Wie die Städte leiser werden

Der Löwenanteil des Lärms in Europa stammt vom Straßenverkehr, erst danach folgen Flugzeuge und Eisenbahn. Aufgebohrte Motorräder sind im nächtlichen Paris die größten Krawallmacher, wie die Bruitparif-Forscher festgestellt haben. Dafür simulierten sie am Computer die nächtliche Fahrt eines Mopeds durch die Innenstadt. Das Ergebnis: Im Originalzustand hätte es 300 schlafende Menschen geweckt, ein aufgemotztes Moped dagegen hätte vielleicht 10.000 Menschen aufgeschreckt. Das bringt nicht nur Ärger, sondern schlägt auch auf die Gesundheit.

Wissenschaftler bringen die Dauerbeschallung von Städtern in Verbindung mit Hörstörungen, Stress, Bluthochdruck und Herz-Kreislauf-Erkrankungen. Lärm kostet allein die Pariser fast ein ganzes Lebensjahr. Die WHO schätzt, dass in den Ländern Westeuropas insgesamt 1,6 Millionen Lebensjahre verloren gehen. Jeder vierte Bewohner dort ist dauerhaft einer zu hohen Lautstärke ausgesetzt.

Anti-Lärm-Pfähle auf dem Rockfestival

Manche machen das freiwillig: Auf dem Roskilde-Festival in Dänemark wird es einmal im Jahr für vier Tage richtig laut. Dann schmettern Bässe und Stromgitarren von den Bühnen, wenn Headliner wie Cardi B und Bob Dylan auftreten. Inmitten der 130.000 Festivalbesucher schlug 2019 auch ein Team von Akustikforschern seine Zelte für ein einzigartiges Freiluftexperiment auf: Finn Agerkvist und sein Team von der Technischen Universität Dänemark in Lyngby bei Kopenhagen errichteten hier ein sogenanntes Sonic Crystal.

Die Schallbarriere sieht aus wie ein sehr regelmäßig angeordneter kahler Wald aus etwa 100 Holzpfählen von je drei Metern Höhe. In Reih und Glied stehen die Pfähle auf einem gitterförmigen Grundriss.

Der Name des Arrangements verweist auf die Ähnlichkeit mit der regelmäßigen Anordnung von Atomen in einem Kristall. Treffen nun Schallwellen auf einen solchen Pfahlwald, werden sie von einem Pfahl zum nächsten reflektiert und gestreut. Dabei löschen sich die einfallenden und die reflektierten Schallwellen teilweise gegenseitig aus.

Die Konstruktion wirkt recht einfach, ist aber exakt geplant. Die Dicke der Pfähle, ihr Querschnitt und insbesondere ihre Abstände zueinander haben die Wissenschaftler in einem mathematischen Modell berechnet. Als Faustregel gilt, dass der Abstand zwischen den Pfählen kleiner sein muss als die halbe Wellenlänge des Schalls, den ein Sonic Crystal blockieren soll. Deshalb kann jeder einzelne Sonic Crystal nur ganz bestimmte Tonhöhen herausfiltern. Das konnten die Besucher in Roskilde auf einer Wiese neben den Bühnen gleich selbst testen.

Ein Sonic Crystals bestand aus dicken Pfählen mit quadratischem Querschnitt, die 30 Zentimeter auseinander standen. Sie verschluckten vor allem Bässe und ließen dafür hohe Töne problemlos passieren. Diese wurden dann von den runden Pfählen des Nachbarkristalls geschluckt, die dicht beieinander auf Platten geschraubt waren.

Inmitten der Schallbarrieren stand ein Lautsprecher, der einen eigens für das Experiment komponierten Popsong in Schleife abspielte. Je nachdem, an welchem Sonic Crystal die Besucher des Festivals gerade vorbeigingen, klang das Musikstück anders, weil die Kristalle entweder die hohen oder die tiefen Frequenzen des Schalls verschluckten. „Wir könnten sehr große Sonic Crystals zwischen die Konzertbühnen bauen, damit sich die Bands nicht gegenseitig übertönen“, sagt Agerkvist.

Ein großflächiger Einsatz solcher Pfahlanordnungen auch gegen Stadtlärm ist denkbar, aber schwierig. Denn jeder Sonic Crystal muss auf „seine“ Frequenz zugeschnitten werden. Das ist teuer, und nicht überall gibt es den dafür nötigen Platz. Für den Straßenrand sind die Crystals mit ihren rechteckigen Fundamenten zu groß. „Doch“, meint Agerkvist, „in Stadtparks könnte es funktionieren. Dort könnten wir mehrere große Sonic Crystals als Barriere hintereinander platzieren.“

Noch einfacher wäre es, wenn man anstelle der Pfähle einfach Bäume wie auf einem Gitter pflanzte, sodass aus ihnen ein großer grüner Sonic Crystal wird. „Dann würden die Menschen einfach durch eine als Wald getarnte Schallbarriere laufen, ohne es zu merken“, sagt der dänische Wissenschaftler. Eine Studie spanischer Mathematiker gibt seiner Theorie recht. Schon 2006 hatte sie belegt, dass Bäume, die in Sonic-Crystal-Manier gepflanzt wurden, tiefe Töne besser absorbieren als ein „wahllos“ gepflanzter Stadtwald.

Eine Wand, die Lärm einfängt

Wesentlich einfacher bauen lässt sich eine neuartige Lärmschutzwand, die Forscher des Fraunhofer-Instituts für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit (LBF) in Darmstadt im Auftrag der österreichischen Autobahngesellschaft ASFiNAG entwickelt haben. Sie haben herkömmliche Lärmschutzwände so modifiziert, dass eintreffender Schall nicht mehr in Vibrationen umgewandelt wird und auf der anderen Seite wieder als Lärm austritt – er bleibt stattdessen in der Wand selbst gefangen.

Dafür haben die Darmstädter Forscher um den Ingenieur Heiko Atzrodt gitterförmig angeordnete, einige Zentimeter hohe Zylinder auf die Oberfläche einer Glaswand geschraubt. Im Inneren jedes Zylinders befinden sich speziell abgestimmte Gewichte und Sprungfedern, die im Abstand von weniger als einer halben Wellenlänge des Geräuschs zueinander platziert sind, damit auch hier eine destruktive Interferenz entsteht. Das akustische Prinzip ist also ähnlich wie jenes der Sonic Crystals.

Allerdings: „Unser Filter hat ein paar entscheidende Vorteile“, erläutert Heiko Atzrodt. „Weil die Zylinder schwingen, absorbieren diese vibroakustischen Metamaterialien ein breites Lärmspektrum. Das ist perfekt bei Rauschen, wie es Verkehrslärm erzeugt.“ Im Labor konnte das Fraunhofer-Team den Pegel herkömmlicher Lärmschutzwände um 20 Dezibel verringern.

Das ist eine ganze Menge. Denn Schalldruck nimmt nicht linear zu, sondern logarithmisch. Deshalb sind 60 Dezibel nicht doppelt so laut wie 30 Dezibel, sondern rund 1000 Mal so laut. Ein Plus sechs Dezibel verdoppelt die wahrgenommene Lautstärke – 46 Dezibel sind also doppelt so laut wie 40. Auch deshalb klafft ein großer Unterschied zwischen der WHO-Empfehlung zu nächtlichem Lärm von 40 Dezibel und dem in Paris. gemessenen Level

Die Dämpfung der Darmstädter Wände würde also einen entscheidenden Unterschied machen. Schon in wenigen Jahren sei sie marktreif, sagt Heiko Atzrodt. Vor der Herstellung der Wände müssen die Forscher mit einem mathematischen Modell die ideale Größe der Zylinder, deren Gewicht und ihren Abständen zueinander eigens für jeden Standort berechnen. Mit einem 3D-Drucker können die Wände dann schnell und günstig produziert werden. Der Clou an der Methode: Die Zylinder lassen sich einfach auf bestehende Lärmschutzwände schrauben.

Zunehmende Belastung

Derart modifizierte Schutzwände täten nicht nur den Menschen in Österreich, sondern auch in Deutschland gut. Denn seit 2007 hat die Lärmbelastung in beiden Ländern um mehr als ein Drittel zugenommen. Die Europäische Umweltagentur (EUA) schätzt, dass 2017 fast 4 Millionen Deutsche nachts durch Straßenlärm und etwa 2,5 Millionen durch Schienenverkehr gestört wurden. Bezieht man auch den Taglärm mit ein, sind es doppelt so viele.

Stadtlärm rund um die Uhr

In New York sind neun von zehn Erwachsenen ständiger Lärmbelästigung ausgesetzt. Wer jemals in der US-amerikanischen Ostküstenmetropole war, versteht auch, warum. Hupende Taxis auf verstopften Straßen, Sirenen rund um die Uhr, Presslufthämmer auf Baustellen und ein Nachtleben mit vielen Menschen und Musik gehören einfach zur Atmosphäre der Stadt. Nicht umsonst nennt sich New York „die Stadt, die niemals schläft“.

Wem der Lärm zu viel wird, der wählt die Servicenummer 311. Die „Noise Complaints“ landen dann direkt bei einem der 70 Mitarbeiter des städtischen Umweltbüros, die sich ausschließlich um Krach in der Stadt kümmern. Bei einer Beschwerde rücken sie in Zweierteams aus, um nachzumessen und den Lärm notfalls zu beenden. Meistens gelingt ihnen das nicht, weil viel mehr Anrufe eingehen, als die Mitarbeiter des Umweltbüros bewältigen können: Allein zwischen 2010 und 2015 läutete das Servicetelefon 1,6 Millionen Mal.

Ein Netzwerk aus Sensoren

Deshalb hat das Umweltbüro bei der New York University das Lärmüberwachungssystem „SONYC“ in Auftrag gegeben. Es kann mithilfe von stadtweit verteilten Sensoren und KI nicht nur automatisiert messen, wo es gerade laut ist. SONYC kann auch selbstständig feststellen, um welche Art von Lärm es sich handelt: Rattert da ein Presslufthammer um zwei Uhr morgens? Oder grölen gerade Nachtschwärmer auf ihrem Nachhauseweg? Im ersten Fall würde sich eine Kontrolle der Beamten lohnen, im zweiten kämen sie wohl zu spät.

Charlie Mydlarz ist einer der Ingenieure, die die kleinen Metallboxen des Systems entwickelt haben. 75 davon sind über ganz New York verteilt. „Wir haben sie bewusst an unterschiedlich lauten Orten angebracht, um ein breites Spektrum an Geräuschkulissen unserer Stadt aufzuzeichnen“, sagt Mydlarz. Einen SONYC-Sensor hat er in einem nahen Naturreservat platziert, um den Vergleich mit einer leisen Umgebung zu haben.

Mikrofone am Broadway

In jeder Box befindet sich ein Raspberry-Minicomputer, der über ein angeschlossenes Richtmikrofon Audioschnipsel aufnimmt. Über ein WLAN-Modul werden die Daten dann an die Server der Forscher gesendet. Wer genau hinsieht, kann sogar eines der schwarzen Mikrofone an einer Fassade am Broadway entdecken. Allerdings sind auf den Aufnahmen keine einzelnen Stimmen zu erkennen, denn dafür sind sie zu weit oben montiert. „Aus Datenschutzgründen haben wir dennoch überall gelbe Schilder mit Hinweisen auf die Aufnahmen aufgestellt“, sagt Mydlarz.

Über einen Zeitraum von sechs Jahren sammelten die Forscher auf diese Weise 70 Terabyte an Daten. Das entspricht 200 Millionen Tonschnipseln von mehreren Sekunden Dauer. „Es ist der größte derartige Datensatz, der je in einer Stadt erhoben wurde“, betont der US-amerikanische Wissenschaftler. „Spannend ist das deshalb, weil wir damit wichtige Ereignisse dokumentieren konnten.“ So wurde es bei Anti-Trump-Protesten sehr laut, während der Corona-Lockdowns war es mucksmäuschenstill.

Die Daten wurden anschließend von einer KI durchforstet. Die Algorithmen dafür programmierten die Forscher selbst. Damit die Künstliche Intelligenz lernen konnte, beispielsweise eine Autohupe von einem Bagger zu unterscheiden, brauchten die Forscher neben vielen Datensätzen auch die Unterstützung der New Yorker Bürger.

Anwohner trainieren die Technik

Über eine Citizen-Science-Plattform luden die Wissenschaftler kurze Tonmitschnitte ins Netz hoch. Dort konnten Bürger eintippen, welche Lärmquelle sie heraushören. Mit diesen Daten fütterten die Forscher wiederum die SONYC-Algorithmen. Sie wurden mit jedem zusätzlichen Datensatz besser. Die Lärm-Hotspots spielte man den Inspekteuren des Umweltbüros auf die Monitore. „Wie viel Zeit bei den Lärminspektionen eingespart werden konnte, wertet das Umweltbüro nach Projektende aus. Wir wissen aber schon jetzt, dass es viel war“, ist Mydlarz überzeugt.

Der Ingenieur wohnt in Brooklyn, einer der leiseren Wohngegenden New Yorks. Er weiß aber auch, dass in anderen Teilen der Stadt ein anderer Lärmpegel herrscht. Tatsächlich sind die New Yorker besonders dort gesundheitsgefährdenden Geräuschen ausgesetzt, wo man es nicht unbedingt vermutet. Eine Journalistin hat den Lärmpegel in zwei Restaurants der Stadt gemessen. Zwischen Reggae-Musik und Gästegeplauder schaukelte sich der Schallpegel bis auf 92 Dezibel hoch. Personal, das viel Zeit in einer derart lauten Umgebung verbringt, riskiert Schwerhörigkeit.

Wer auf dem Weg ins Restaurant die U-Bahn nimmt, setzt sich noch größerem Lärm aus. Am Bahnsteig und in den Zügen werden Spitzen von 120 Dezibel erreicht. Das ist so laut wie ein startender Jet und schädigt schon nach kurzer Zeit das Gehör. Der Lärm entsteht weniger durch kreischende Metallräder, die an den Schienen reiben, als durch Vibrationen zwischen den Schienen und dem Gleisbett.

Schienenpolster gegen Hörschäden

An den U-Bahn-Stationen der Second Avenue ist die Geräuschkulisse aber auffallend geringer als anderswo in New York. Das liegt daran, dass dort ein Team des Ingenieurbüros Arup die Akustik verbessert hat. Die Tunnelwände kleideten die Techniker mit schalldämmendem Schaum aus, der ein Echo verhindert. Dann gingen sie der Lärmquelle auf den Grund und verlegten Gummiplatten unter den Betonschwellen, auf denen die Schienen verlegt sind. Solche Stoßdämpfer absorbieren einen Großteil der Schwingungen und sorgen auf diese Weise für leisere Fahrten.

Weil der Schienenverkehr weltweit eine der großen Lärmquellen ist, tüfteln auch diesseits des Atlantiks Forscher an einer solchen Art Stoßdämpfer. In der Schweiz hat vor Kurzem ein Team an der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) ein Schienenpolster entwickelt.

Wie in New York packten auch die Schweizer Forscher eine Dämmung zwischen die Schiene und die Schwelle. Das Problem dabei: Platten aus einem harten Gummi, wie sie bislang zum Einsatz kommen, dämpfen zwar die Lautstärke gut, belasten aber das Gleisbett. Umgekehrt schonen weiche Dämpfer zwar Schienen und Gleisbett, doch sie verringern den Krach im Bahnbetrieb nur unzureichend.

Harte Schale, weicher Kern

Die Empa-Experten haben deshalb sogenannte Rail Pads entwickelt, die in ihrem Kern ein weiches Polymer enthalten und mit hartem Kunststoff ummantelt sind. Höhe und Stärke des Kerns haben die Forscher mit mathematischen Modellen so bestimmt, dass die Schienenpolster besonders tiefe Frequenzen schlucken. Getestet wurden die neuen Dämmelemente aus Verbundwerkstoff bereits erfolgreich an einer Bahnstrecke in der Nähe von Luzern.

Die Vielfalt der Forschungsprojekte zeigt: Jede Lärmquelle muss anders behandelt werden. Besser wäre es aber, den Lärm bei der Wurzel zu packen. Besonders eindrucksvoll ist unter diesem Blickwinkel das Vorgehen in Paris. Der Lärmradar Medusa ist ein wichtiges Puzzleteil im Kampf gegen den Krach. Allerdings: Allein wird er die Rue D’Avron nicht leiser machen. Seit etlichen Jahren setzt Paris deshalb auf Anti-Lärm-Pläne, die auf weniger Straßenverkehr zielen. Dazu gehören immer mehr Tempo-30-Zonen und bald auch ein Autofahrverbot in der Innenstadt.

Ein Blick in die Statistik der Umweltagentur der Europäischen Union belegt den Erfolg dieser Bemühungen: Heute mag Paris unter den europäischen Metropolen noch am lautesten sein, doch im Vergleich ist es die einzige Hauptstadt des Kontinents, deren Lärmbelastung langsam zurückgeht.

Menschen orientieren sich bei Entscheidungen an den Erfahrungen anderer. Dieses als „Social Proof“ bekannte psychologische Phänomen…