Koerperschallisolation

(---> Trittschall, Fundamentschwingungen, Bodenschwingungen...)

Stelle ich meine Boxen bzw. HiFi Geräte auf Spikes oder auf Gummifüße ?
Welche Elemente, die man käuflich erwerben kann, sind die besten ?

Wohl nirgends im HiFi Bereich wird soviel Voodoo propagiert und verkauft (abgezockt) wie in diesem Themenbereich, teilweise unter Aufstellung geradezu abenteuerlicher Theorien.

Da ich beruflich als Ingenieur beim größten Schwingungsmaschinehersteller Europas tätig bin und mich regelmäßig sehr ernsthaft mit diesem Thema befasse, erlaube ich mir hiermit ein 6- Urteil über den Unfug zu fällen, der in vielen HiFi Zeitschriften verbreitet wird.

In der harten Realität sieht das so aus, dass z.B. eine 60 tonnen schwere Schwingungsmaschine mit 16 Hz bei einer Amplitude von 4mm schwingt; das Gerät hat dabei eine schwingende Fläche von 41 m². Was also tun, damit die Umgebung nicht bebt ? Das Problem ist lösbar, aber der Rechenansatz muss stimmen.

Was steckt also dahinter ?

A-Der Boden des Hörraums ist steif, fest, und unnachgiebig:
--->Geräte fest ankoppeln

Liegt der Hörraum ebenerdig und ist nicht unterkellert, dann macht es Sinn die Geräte, also Boxen und Geräte möglichst fest an den Boden anzukoppeln, um sie möglichst ruhig zu bekommen. Die Geräte werden in diesem Fall nur vom Luftschall angeregt und können dadurch ruhiggestellt werden, indem man sie möglichst steif und unnachgiebig an das nichtschwingende Fundament ankoppelt.

Ankoppeln - wie macht man das ?

Dafür geeignet sind pro Gerät oder Box drei Spikes. Aber garantiert nicht, wenn die Unterseite des Spike mit Filz, Gummi oder sonstigem weichem Material beschichtet ist.  

Der ideale Spike hat an der Unterseite drei kleine Spikes, die Ihrerseits auf dem Boden eine stabile Dreipunktauflage schaffen. Außerdem hat der Ideale Spike
eine Kontermutter im Nivelliergewinde, um das Gewindespiel festzusetzen.
Einen solche Spike gibt es meines Wissens nicht zu kaufen, den muss man selbst bauen. Wer einen Dreher kennt, kann sich solche Gebilde anfertigen lassen.

Ich bevorzuge jedoch statt Spikes Kugellagerkugeln mit ca. 30mm Durchmesser, die in ein stramm passendes Stück Gummischlauch geschoben werden damit die Box nicht wegrollt. Damit es scharf aussieht, kann man durchsichtigen Gardena Schlauch verwenden. Die Länge des Schlauchstücks macht man geringfügig kürzer wie den Kugeldurchmesser. So wird Box und Boden nicht ruiniert, und der Ankoppeleffekt ist derselbe.

B-Der Boden des Hörraums ist weich, federnd, und nachgiebig:
--->Geräte entkoppeln

Speziell in Altbauten häufig ein Problem: Der Fußboden ist sehr nachgiebig.
Wenn man auf dem Boden sitzt und eine andere Person läuft durch den Raum, so federt der Boden auf einer bestimmten Biegeeigenresonanzfrequenz mit.
Hier wäre es genau verkehrt, die Geräte anzukoppeln. Das Gegenteil ist erforderlich: Die Geräte müssen entkoppelt werden, sonst regt die Box den Boden zum schwingen an, und der Boden wiederum den Plattendreher oder den CD-Spieler oder das System der empfindlichen Eingangsröhre im Verstärker....
und aus präzisem Bass wird Mulm.

Um Schwingungsübertragung durch Körperschall zu vermeiden, müssen die
Geräte idealerweise so weich verlagert werden, dass die Eigenresonanzfrequenz des Systems Gerät / Verlagerungsfeder <= 5 Hz ist.  Warum gerade 5 Hz ?
Das liegt daran dass die Resonanzfrequenz des Fußbodens selbst im Altbau bei etwa 8 bis 12 Hz liegt. Liegt die Eigenresonanz des Systems Gerät / Verlagerungsfeder bei etwa der Hälfte, ist der Grad der Schwingungsübertragung bereits recht gering.

Wer scharf nachdenkt, kennt dieses Prinzip von manchen Plattendrehern (z.B. Thorens) : Deren inneres Chassis ist so weich verlagert ,dass es mit etwa 5 Hz hin- und herwabbelt wenn man es anstupst. Wenn der Untergrund eines solchen Plattenspielers hektisch schwingt, bleibt das Innenchassis auf Grund seiner Massenträgheit ruhig, da es so weich verlagert ist.

Und genau dieses Prinzip ist die Ideale Methode, um das Thema Körperschallisolation ohne Voodoo aber mit Berechnung in den Griff zu bekommen.

B1-Einfache Körperschallisolation



Die Resonanzfrequenz eines einfachen Feder / Masse Schwingsystems errechnet sich zu :

(1)            f res = (1/(2*Phi)) * wurzel (c1/m1)

wobei

f res = Resonanzfrequenz (Hz)
m1 = Gerätemasse (kg)
c1 = Federkonstante aller Federn zusammen (N/m)

Die erforderlich Federkonstante ist also:

(2)            c1 = m * (2 * Phi * f res) ^ 2

Beispiel:

Box wiegt 30 kg, gewünschte Resonanzfrequenz 5 Hz.

c1 = 30 * (2 * 3,14 * 5) ^ 2
c1 = 29580 N/m = 29,6 N/mm
Also sollte die Box auf vier Gummipuffern oder Federn stehen, von denen jede eine Federkonstante von 29,6 /4 = 7,4 N/mm hat.

Wieviel federt die Box statisch ein, wenn wir sie auf die Federn draufstellen ?

Die Box hat eine Gewichtskraft von 30 kg * 9,81 kg*m/s² = 294 N und die Federn zusammen eine Konstante von 29,6 N/mm. Einfederung : 294 N / 29,6 N/mm = 10mm. Also nicht wundern: Diese Federn sind echt weich und das muss auch genau so sein. Damit die Sache stabil steht, sollte man eine möglichst breite Basis wählen.

Wer jetzt nicht mit Federn, sondern mit Squash Bällen oder Tennisbällen experimentieren möchte, die ja keine definierte Federkonstante haben
(Sie können ja bei Intersport mal fragen : Ich hätte gerne Squash Bälle mit einer Federkonstante von je 7,4 N/mm....) dem sei folgendes angeraten:

Wer die Gleichungen oben genau durchleuchtet kommt schnell zu dem Schluss dass, egal wie schwer jetzt die Box ist oder welche Federkonstante die Bälle haben folgender Zusammenhang gilt: Wenn die Bälle um etwa 10mm einfedern
wenn man die Box draufstellt, dann hat das System eine Eigenresonanz von etwa 5 Hz und ist somit ausreichend isoliert.

Es ergibt sich folgende einfache Faustformel:

(3)            f res = 15,8 / wurzel (s stat)

f res = Resonanzfrequenz (Hz)
s stat = Statische Einfederung (mm)



B2-Körperschallisolation zweiter Ordnung




Stellen wir uns nun folgendes System vor:

Eine 30 kg schwere Box steht auf 4 Gummipuffern des Typs 7,4 N/mm N/mm auf einer dicken Marmor- oder Stahlplatte, die etwa das doppelte der Box wiegt.
Diese ISOLIERMASSE wiederum steht auf 12 Gummipuffern des Typs 7,4 N/mm. Das ganze ZWEIMASSENSYSTEM wiegt also zusammen 90 kg, was schon eine prickelnde Angelegenheit ist. Was haben wir damit erreicht ? vereinfacht gesagt, die Schwingungsisolationswirkung der beiden hintereinandergeschalteten Feder / Masse Systeme multipliziert sich. Der Erfolg ist ziemlich kompromisslos und praktisch nicht zu überbieten, ein solches System ist einfach nicht aus der Ruhe zu bringen.

Und hier sind wir wieder beim ganz am Anfang erwähnten Beispiel: Die 60 tonnen schwere Schwingungsmaschine wird auf eine 120 tonnen schwere Isolationsmasse gestellt, die Ihrerseits wiederum weich verlagert ist. Und zwar auf 48 Gummipuffern mit 250mm Durchmesser die statisch um 10mm einfedern. Und schon ist Ruhe.

Wie berechnet man nun die beiden Eigenresonanzfrequenzen eines solchen Zweimassenschwingers ? Das ist nicht mehr ganz trivial; der Zweimassen- schwinger gehorcht folgender Formel (4):

Abb. 3



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Aber nicht erschrecken, gehen Sie wie folgt vor:

-Gewicht m1 der Box ermitteln (Personenwaage)
-Vier passende Federelemente wählen, die etwa 10mm einfedern
-Gegenschwingmasse m2 mit 2x Gewicht der Box festlegen
-Zwölf derselben Federelemente unter die Gegenschwingmasse setzen
-f1 und f2 nach Formel (4) nachrechnen. Am besten mit Excel.

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Beispiel zum nachrechnen:

m1        30 kg
c1        29600 N/m
m2        60 kg
c2        88800 N/m
f1        7,7 Hz
f2        4,0 Hz

B3-Korkmatten, Noppenmatten, Wunderfüsse....

Egal wie teuer und wie exotisch die Voodoo Elemente sind:
Durch eine zu harte Verlagerung erreicht man, dass das Feder/Masse System eine Resonanzfrequenz aufweist, die im Nutzfrequenzbereich liegt, mit dem Resultat dass in der Nähe dieser Frequenz der Bass dröhnt.
(-->Verschlimmbesserung)
Eine alleinige Betrachtung des Isolationselements ist physikalischer Unfug, da jedes Isolationselement nur im Zusammenhang mit einer bestimmten Masse auch  wirklich isoliert.

Fazit: Squashbälle sind in der Anzahl variabel und bezahlbar.
Optisch schöne Isolationsmassen kann man sich bei einer Gießerei aus Grauguß fertigen lassen (Dichte 7,0 kg/dm³), oder beim Steinmetz aus Granit, oder aus Beton selbst gießen, oder Sand in eine Holzkiste füllen ... der Kreativität sind keine Grenzen gesetzt und der Erfolg ist handelsüblichem Voodoo haushoch überlegen.

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07/2009 J. Wankmiller