108, 2000.