Simulation Ton und Stil in Großraumbüros in Einklang bringen

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Gespräche und Anrufe am Arbeitsplatz sind in Großraumbüros in der Regel ein Störfaktor. Um die akustischen Bedingungen am Arbeitsplatz zu verbessern, modelliert das Schweizer Beratungsunternehmen Zeugin Bauberatungen, wie sich der Schall in Bürogebäuden ausbreitet und analysiert spezifische Designänderungen, um eine passende Lösung zu finden.

Akustikingenieure können ebenso wie Komponisten dazu beitragen, die Wirkung von Schall auf das menschliche Ohr zu gestalten. Auch wenn die Geräusche des Alltags vielleicht nicht so bewegend sind wie eine Symphonie, kann die Akustik eines Raums einen tiefgreifenden Einfluss auf die Menschen in ihm haben. Viele moderne Büros sind als Großraumbüros angelegt, was bedeutet, dass es nur eine minimale physische Trennung zwischen den einzelnen Arbeitsplätzen gibt. Die Vermeidung aller Gespräche in Großraumbüros ist weder möglich noch notwendig, aber durch die Beachtung der akustischen Bedingungen am Arbeitsplatz können die Gespräche anderer weniger störend sein.

Geräuschkulisse dank Multiphysik besser verstehen

Zur Feinabstimmung der Geräuschkulisse im Arbeitsalltag verwendet das Schweizer Beratungsunternehmen Zeugin Bauberatungen die Software Comsol Multiphysics, und trifft damit Vorhersagen, wie sich der Schall in einem geplanten Raumdesign ausbreiten wird. Präzise Modelle der akustischen Effekte ermöglichen es dem Team von Zeugin, praktische Verbesserungen vorzuschlagen, die gleichermaßen angenehm für Ohr und Auge sind.

„Große schallabsorbierende Barrieren können dem Einrichtungskonzept widersprechen, da sie den Raum optisch überladen“, sagt Thomas Zeugin, Gründer und Geschäftsführer von Zeugin. „Unsere Simulationen helfen uns, Optimierungsansätze vorzuschlagen, die mit den Vorstellungen der Architekten harmonieren und gleichzeitig die akustische Arbeitsumgebung der Mitarbeiter verbessern.“

Simulationsgestütztes Design für weniger Ablenkung

Durchdachte Entscheidungen bei der Inneneinrichtung können die Klangqualität eines Raums erheblich verbessern. Bei der Optimierung der Akustik am Arbeitsplatz bedeutet eine Verbesserung der Klangqualität vor allem, dass Sprache weniger verständlich wird. Ein dumpfes Stimmengewirr ist einfach weniger störend als eine klare und deutliche Unterhaltung.

Die Schallwellen der verständlichen menschlichen Sprache befinden sich in einem bestimmten Frequenzbereich. Zeugin hat eine Fallstudie zur Bauakustik verfasst, die erklärt, dass die Grundfrequenz von Stimmen während eines Gesprächs typischerweise zwischen 100 Hz und 250 Hz liegt. Wenn wir Wörter formen, verursachen bestimmte Bewegungen unserer Kehlen und Münder Frequenzänderungen. Konsonanten haben beispielsweise einen eigenen Frequenzbereich von 250 Hz bis 8 kHz. Die Veränderung von Schallwellen in diesen Bereichen kann dazu beitragen, Sprache weniger verständlich zu machen - und damit weniger ablenkend.

Die Tabelle in Abbildung 2 zeigt drei Indikatoren für die Sprachverständlichkeit sowie Bereiche, die (von links nach rechts) mit besseren akustischen Bedingungen einhergehen. Das Zeugin-Team erstellt mithilfe der Comsol-Software Modelle möglicher Raumdesigns, mit denen es die Werte für diese und andere relevante Messgrößen vorhersagen kann.

Comsol auf dem Konstruktionsleiter-Forum 2023

Comsol ist Partner des zweiten Konstruktionsleiter-Forums, zu dem konstruktionspraxis am 19. Oktober nach Würzburg einlädt. Ziel der Veranstaltung ist es, Konstruktions- und Entwicklungsleiter zu sensibilisieren für die Herausforderungen der Produktentwicklung des 21. Jahrhunderts sowie Lösungen aufzuzeigen. Dazu gehören praxisorientierte Tools und Methoden, um innovative Ideen strukturiert zu entwickeln und den Produktentstehungsprozess so schlank und effizient wie möglich zu gestalten.

In einem Workshop wird Comsol näher auf seine Lösungen rund um die mathematische Modellierung eingehen. Das Flaggschiffprodukt Comsol Multiphysics wird in allen Bereichen des Ingenieurwesens, der Fertigung und der wissenschaftlichen Forschung zur Modellierung multiphysikalischer Systeme eingesetzt – um Produktdesigns und Prozesse zu verstehen, vorherzusagen, zu verbessern und zu optimieren. Im Workshop erleben Teilnehmer eine Live-Demonstration einer multiphysikalischen Analyse, die den unmittelbaren Nutzen der Simulation für die Produktentwicklung aufzeigt. Außerdem erfahren sie, wie die bereitgestellte Comsol-Testversion optimal im Alltag eingesetzt werden kann. Ihre Arbeit nutzen können. Der Workshop ist die ideale Gelegenheit, Ihre Konstruktionsprojekte auf das nächste Level zu heben.

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Berechnung von Schallwegen und Schalldämmmaßen

Da er sich beruflich mit der Orchestrierung von akustischen Effekten beschäftigt, ist es keine Überraschung, dass Thomas Zeugin auch ein ausgebildeter Musiker ist. „Ich habe ein Musikstudium in Gitarre an der Swiss Jazz School in Bern abgeschlossen, bevor ich mit meinem Vater ein Ingenieurbüro gegründet habe“, erklärt er. „Durch meine musikalische Ausbildung habe ich mich von Anfang an stark für die akustische und klangliche Optimierung von Räumen und Gebäuden interessiert.“

Natürlich beruhen Zeugins Analysen auf weit mehr als nur auf seinem gut geschulten Gehör. „Der erste Schritt ist eine grobe statistische Berechnung auf der Grundlage der Eyringschen Formel für die Nachhallzeit des zu untersuchenden Raums. Nachdem wir detailliertere architektonische Pläne der Inneneinrichtung erhalten haben, können wir ein 3D-Modell in Comsol erstellen“, erklärt er.

„Sobald wir ein Modell des Raums haben, können wir mithilfe der Strahlenakustik Berechnungen durchführen, um diese wichtigen raumakustischen Größen zu ermitteln. Wir verwenden auch das Interface Acoustic Diffusion Equation im Add-On Acoustics Module“, fährt Thomas fort. „Damit können wir die Übertragungen über sekundäre Schallwege und die Schalldämmmaße von Raumteilungskomponenten berechnen. Wir können dann simulieren, wie diese Faktoren die akustischen Bedingungen in dem modellierten Raum beeinflussen.“

Akustiksimulation

Perfekter Sound im Heimkino dank FEM

Auswirkungen von Schallschutzmaßnahmen

Die oben erwähnte Fallstudie ist ein aufschlussreiches Beispiel dafür, wie Zeugin die Simulation zur Lösung von realen Designproblemen einsetzt. Dieses spezielle Projekt, das sich auf ein Bürogebäude in der Schweizer Stadt Ostermundigen konzentrierte, umfasste die Analyse der Schallausbreitung in einem großen offenen Raum. Der ursprüngliche Entwurf des Raums (Abbildung 3) sah mehrere gemeinsam genutzte Arbeitstische, eine breite Fensterwand, einen doppelschichtigen Boden und eine Betondecke mit hängenden Akustikpaneelen vor. Weitere Materialien und Einrichtungsgegenstände mussten noch ausgewählt werden.

„Unsere Simulation zeigt, dass sich die durch Sprache erzeugten tieffrequenten Schallwellen, wenn keine Maßnahmen zu ihrer Abschwächung getroffen werden, ungehindert im ganzen Raum ausbreiten können“, sagt Thomas. „Wir können aus unserer Simulation einen Wert für den Ablenkungsabstand ableiten, der zeigt, dass sich störende Sprachpegel bis zu 12 Meter von der Quelle entfernt ausbreiten können.“ Diese und andere Metriken ordnen die Akustik dieses Raums nach der Definition in Abbildung 2 in die Kategorien schlecht bis moderat ein.

Glücklicherweise können die akustischen Bedingungen durch die strategische Platzierung von architektonischen Elementen verbessert werden. Abbildungen 4 a und 4 b zeigen die Auswirkungen von zwei spezifischen Designänderungen: Die Installation von schallabsorbierenden Vorhängen über den Fenstern und die Aufhängung von zwei Schaumstoffpaneelen mit einem eingelassenen Stahlblech nahe der Mitte des Raums.

Die Vorhänge bringen den gesamten Raum in den „moderaten“ Bereich von Zeugin, und die hängenden Paneele vergrößern den Raumabschnitt mit „guten“ akustischen Arbeitsbedingungen erheblich. „Absorbierende Materialien können helfen“, sagt Zeugin, „aber den größten Nutzen sehen wir in hoch angebrachten Barrieren, die die Wege der Schallwellen direkt unterbrechen.“

Bei den von ihm beschriebenen vorteilhaften Barrieren handelt es sich jedoch um große Paneele in der Mitte des Raums und nicht um Trennwände zwischen den einzelnen Schreibtischen. Solche Abtrennungen bieten den Mitarbeitern zwar visuell ein Gefühl von Privatsphäre, aber akustisch gesehen „reduzieren Trennwände zwischen den Arbeitsplätzen den Schallpegel nur um 2-3 dB“, so Zeugin. Durch die Bereitstellung datengestützter Analysen, die weit verbreiteten Irrglauben über Schall entgegenwirken, kann die Simulation den Kunden von Zeugin dabei helfen, eine akustisch effektivere Inneneinrichtung zu entwerfen.

Simulation

„Multiphysik ist wie eine Kristallkugel“

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