Akustische Grundbegriffe

Oszillographische Aufzeichnung des Schallimpulses eines Bolzensetz-Werkzeuges

(die Pegelwerte Lpeak und LAImax werden hier unter "Zeitbewerteter Schalldruckpegel" erklärt)

 

 

 

Im Zusammenhang mit betrieblichen Geräuschmessungen sind die folgenden Grundbegriffe und Definitionen von Bedeutung. Dabei wurde bewusst keine alphabetische Reihenfolge für die Begriffe gewählt,  weil die Erläuterungen größtenteils in der hier gewählten Reihenfolge aufeinander aufbauen. Weitergehende Ausführungen zu akustischen Grundlagen, z.B. zur Entstehung und Ausbreitung von Schallwellen, zur Frequenzanalyse und zum Rechnen mit Pegelwerten, enthält das Taschenbuch „0 Dezibel + 0 Dezibel = 3 Dezibel“ (Maue 2009).

 

Schalldruck:

 

Ein Geräusch an einem Arbeitsplatz entsteht z.B. durch eine schwingende Maschinenoberfläche oder durch Luftverwirbelungen. Dabei wird eine Schallwelle (Luftdruckschwankung) erzeugt, die sich dem atmosphärischen Luftdruck überlagert. Ein gesundes menschliches Ohr kann schon eine winzig kleine Druckschwankung (Schalldruck) z.B. von rund 20 µPa (2 x 10-5 Pa) wahrnehmen (Hörschwelle bei der Frequenz von 2000 Hz). Aber erst bei einem um 6 Zehnerpotenzen höheren Schalldruck von ca. 20.000.000 µPa wird der Schall als schmerzhaft empfunden (Schmerzschwelle).

 

Die angegebene Hörschwelle von 20 µPa ist ein Mittelwert für eine Gruppe ohrgesunder Jugendlicher bei der Frequenz von 2000 Hz. Bei tiefen oder sehr hohen Frequenzen ist das Ohr bekanntlich weniger empfindlich. Der Schalldruck von 20 µPa ist international als Bezugswert/Referenz festgelegt (s. z.B. DIN EN ISO 1683). Diesem Wert entspricht ein Pegel von 0 dB.

 

Schalldruckpegel: 

In der Akustik hat sich ein logarithmisches Pegelmaß bzw. das Dezibel (dB) eingeführt, das zurückgeht auf entsprechende Festlegungen durch Graham Bell (1847 – 1922), dem so genannten Vater des Telefons. Danach errechnet sich der Schalldruckpegel Lp in dB entsprechend der folgenden Gleichung durch Bezug des Schalldrucks p auf den Referenzschalldruck p0 von 20 µPa :

            Lp = 10 × lg                                                                         

 

mit:

 

 

p 

gemessener Schalldruck

 

p0

20 µPa  - Referenzwert (Hörschwelle bei 2000 Hz)

 

Um nicht mit so großen Zahlenwerten wie bei der Angabe von Schalldrücken operieren zu müssen, wird hier das Verhältnis des gemessenen Schalldruckes p zum Referenzwert p0 (jeweils quadriert) betrachtet, dieses dann logarithmiert und mit 10 multipliziert. Aus dem Schalldruck von 20 µPa entsprechend der Hörschwelle errechnet sich so ein Schalldruckpegel von 0 dB. Aus dem Schalldruck von 20.000.000 µPa  an der Schmerzschwelle wird ein Schalldruckpegel von 120 dB. Der gesamte Hörbereich des Menschen von der Hörschwelle bis zur Schmerzschwelle lässt sich so mit überschaubaren Zahlenwerten von 0 bis 120 dB beschreiben.

 

Der Schallpegelmesser ermittelt den Schalldruckpegel jeweils entsprechend der obigen Gleichung aus dem Schalldruck und zeigt den Pegelwert als Ergebnis an.

Der Schalldruck p wird in der Regel als Effektivwert peff des Wechseldrucks bestimmt. Zur Beschreibung von einzelnen Schallimpulsen kann ggf. zusätzlich die absolute (positive oder negative) Schalldruckspitze (Scheitelwert) erfasst werden. Den damit entsprechend obiger Gleichung bestimmten Pegelwert bezeichnet man als Spitzenschalldruckpegel Lpeak.

 

 
 Frequenzbewerteter Schalldruckpegel:

 

Um die Frequenzabhängigkeit der Hörempfindung zu berücksichtigen, hat man die in Bild 1 dargestellten Frequenzbewertungskurven A, B und C festgelegt. Damit werden die nicht so laut empfundenen tieffrequenten und sehr hochfrequenten Geräuschanteile bei der Messung entsprechend gedämpft erfasst.   

 

 

 

Bild 1:            Frequenzbewertungskurven A, B, C

 

Der A-bewertete Schalldruckpegel wird sowohl zur Beurteilung der Gehörgefährdung als auch zur Beurteilung der Lästigkeit und Störwirkung von Geräuschen herangezogen (VDI 2058 Blatt 2 und Blatt 3). Bei der Messung gehen alle Geräuschanteile im Hörfrequenzbereich (16 Hz bis 16000 Hz) mit ein, wobei die als besonders gefährdend angenommenen hochfrequenten Anteile oberhalb von 1000 Hz bis 5000 Hz sogar leicht verstärkt zum Ergebnis beitragen.

Die C-Bewertung ist z.B. bei der Erfassung von hohen Spitzen­pegeln von Bedeutung, die B-Bewertung wird heute nicht mehr genutzt.

Bei der Angabe von Messwerten wird vielfach die entsprechende Frequenzbewertung in Klammern an das dB angehängt, z.B. dB(A).

Die Frequenzbewertungskurven sind aus den Kurven gleicher Lautstärkepegel hervorgegangen. Da die Krümmung dieser Kurven und damit der Frequenzgang des Gehörs vom Schalldruckpegel abhängt, wurden in den 40er Jahren unterschiedliche Bewertungskurven definiert, die mit dem Messbereichsschalter des Messgerät gekoppelt waren und somit automatisch angepasst wurden (DIN 5045 von 1942). Die Bezeichnung der Kurven mit A, B und C wurde in Deutschland allerdings erst 1966 in Anpassung an internationale Normen eingeführt (IEC 651). Die A-Bewertung entspricht den Kurven gleicher Lautstärkepegel bei ca. 20 bis 40 phon, die B-Bewertung den Kurven bei ca. 50 bis 70 phon und die C-Bewertung den Kurven bei ca. 80 bis 90 phon.

 

 

Zeitbewerteter Schalldruckpegel:

 

Die Norm für Schallpegelmesser DIN EN 61672 definiert unterschiedliche Anzeigeträgheiten durch die Festlegung der in der Tabelle 1 angegebenen Zeitkonstanten. 

 

Zeitbewertung

Zeitkonstante

 

Pegelanstieg

Pegelabfall

S – langsam

1 s

F – schnell

125 ms

I – Impuls

35 ms

1500 ms

 

Tabelle 1: Zeitbewertungen nach DIN EN 61672

 

Bild 2 veranschaulicht das daraus resultierenden Anzeigeverhalten des Schallpegelmessers anhand der in den unterschiedlichen Zeitbewertungen aufgenommenen  Schallpegelschriebe eines impulshaltigen Geräuschs (Schmiedehammer). So ergibt sich beispielsweise in der Zeitbewertung „S“ (langsam) eine stark gedämpfte Anzeige, die sich relativ leicht ablesen lässt. In der Zeitbewertung „F“ (schnell) dagegen ist die Anzeige deutlich unruhiger, lässt jedoch die einzelnen Spitzen besser erkennen. Die Zeitbewertung „I“ (Impuls) zeichnet sich durch einen sehr schnellen Pegelanstieg und einen verzögerten Pegelabfall nach jedem einzelnen Schallereignis aus, wodurch die charakteristische „Impulsschleppe“ entsteht.

 

 

Bild 2:            Aufzeichnung des Schalldruckpegels Lp  für Lärmimpulse eines
                        Schmiedehammers bei unterschiedlichen Zeitbewertungen

 

Zusätzlich zu diesen Zeitbewertungen für das gleichgerichtete Signal gibt es die Zeitbewertung „Spitze“ („peak“) zur Erfassung des absoluten Spitzenwertes (Scheitelwertes) eines Schallsignals. Dabei wird die höchste auftretende Pegelspitze nahezu verzögerungsfrei erfasst.

 

Bild 3 zeigt den Schalldruckspitzenwert „Peak“ für ein Schallsignal im Vergleich zu den entsprechenden gleichgerichteten Schalldrucksignalen in den Zeit­bewertungen „F“ (Fast) und „S“ (Slow).

 

                        Lpeak-A8-3

 

Bild 3:            Schalldrucksignal in den Zeitbewertungen „F“, „S“ und „Peak“

 

  

Der Spitzenschalldruckpegel Lpeak fällt bei einem konstanten Einzelton um 3 dB höher aus als die Effektivwerte in den Zeitbewertungen „F“ bzw. „S“ (3 dB entspricht im Verhältnis von Spitzenwert zu Effektivwert). Bei impulshaltigen Ge­räuschen erge­ben sich jedoch jeweils sehr viel größere Unterschiede zwischen dem Spitzen­schall­druckpegel Lpeak und dem zeitbewerteten Effektivwert (siehe z.B. Tabelle 1 in "Beurteilung von Gehörschadensfällen").

 

Um die jeweilige Zeitbewertung kenntlich zu machen, kann das Formelzeichen für den Pegel L mit dem entsprechenden Index S, F, I oder peak versehen werden, z.B. LF, Lpeak.

 

 

 Äquivalenter Dauerschallpegel:

 

Der äquivalente Dauerschallpegel Leq ist der zeitliche Mittelwert eines Schalldruck­pegels L(t) und beschreibt somit die durchschnittliche Geräuschbelastung über eine bestimmte Zeit. Er wird in der Regel als A-bewerteter Pegel LAeq ermittelt und lässt sich nach der entsprechenden Messdauer jeweils direkt vom integrierenden Schallpegelmesser oder Personen-Lärmdosimeter ablesen. Die an einem Arbeitsplatz ermittelten A-bewerteten äquivalenten Dauerschallpegel bilden die Grundlage für die Bestimmung des Tages-Lärmexpositionspegels (siehe folgender Abschnitt).

 

 

Tages-Lärmexpositionspegel:

 

Der Tages-Lärmexpositionspegel LEX,8h ergibt sich aus der über den repräsentativen Arbeitstag gemittelten Geräuschimmission bezogen auf die Zeitdauer von 8 Stunden (Arbeitstag) und dient als Maß zur Beurteilung der Gehörgefährdung in dieser Geräuschsituation.

Unter dem repräsentativen Arbeitstag ist dabei die längerfristig typische (durchschnittliche) Arbeits- bzw. Lärmsituation zu verstehen. Falls sich die Lärmsituation von einem Tag zum anderen unterscheidet, bedeutet das eine Mittelung der Lärmexposition über einen längeren Zeitraum, z.B. über mehrere Tage oder eine Woche.

Der Tages-Lärmexpositionspegel wird nach DIN EN ISO 9612 (September 2009) aus dem A-bewerteten äquivalenten Dauerschallpegel berechnet. Bei der Ermittlung der Lärmexposition gehen alle Geräuschbelastungen des typischen Arbeitstages in das Ergebnis ein. Offizielle Pausen, wie z.B. eine 30-minütige Mittagspause, müssen dabei nicht berücksichtigt werden, da man in der Pausenzeit von deutlich niedrigeren Geräuschpegeln ausgehen kann, die keinen Beitrag zur Gesamtexposition leisten. Durch Bezug der aufaddierten Lärmexpositionen (Lärmdosis) auf die festgelegte Zeitdauer (Arbeitsschicht) von 8 Stunden berücksichtigt der Tages-Lärmexpositionspegel sowohl die Höhe als auch die Dauer der täglichen Lärmbelastung.

Bei einer täglichen Arbeitszeit von 8 Stunden entspricht der Tages-Lärmexpositionspegel LEX,8h dem äquivalenten Dauerschallpegel LAeq für den typischen Tag. Bei einer täglichen Arbeitszeit von nur 4 Stunden ergibt sich aber ein um 3 dB(A) niedrigerer Lärmexpositionspegel (entsprechend der halben Schallenergie/Lärmdosis). Wer anstelle von 8 Stunden täglich 2 Stunden mehr arbeitet, ist einem um rund 1 dB(A) höheren Lärmexpositionspegel ausgesetzt.

Falls die wöchentliche Arbeitszeit von 5 Tagen abweicht und z.B. wie auf einem Seeschiff oder einer Bohrinsel an 7 Tagen in der Woche gearbeitet wird, sollte zur Beurteilung der Gehörgefährdung anstelle des Tages-Lärmexpositionspegels der Wochen-Lärmexpositionspegel bestimmt werden.

Dabei ist die Vorgehensweise ähnlich wie schon für den Tagespegel beschrieben, d.h. es werden alle während der typischen Arbeitswoche anfallenden Geräuschbelastungen erfasst und aufaddiert und dann auf die festgelegte Zeitdauer von 40 Stunden (5 x 8 Stunden) bezogen. So errechnet sich beispielsweise bei einer Lärmexposition mit einem Pegel LEX,8h von 85 dB(A) an 7 Tagen der Woche ein Wochen-Lärmexpositionspegel LEX,40h von 86,5 dB(A).

Zur weiteren Information, z.B. zur Durchführung der entsprechenden Messungen, zu Messstrategien und Berechnungen, sei auf die ausführlichen Beschreibungen und Beispiele im Taschenbuch „Lärmmessung im Betrieb“ (Maue 2011) verwiesen. 

Die Lärm- und Vibrations-Arbeitsschutzverordnung gibt Tages-Lärmexpositionspegel von 80 dB(A) und 85 dB(A) als Auslösewerte vor, die jeweils bestimmte Lärmschutzmaßnahmen erforderlich machen, beispielsweise die Bereitstellung von Gehörschutz ab 80 dB(A) und die Aufstellung eines Lärmminderungsprogramms ab 85 dB(A). Erst bei Lärmexpositionspegeln ab 85 dB(A) besteht für die Beschäftigten bei langjähriger Tätigkeit die Gefahr des Entstehens eines Gehörschadens (siehe z.B. VDI 2058 Blatt 2).

 

 

Beurteilungspegel: 

  

Der Beurteilungspegel Lr ist ein Kennwert zur Beurteilung der Lästigkeit und Störwirkung der Geräuschimmission für eine Tätigkeit. Er wird nach DIN 45645-2 (September 2012) als A-bewerteter äquivalenter Dauerschallpegel für die längerfristig typische Arbeitssituation bestimmt und ggf. mit Zuschlägen für Impulshaltigkeit bzw. für Ton- und Informationshaltigkeit versehen:

 

Lr = LpAeq + KI + KT                                                                

 

     mit:

LpAeq                    - A-bewerteter äquivalenter Dauerschallpegel

KI                           - Impulszuschlag

KT                          - Zuschlag für Ton- und Informationshaltigkeit

 

Die Zuschläge sollen eine erhöhte Störwirkung von Geräuschen mit auffälligen Lärmimpulsen bzw. hörbaren Einzeltönen oder Informationen berücksichtigen und sind nach DIN 45645-2 zu bestimmen.

 

 

Genauigkeitsklasse:

 

Die Erfassung der Geräuschimmission am Arbeitsplatz bzw. der Geräuschemission einer Maschine ist jeweils mit einer Unsicherheit verbunden. Um die Unsicherheit der Ermittlung zu beschreiben, werden drei Genauigkeitsklassen 1, 2 und 3 unterschieden, wobei die Klasse 1 jeweils der höchsten Genauigkeit und die Klasse 3 der geringsten Genauigkeit entspricht.

 

 

Die Ermittlung der Genauigkeitsklasse ergibt sich in der Regel aus der zu Grunde liegenden Messnorm. Für die Ermittlung des Lärmexpositionspegels ist das entsprechende Verfahren zur Bestimmung der Genauigkeitsklasse in den Technischen Regeln zur Lärm- und Vibrations-Arbeitsschutzverordnung (TRLV) beschrieben. Dabei werden z.B. die Genauigkeit des eingesetzten Schallpegelmessers und die Unsicherheit bei der Erfassung der längerfristig typischen Lärmexposition berücksichtigt.

 

 

Auch bei den Schallpegelmessern werden mehrere Genauigkeitsklassen unterschieden. So definiert die DIN EN 61672 Schallpegelmesser in den Genauigkeitsklassen 1 und 2. In älteren Schallmessgerätenormen gab es drei und auch vier Genauigkeitsklassen für die Messgeräte ( 0, 1, 2 und 3 ).

 

 

Emissions-Schalldruckpegel:

Der Emissions-Schalldruckpegel am Arbeitsplatz beschreibt den von einer Maschine an dem zugehörigen Arbeitsplatz verursachten Schalldruckpegel, falls die Maschine unter idealen Bedingungen im Freien und ohne Fremdgeräusche durch andere Maschinen aufgestellt wäre (d.h. ohne Raumeinfluss/Schallreflexionen und ohne Fremdgeräuscheinwirkung).

 

 

Schallleistungspegel:

 

Die Schallleistung ist die von einer Schallquelle je Zeiteinheit abgestrahlte Schallenergie und kann z.B. in W (Watt) angegeben werden. Daraus errechnet sich der Schallleistungspegel LW nach der folgenden Gleichung unter Bezug auf die Bezugsschallleistung P0 :

 

               LW    =   10 lg  ( P/ P0 )      dB                                                       

 

             mit :    

                 P     - Schallleistung

                 P0      - Bezugsschallleistung (P0 = 1 • 10 -12w)

 

Der Schallleistungspegel  LW     ist ein Maß für die von einer Maschine insgesamt abgestrahlte Schallenergie (Geräuschemission) je Zeiteinheit und ist unabhängig von der räumlichen Aufstellung (Schallreflexionen) und von Fremdgeräuschen durch benachbarte Maschinen.

 

Nachhallzeit:

 

Die Nachhallzeit T ist eine raumakustische Kenngröße, die den Abfall des Schalldruckpegels (Nachhall) für eine plötzlich ausgeschaltete Schallquelle innerhalb eines Raumes beschreibt. Die Nachhallzeit entspricht dabei der Zeit für eine Pegelabnahme um 60 dB bzw. auf den tausendsten Teil des Schalldruckes am Anfang des Pegelabfalls. Die Nachhallzeit ist abhängig von der Frequenz und wird in der Regel in Terzband- oder Oktavbandbreite angegeben.

 

Zur messtechnischen Bestimmung der Nachhallzeit bedarf es einer möglichst breitbandigen Schallanregung des Raumes, z.B. mit einem über Lautsprecher eingespielten Rauschsignal oder mit einer Schreckschusspistole (Impulsanregung), und der Erfassung des Pegelabfalls entsprechend der Skizze in Bild 4.

 

Bild 4:          Pegel-Zeit-Signal für den Knall einer Schreckschusspistole in einem Raum und   Bestimmung der Nachhallzeit aus der Zeit für den Pegelabfall um 60 dB

 

Die Nachhallzeit ist eine wichtige Grundlage für die Auslegung von Räumen (siehe z.B. DIN 18041). Als Messgröße dient sie der Erfassung des Schallabsorptionsvermögens eines Raumes und der Ableitung von Umgebungskorrekturwerten, z.B. bei der Bestimmung des Schallleistungspegels einer Maschine. 

 

Schallabsorptionsgrad:

 

Der Schallabsorptionsgrad a beschreibt bei einer Schalleinwirkung auf ein Material den von dem entsprechenden Material absorbierten Anteil an der insgesamt einfallenden Schallenergie (Verhältnis der absorbierten Schallenergie zur einfallenden Schallenergie). So bedeutet z.B. ein a = 0,5, dass 50% der Schallenergie absorbiert, d.h. in Wärme umgewandelt, wird. Ein a = 1,0 bedeutet, dass die auftreffende Schallenergie vollständig absorbiert wird.

 

 

Äquivalente Schallabsorptionsfläche:

 

Die äquivalente Schallabsorptionsfläche A dient der Beschreibung des Schallabsorptionsvermögens einer Fläche bzw. eines Raumes. Für eine schallabsorbierende Fläche lässt sich die äquivalente Absorptionsfläche durch Multiplikation der Fläche mit dem Schallabsorptionsgrad a berechnen.

 

Im Zusammenhang mit der Ermittlung des Schallleistungspegels oder der Beurteilung eines Arbeitsraumes interessiert vielfach die äquivalente Absorptionsfläche A für den entsprechenden Raum. Diese ergibt sich aus der Summe aller Absorptionsflächen des Raumes nach der folgenden Gleichung:

                       A =                                                                                   

 

            mit:

                  ai   =   Schallabsorptionsgrad a des Materials i

                  Si   =  einzelne Teilfläche i  des Raumes  

 

Unter bestimmten Bedingungen lässt sich die äquivalente Absorptionsfläche A eines Raumes nach der Sabineschen Formel über die Nachhallzeit T bestimmen:

                     A = 0,163 ×                                                                   

 

            mit:    

     A    -    äquivalente Absorptionsflächen in m²

                 V    -    Raumvolumen in m³

                 T     -    Nachhallzeit T in s