Anti-Lärm Forscher bauen verkehrsberuhigtes Kopfkissen

Mit passenden Schallwellen wollen Forscher den Verkehrslärm in Gebäuden mindern, der von der Straße eindringt. In gewissen Grenzen soll die Technik sogar bei gekipptem Fenster funktionieren.
Von Gregor Honsel

Diesem Wummern ist keine Dämmmatte und keine Dreifachverglasung gewachsen. Die 105 Hertz, die eine kühlschrankgroße Lautsprecherbox mit mehr als 85 Dezibel in das Akustik-Labor der Bundeswehr-Universität Hamburg drückt, durchdringen einfach Stein und Bein. Ähnlich basslastig und laut ist auch der Straßenverkehr – und stellt Architekten und Bauherren damit vor große Probleme.

Wirksame Wärmedämmung geht nämlich nicht zwangsläufig mit besserem Schallschutz einher. Oft gibt es sogar Zielkonflikte: "Bei einer Außenwand, die aus Mauerwerk, einer elastischen Isolierschicht und dann wieder einem festen Putz besteht, entsteht ein Resonanzkörper. Die Schalldämmung kann dann, besonders bei niedrigen Frequenzen sogar geringer sein als bei einer nackten Mauer", sagt Philip Leistner, Leiter der Abteilung Bauakustik des Fraunhofer-Instituts für Bauphysik in Stuttgart.

"Passive Dämmelemente wirken nur bei mehr als tausend Hertz wirklich gut", sagt auch Kai Simanowski, "bei tieferen Tönen muss man entweder sehr viel Gewicht oder Volumen für die Dämmung in Kauf nehmen – oder man muss ihn aktiv bekämpfen." Um das zu demonstrieren, schaltet der Ingenieur am Fachbereich Mechatronik der Bundeswehr-Uni ein Lautsprecherpaar dazu, das den Lärm mit genau berechnetem Gegenschall dämpfen soll. Verblüfft registriert der Besucher, was sich dadurch in seinen Ohren ändert: gar nichts nämlich.

Doch das Antischall-System, das die Forscher am Kopfende eines Ikea-Bettes vom Typ "Dalselv" installiert haben, funktioniert durchaus. Man merkt es nur nicht. Zumindest nicht, solange man nicht selbst im Bett liegt. Doch dort liegt bereits ein nur aus Kopf und Schultern bestehender Dummy. Über ihm sind an einem Gestell 24 hochpräzise Mikrofone mit einem Stückpreis von rund tausend Euro montiert – das Objektiv einer akustischen Kamera, die den Schallpegel im Bereich des Kopfkissens misst und grafisch auf einem Computerbildschirm darstellt. Und tatsächlich: Schaltet Simanowski den Gegenschall ein, weichen die gelben und orangen Felder, die für Lautstärken von über 80 Dezibel stehen, hell- oder dunkelgrünen. Das entspricht einer Geräuschminderung von rund zehn Dezibel, die subjektiv als Halbierung empfunden wird. Über einen Kopfhörer kann man diesen Effekt über Mikrofone im Kopf des Dummys mithören: Das Wummern verwandelt sich in mäßiges Rauschen.

Lärm mit Lärm zu bekämpfen klingt zwar kontraintuitiv, folgt aber einer schlichten Logik, deren Anwendung der deutsche Physiker Paul Lueg schon 1933 patentieren ließ: Schall besteht aus Luftdruckschwankungen, die sich wellenförmig ausbreiten. Stellt man einer Schallwelle eine zweite Welle zur Seite, die gerade so weit verschoben ist, dass Luftdruckspitzen und -täler einander aufheben, ist das Ergebnis Stille.

Der Knall als Grenzfall

In der Praxis allerdings sind Schallwellen widerspenstig. Zwar gibt es längst Kopfhörer mit aktiver Lärmbekämpfung zu kaufen. Doch die sitzen direkt am Ohr und müssen sich nicht mit Wellen plagen, die in einem Raum hin und her reflektiert werden und sich überlagern.

Für die Verkehrsberuhigung von Wohnungen konzentrieren sich die Hamburger Forscher deshalb darauf, den Lärm in einem begrenzten Areal zu dämpfen. Beim Ikea-Bett funktioniert das so: Ein Mikrofon nimmt störende Außengeräusche auf. Eine Regelungssoftware auf einem handelsüblichen Computer berechnet daraus die nötigen Gegenwellen und leitet das Ergebnis über einen normalen Stereo-Verstärker an zwei Lautsprecherboxen am Kopfende des Bettes. Zusätzlich geben zwei Mikrofone im Kopfkissen der Software Feedback für die Feinabstimmung. Diese Mikrofone sind jeweils die Zentren der Ruheräume. Schon die wenigen Zentimeter, die zwischen den Mikrofonen im Kopfkissen und den Ohren des Dummys liegen, können bei bestimmten Frequenzen einen hörbaren Unterschied ausmachen: "Je höher die Frequenz, desto kleiner der Ruheraum um ein einzelnes Mikrofon", sagt Thomas Kletschkowski, ebenfalls Ingenieur am Fachbereich Mechatronik.

Dazu kommt, dass Menschen sich im Schlaf hin und her wälzen und ihr Kopfkissen zusammenknautschen können. Dafür hat der Ansatz der Bundeswehr- Forscher andere Vorzüge. Das System passt sich laufend an die Störgeräusche an. Das geschieht durch die räumliche Trennung vom Mikrofon für Störgeräusche einerseits und Lautsprecher und Feedback-Mikrofonen andererseits: Während die Schallwellen den Weg vom Lärm-Mikrofon zum Ohr des Benutzers zurücklegen, kann die Elektronik die Gegenschwingung erzeugen. "Ein Knall wäre ein Grenzfall. Ansonsten ist es vor allem eine Frage des Aufwandes, wie schnell das System reagiert", sagt Kletschkowski.

Ein weiterer Vorteil dieses Designs besteht darin, dass sich das Mikrofon genau auf die störende Schallquelle ausrichten lässt: Wird es etwa gegen ein Fenster gerichtet, aus dem Verkehrsrauschen dringt, wird auch nur dieser Lärm unterdrückt. Musik und Gespräche bleiben ungestört.

Lautsprecher im Fenster

Der Hardware-Bedarf für eine solche Lösung ist überschaubar: drei Mikrofone, zwei Lautsprecher, ein Verstärker und ein Prozessor. Eine solche Anlage wäre zum Beispiel ein Segen für verkehrslärmgenervte Schichtarbeiter. Der Hamburger Fachbereich steht nach Angaben von Kletschkowski bereits in Verhandlungen mit einem deutschen Elektronik-Hersteller, der sich "interessiert" zeige. Ein Produkt für den Consumer-Markt scheint also in Reichweite.

Eine andere Philosophie verfolgen André Jakob und seine Kollegen vom Institut für Technische Akustik der TU Berlin: Sie wollen störenden Schall gar nicht erst in die Wohnung lassen. Dazu hat Jakob ein System entwickelt, bei dem bis zu zwanzig Lautsprecher zwischen den Scheiben eines Doppelglasfensters sitzen. Um bis zu zehn Dezibel soll sich dadurch die Lautstärke in einem Raum senken lassen.

In einem weiteren Ansatz baut Jakob die Lautsprecher in die Fensternische ein – so funktioniert das Antischall-Prinzip in gewissem Maß sogar bei gekipptem Fenster. Wegen des geringen Abstandes zwischen Mikrofonen und Lautsprechern reagiert das System allerdings träger auf veränderten Lärm. "Am besten funktioniert das natürlich bei relativ gleichbleibenden Geräuschen", sagt Jakob, "deshalb gibt es auch keine Chance, Sprache zu dämpfen, weil die viel zu unvorhersehbar ist."

© Technology Review , Heise Zeitschriften Verlag, Hannover