Biomimetische Akustik vom menschlichen Körper bis zu Bauwerken

Der menschliche Körper ist recht geschickt darin, seine eigenen inneren Geräusche zu verbergen. Unter normalen Bedingungen können wir unseren Herzschlag, den Blutfluss oder das Rumpeln des Verdauungssystems nicht hören – nur in extremer Stille (in einer speziellen schalltoten Kammer) kann man die „Symphonie“ der eigenen Organe hören. Ein Tester beschrieb es so: „Wenn Sie aufhören zu atmen, hören Sie Ihr Herz schlagen und das Blut durch Ihre Adern fließen“. Im Alltag werden diese Geräusche jedoch durch Gewebe-, Fett- und Flüssigkeitsschichten effektiv gedämpft.

Während Weichgewebe und Flüssigkeiten Schwingungen stark absorbieren und ableiten, bilden unser Brustkorb und unser Schädel harte Schalen , die den Schall reflektieren und blockieren (Experten für Ultraschallbildgebung stellen sogar fest, dass Fettgewebe eine sehr hohe Dämpfung der Schallwellen bewirkt). Die „Akustiktechnik“ des Körpers verhindert, dass innere Geräusche zu einer Ablenkung für das Gehör werden – eine Art eingebaute Schalldämmung.

Diese biologischen Strategien legen Analogien für die Architektur nahe: Wir können Geräuschquellen verbergen und dämpfen, geschichtete Materialaufbauten konstruieren und Struktur und Raum voneinander trennen – so wie der Körper Organe von unseren Ohren isoliert.

Genauso wie Organe mit flüssigkeits- und ölgefüllten Hohlräumen ausgekleidet sind, „verstecken“ Architekten mechanische Geräte in akustisch behandelten Kammern oder Kanälen. Große Maschinen und HLK-Systeme werden oft in isolierten mechanischen Böden oder schalldämpfenden Gehäusen untergebracht, und in Kanälen und Rohren werden Schalldämpfer installiert, um Vibrationen zu kontrollieren.

In ähnlicher Weise inspiriert die mehrschichtige Struktur des Körpers (Haut-Fett-Muskel-Knochen) zu mehrschichtigen Wandanordnungen: eine Hüllschicht, ein isolierender „Fett“-Hohlraum und eine starre „Knochen“-Struktur. Masse-Feder-Masse-Strukturen mit dazwischenliegender Isolierung können die Schalldämmung erheblich verbessern.

Die Vorschriften verwenden STC-Bewertungen (Sound Transmission Class), um dies zu messen. Um die STC zu erhöhen, werden in der Regel zusätzliche Masse, Isolierung oder flexible Unterbrechungen zwischen den Schichten hinzugefügt. Dies ist vergleichbar mit dem Hinzufügen von dämpfendem Gewebe zwischen starren Elementen. Schließlich wird das Skelett des Körpers durch Fugen und Füllungen effektiv von den weichen Geweben getrennt, so wie schwimmende Böden oder flexible Kanäle das strukturelle Skelett eines Gebäudes von den fertigen Oberflächen trennen.

Schwimmende Fußböden (Strukturplatten, die auf flexiblen Pads gelagert sind) können den Trittschall vom Fußboden erheblich reduzieren, indem sie den Übertragungsverlust stark verbessern. In ähnlicher Weise isolieren flexible Metallkanäle (dünne Rahmenleisten) die Trockenbauwände von den Ständern, unterbrechen den direkten Schallweg und verbessern den STC-Wert der Wände. Sogar ein U-Bahn-Ingenieur nutzt dieselbe Idee: schwimmend gelagerte Bodenschienen (Betonplatten auf Gummifedern) unterbrechen effektiv die Schwingungskette von den Rädern der Züge zum Boden, „ähnlich wie Trägheitssockel auf Federn, die zur Unterstützung stationärer Maschinen verwendet werden“.

Başlıklar

Architektonische Analoga der biologischen Isolierung

Verbergen von Geräuschquellen (Orgelanaloga): Mechanische Schränke und Eimer fungieren als Körperhohlräume um die Geräte. Ein Ofen oder eine Pumpe wird in einem vollständig ausgekleideten Raum mit Akustikdecken an den Wänden untergebracht, und das Geräusch kann durch die Umhüllung isoliert werden (ähnlich wie eine Orgel in einem Flüssigkeitssack). In den Kanälen werden interne Schalldämpfer oder externe Wicklungen aus schallabsorbierendem Material installiert, um den Lärm der Ventilatoren zu reduzieren.
Mehrschichtige Trennwände (Haut-Öl-Muskel): Eine klassische Strategie ist eine mehrschichtige Wand: eine Außenhaut, ein Luft-/Isolationshohlraum und eine Innenhaut. Diese spiegelt Haut (Außenhaut), Fett/Muskel (Isolierung) und Knochen (Struktur) wider. Die Hohlräume sind mit faseriger Isolierung (z. B. Mineralwolle) gefüllt , die den Schall wie Fettgewebe absorbiert. Steinwolle ist dafür bekannt, dass sie Schall blockiert und absorbiert und gleichzeitig Vibrationen dämpft. Solche Schichten erzeugen einen Masse-Feder-Masse-Effekt: Jede dichte Schicht erhöht die Masse (blockiert niedrige Frequenzen) und jede weiche Schicht erhöht die Dämpfung (absorbiert mittlere/hohe Frequenzen). In der Praxis werden isolierte Doppellattenwände oder doppellagige Gipsplatten (in der Regel auf flexiblen Klammern) verwendet, um hohe STC-Werte zu erreichen. Der Ausgleich von Nähten und die Versiegelung von Fugen sorgen dafür, dass es keine direkten „akustischen Abkürzungen“ gibt, so wie der Ausgleich von Fett- und Gewebekanälen direkte Schalllecks verhindert.
Diskrete Struktur (Skelettanalogie): Die Knochen des Körpers sorgen für Struktur und minimieren gleichzeitig die Geräuschübertragung durch Muskelbewegungen. In ähnlicher Weise trennen (isolieren) wir in Gebäuden die Strukturelemente von den bewohnten Räumen. Schwimmend gelagerte Böden auf Neoprenpads oder Federisolatoren verringern die Schwingungsübertragung, indem sie den direkten harten Kontakt eliminieren. In Wänden oder Decken wirken flexible Rohre wie kleine Federn: Gipskartonplatten werden an ihnen aufgehängt, wodurch die starre Verbindung mit den Ständern unterbrochen wird. Dies „schneidet den Weg“ der Schallwellen ab, so dass weniger Schwingungsenergie durchgelassen wird. Selbst in schweren Bauten wirken Bodenisolierungen unter allen Räumen oder Geräten wie gepolsterte Fugen, die verhindern, dass Maschinenlärm oder Schritte den gesamten Rahmen erschüttern.
Luft/Flüssigkeit-Pufferzonen (Membrananalogie): So wie luftgefüllte Hohlräume und Membranen im Körper Organe puffern (z. B. Schädelhöhlen oder Lungenlufthöhlen), können Gebäude Lufthohlräume oder Hohlräume zum Schutz des Schalls nutzen. Ein bekanntes Beispiel ist die zweischalige Fassade: Zwei verglaste Wände, die durch einen belüfteten Zwischenraum getrennt sind. Dieser Luftpuffer reduziert sowohl die Wärme als auch den Lärm von außen. Forschungen haben ergeben, dass der doppelwandige Überwachungsraum „als Isolierung gegen übermäßigen Schall wirkt und den akustischen Komfort des Gebäudes verbessert“. In kleinerem Maßstab wirken selbst einfache gestufte oder zurückgesetzte Wände (mit versetzten Schichten oder Luftspalten) wie akustische Labyrinthe, die eine geradlinige Übertragung von Schall verhindern. Wie eine Flüssigkeitsschicht, die innere Geräusche reflektiert oder absorbiert, fangen diese Hohlräume Schallenergie auf oder leiten sie ab.

Anwendung und Beispiele

Diese Strategien sind im Bauwesen weit verbreitet. Schwimmende Bödenwerden in Aufnahmestudios verwendet, wo ein Gipsunterboden auf Gummipads einen „toten“ Boden mit viel höherer Stoßdämpfung bietet. Flexible Kanalwände sind in Hotels und Wohnungen üblich; ein Prüfstand hat gezeigt, dass das Hinzufügen einer Kanalschicht den STC-Wert einer Wand um ~5 Punkte erhöhen kann.

Für weitere Erklärungen über schwimmende Fußböden können Sie diesen Artikel lesen: https://auralex.com/blog/sound-isolation-basics-how-to-build-a-floating-floor/

In der HLK-Konstruktion werden mit Fasermedien oder mikroperforierten Platten gefüllte Kanalschalldämpfer (Attenuatoren) nacheinander eingebaut, ähnlich wie die Flüssigkeit, die das Geräusch einer Orgel dämpft. Akustische Türen und Vorräume fungieren als Gelenkkapseln oder Schallschleusen, die einen Übergangsraum schaffen und die direkte Übertragung blockieren.

Ein raffiniertes Beispiel ist die doppelschalige Fassade. Das berühmte Gebäude 30 St Mary Axe („Gherkin“) in London verwendet eine belüftete Doppelhaut, um die Temperatur zu stabilisieren und den Lärm von der Straße zu dämpfen. Der Luftspalt, der auch mechanisch gesteuert werden kann, reduziert das Eindringen von Außenlärm, so wie eine Nasennebenhöhle einen Schlag auf den Kopf dämpft.

Bei Verkehrsprojekten werden in U-Bahnen auf der ganzen Welt schwimmende Gleisbetten aus Platten verwendet. Durch die Lagerung der Schienen auf Elastomerpads, die genau der Aufhängung einer Maschinenbasis auf Federn entspricht, konnten die Ingenieure den Bodenlärm in nahe gelegenen Krankenhäusern und Schulen erheblich reduzieren.

Quelle: https://www.archdaily.com/922897/how-do-double-skin-facades-work

In all diesen Fällen kümmern sich die Designer auch um die Nebenwege: Jeder Eingang ist akustisch isoliert, die Schaltkästen sind versetzt angeordnet, und die Seitenwände sind mit Dämmmaterial gefüllt – so wird die Tendenz des Körpers nachgeahmt, den Schall durch komplexe Pfade zu leiten, anstatt ihn direkt weiterzuleiten. Das Modell Quelle-Weg-Empfänger in der Akustik (Schalldämmung an der Quelle, Dämpfung auf dem Weg dorthin und Absorption am Empfänger) entspricht dem Prinzip des Nervensystems, das seine eigenen Geräusche filtert.

Leitfaden für laute Gebäudetypen

Architekten und Ingenieure, die an lärmbelasteten Gebäuden arbeiten (dichte Wohnbebauung, Krankenhäuser, Schulen, Transitzentren), können sich an diesen biomimetischen Erkenntnissen orientieren und praktische Entscheidungen treffen:

Lokalisieren und umschließen Sie Lärmquellen: Stellen Sie laute Geräte (Generatoren, Heizkessel, Küchen) in speziellen, geschlossenen Räumen auf. Verwenden Sie akustische Abdeckungen für Kanäle und platzieren Sie laute Räume weit weg von ruhigen Zonen (stellen Sie sich ein Herz vor, das tief in der Brust sitzt, weit weg von empfindlichen Lungen).
Schichten Sie Trennwände: Legen Sie Wand- und Bodenkonstruktionen mit zusätzlicher Masse und Isolierung fest. Krankenhäuser verlangen in der Regel einen Mindestabstand – die FGI-Richtlinien fordern mindestens 45 STC (50 STC für hohe Privatsphäre) zwischen Patientenzimmern. Um diese Werte zu erreichen, sind in der Regel geschosshohe Betonwände mit Hohlraumdämmung und doppelten Putzschichten (hoher STC-Wert) erforderlich. In Wohnungen können eine zweite Reihe von Ständern oder flexible Klammern eingesetzt werden, um zu verhindern, dass Schritte aus dem darüber liegenden Stockwerk zu hören sind.
Entkoppeln Sie die Struktur: Verwenden Sie in Turnhallen, Bibliotheken oder Schlafzimmern über lauten Bereichen schwimmende Bodenbeläge (Beton auf Neoprenunterlagen). Hängen Sie flexible Aufhängungen in Fluren auf, um die Decken von den darüber liegenden Etagen zu isolieren. Sanitärinstallationen können auf Isolierbügeln montiert werden. Diese Maßnahmen imitieren die Art und Weise, wie die Gelenke die Bewegung des Körpers ermöglichen, indem sie verhindern, dass die Knochen aneinander stoßen.
Puffern Sie mit Luft und Absorption: Sehen Sie, wo immer möglich, Luftzwischenräume und Absorptionsvolumen vor. Verwenden Sie in Höfen oder Atrien, die an Straßen grenzen, dichte Bepflanzungen oder Wasserspiele (schallschluckende Landschaftsgestaltung) als akustische Membranen. In Schulen sollten Akustikdecken und Wandverkleidungen (in der Regel aus Mineralwolle oder Schaumstoff) verwendet werden, um den Nachhall zu absorbieren. Diese Materialien absorbieren, ähnlich wie Fettgewebe im Körper, sowohl Echos als auch Luftschall.
Abdichten und versetzen: Fugen sorgfältig ausfüllen, Boden-Wand-Verbindungen akustisch abdichten und versetzte Geometrien gestalten. Eine „Schallschleuse“ zwischen Korridor und Klassenzimmer – ähnlich wie eine Gelenkkapsel oder ein Trommelfell – verhindert den direkten Schallaustritt. In ähnlicher Weise werden in Krankenhäusern Bäder oder Schränke zwischen den Zimmern angebracht, um den Lärm zwischen den Räumen zu dämpfen.

Architekten sollten Gebäude wie lebende Organismen behandeln – mit verschiedenen Schichten, schützenden Hohlräumen und isolierten Organen – um ruhige, komfortable Innenräume zu schaffen. Ruhige Krankenhäuser helfen den Patienten bei der Genesung, eine gut umgesetzte Akustik in Klassenzimmern verbessert das Lernen und die Konzentration, und friedliche, ruhige Wohnungen steigern das Wohlbefinden der Bewohner. Wie die Forschung bestätigt, „kann Lärm die kognitive Verarbeitung, die geistige Gesundheit und die Motivation beeinflussen„.

Kurz gesagt, die Anwendung der körpereigenen Stille auf Gebäude ist nicht nur ein Verfahren zur Schallisolierung. Sie verbessert die Klarheit und den Komfort des Wohnraums.

Quellenverzeichnis: