Ultraschall messen und beurteilen

 

Ultraschall-Schweißanlage zur Produktion von Text-Markern

 

Beurteilung von Ultraschallgeräuschen am Arbeitsplatz

1   Einleitung

 

Ultraschall wird heute in der industriellen Produktion vielfach eingesetzt, zum Beispiel zum Reinigen, Schweißen, Bohren und Schneiden. Dabei entstehen an den zugehörigen Arbeitsplätzen in der Regel tonale Geräuschbelastungen mit Anteilen sowohl im Ultraschall- als auch im Hörfrequenzbereich. Die Erfassung von entsprechenden Geräuschen erfordert spezielle Messgeräte bzw. Analysatoren. Handelsübliche Schallpegelmesser sind nur für den Hörschallbereich (16 Hz bis 16000 Hz) ausgelegt und deshalb ungeeignet. Aufgrund bestehender Unsicherheiten bei der Beurteilung von Ultraschall wurde dieses Thema in den Technischen Regeln zur Lärm- und Vibrations-Arbeitsschutzverordnung [1] bewusst ausgeklammert. 

Für die Messung, Beur­teilung und Minderung von Ultraschall an Arbeitsplätzen gibt es jedoch die VDI-Richtlinie 3766 [2], die im Jahr 2012 fertiggestellt wurde. Die Erarbeitung dieser Richtlinie hat mehr als 11 Jahre gedauert, vor allem weil die Meinungen bezüglich der Wirkung von Ultraschallgeräuschen auf das Gehör und der anzusetzenden Grenzwerte stark divergierten. Um überhaupt einmal zu einem Ende zu kommen, wurde in dem Normenausschuss des DIN und VDI schließlich ein Kompromiss gefunden, indem der Abschnitt zur Wirkung von Ultraschall vollständig gestrichen und ein Verweis auf die VDI-Richtlinie 2058 Blatt 2 [3] aufgenommen wurde. 

In diesem Beitrag sollen die Durchführung von Geräuschmessungen und die Beurteilung von Ultraschall nach der VDI 3766 und VDI 2058 Blatt 2 beschrieben werden, um damit den Betrieben mit Ultraschall-Anlagen eine Grundlage für die Gefährdungsbeurteilung an entsprechenden Arbeitsplätzen anzubieten und den Herstellern konkrete Vorgaben für die Planung der Anlagen aufzuzeigen.

  

2    Vorkommen von Ultraschall

 

Die VDI 3766 beschreibt die verschiedenen industriellen Einsatzbereiche von Ultra­schall in Form einer Tabelle. Die entsprechenden Anwendungen und die dabei genutzten Frequenzbereiche sind in der Tabelle 1 zusammengestellt.

  

Industrielle Anwendungen

Typische Frequenzbereiche

Reinigen

20 kHz bis 5 MHz

Schweißen

15 kHz bis 70 kHz

Aufbereitungs- und Verfahrenstechnik

20 kHz bis 400 kHz

Entgasung von Flüssigkeiten

20 kHz bis 100 kHz

Löten

20 kHz bis 100 kHz

Bohren und Schneiden

16 kHz bis 50 kHz

Abstandsmessungen in Luft

40 kHz bis 200 kHz

Füllstandsmessung (gasförmig und flüssig)

Zerstörungsfreie Materialprüfung

30 kHz bis 100 kHz

 

Tabelle1:          Industrielle Ultraschallanwendungen und typische Frequenzbereiche
                          (VDI 3766)

 

Ultraschallanlagen erzeugen in der Regel Geräusche, die sich aus mehreren tonalen Anteilen zusammensetzen. Neben der Schallabstrahlung bei der Arbeitsfrequenz ergeben sich vielfach auch bei der Hälfte oder einem Viertel der Arbeitsfrequenz sogenannte Sub­harmonische (Untertöne), die damit in den Hörfrequenzbereich fallen und den A-bewerteten Pegel bestimmen können. Oberhalb der Arbeitsfrequenz der Schweiß­maschine entstehen jeweils höhere Harmonische. 

Als Beispiel zeigt Bild 1 das Schmalbandspektrum für eine Ultraschall-Schweißmaschine mit der Arbeitsfrequenz von 20 kHz. Hier ergibt sich für die Arbeitsfrequenz ein Pegel von rund 120 dB., Die Subharmonische bei 10 kHz wird mit einem Pegel von rund 110 dB gemessen. Die höheren Harmonischen liegen im Pegelbereich von 100 dB. 

In dem als Bild 2 gezeigten Terz­bandspektrum ergibt sich für die Arbeitsfrequenz ebenfalls ein Pegel von ca. 120 dB. Im Hörschallfrequenzbereich dominiert die Subharmonische bei 10 kHz.

Bild 1: Schmalbandspektrum an einer Ultraschall-Schweißmaschine

Bild 2: Terzbandspektrum an einer Ultraschall-Schweißmaschine

3   Messgrößen und Kennwerte

 

Die Eigenschaften von Schallpegelmessern sind in der Messgerätenorm DIN EN 61672-1 [4] nur für Frequenzen bis 20 kHz beschrieben. Wie in Bild 3 dargestellt, lässt die Norm selbst für Schallpegelmesser der Genauigkeitsklasse 1 bei hohen Frequenzen oberhalb von 5000 Hz relativ große Grenzabweichungen zu. So können sich bei der Messung des A-bewerteten Pegels mit konventionellen Schallpegelmessern erfahrungsgemäß um bis zu rund 20 dB abweichende Messwerte ergeben. Die VDI 3766 legt deshalb für die Messung von Ultraschall engere Toleranzen fest und erweitert den Frequenzbereich bis 50 kHz (siehe grüne Kurve in Bild 3). 

Bei einer Terzbandanalyse lässt sich damit der Frequenzbereich bis zu dem Terzband mit der Mittenfrequenz von 40 kHz abdecken. Diese Vorgaben der VDI 3766 erfordern die Verwendung von Mikrofonen mit Durchmessern von ¼ Zoll oder 1/8 Zoll.

Die A-Bewertung ist zur Beurteilung von Ultraschallgeräuschen ungeeignet, weil dabei hohe Pegel im Ultraschallfrequenzbereich das Gesamtergebnis bestimmen können. So würde man z.B. bei einem reinen Ultraschallgeräusch mit einem Pegel von 110 dB bei 20 kHz einen A-bewerteten Pegel von rund 101 dB messen und könnte daraus auf ein hohes Hörschadensrisiko schließen. Nach dem heutigen Kenntnisstand darf man jedoch davon ausgehen, dass bei dieser Ultraschallexposition (110 dB bei 20 kHz) noch keine Gefahr für das Gehör besteht (siehe Abschnitt 5). 

Zur Beurteilung der Geräuschbelastung im Hörschallfrequenzbereich ist es erforderlich, den Hörschallanteil möglichst separat zu erfassen. Das lässt sich entweder durch eine Frequenzanalyse oder durch Messung mit einem geeigneten Hochpassfilter realisieren. Nach der VDI 3766 ist ein AU-Filter einzusetzen, wie es die Graphik in Bild 4 zeigt. Dieses AU-Filter setzt sich aus der Kombination der A-Bewertung mit der U-Bewertung nach DIN EN 61012 [5] zusammen (in Reihe geschaltet) und unterdrückt vorhandene höhere Frequenzen in starkem Maße, z.B. um ca. 20 dB bei 16 kHz, ca. 35 dB bei 20 kHz, ca. 50 dB bei 25 kHz und ca. 80 dB bei 40 kHz. Mit diesem AU-Filter würde für das oben angenommene reine Ultraschallgeräusch mit 110 dB bei 20 kHz ein AU-Pegel von ca. 75 dB gemessen.

 

Bild 3:

Fehlergrenzen für Schallpegelmesser
nach DIN EN 61672-1 Klasse 1 (in Rot),
Klasse 2 (in Blau) und nach VDI 3766 (in Grün)

 

     Bild 4:  

     Frequenzbewertungskurven A, AU und Z

Da die DIN EN 61672-1 [4] für hohe Frequenzen relativ große Fehlergrenzen zulässt, erfüllt ein Schallpegelmesser mit dem AU-Bewertungsfilter, der die geringen Toleranzen nach der VDI 3766 einhält (siehe Bild 3), auch die entsprechenden Vorgaben der Schallpegelmessernorm für die A-Bewertung. Der so ermittelte AU-bewertete Pegel wäre damit zugleich ein A-bewerteter Pegel

Als zusätzliche Messgröße und Kennwert ist nach VDI 3766 der Z-bewertete Spitzen­schalldruckpegel LZpeak (Peak-Wert) zu bestimmen. Die Z-Bewertung bedeutet, dass dabei die Geräuschanteile bei allen Frequenzen unbewertet, d.h. ungedämpft, in den Messwert eingehen (siehe Bild 4).

Um die Belastungssituation genauer beschreiben zu können und zur Beurteilung des Ultraschallanteils des Geräusches, sollte das Messgerät auch eine Echtzeit-Terzbandanalyse ermöglichen. Optional kann auch ein Schmalband-Analysator eingesetzt werden, z. B. um damit vorhandene höhere Harmonische oder Subharmonische genau zu erkennen. 

Zur Beurteilung einer Belastungssituation definiert die VDI 3766 Kennwerte, die aus den oben genannten Messgrößen abgeleitet werden. Ein wichtiger Kennwert ist beispielsweise der AU-bewertete Lärmexpositionspegel LEXAU,8h, der aus dem für die Arbeitsschicht ermittelten AU-bewerteten äquivalenten Dauerschallpegel LAUeq unter Berücksichtigung der Dauer der Arbeitsschicht (Einwirk­zeit) mit Bezug auf 8 Stunden berechnet wird. Dieser Kennwert entspricht dem im Rahmen der Gefährdungsbeurteilung üblicherweise ermittelten Tages-Lärmexposi­tionspegel LEX,8h nach DIN EN ISO 9612 [6] mit dem kleinen Unterschied, dass nach der VDI-Richtlinie 3766 der äquivalente Dauerschallpegel in der Frequenzbewertung „AU“ anstelle in „A“ gemessen wird. Als weiterer Kennwert wird der maximale 5-Minuten-Terzschalldruckpegel LZeq,Terz,5min definiert, der die Belastungssituation im jeweiligen Terzband für den lautesten 5-minü­tigen Zeitabschnitt der Arbeitsschicht beschreibt. 

Die in der VDI 3766 beschriebenen Messgrößen und Kennwerte sind in der Tabelle 2 aufgelistet.

 

Messgröße / Kennwert

Formelzeichen

AU-bewerteter äquivalenter Dauerschallpegel

LAUeq

AU-bewerteter Lärmexpositionspegel

LEXAU,8h

Z-bewerterter Spitzenschalldruckpegel

LZpeak

Z-bewerteter Terzschalldruckpegel

LZeq,Terz

Maximaler 5-Minuten-Terzschalldruckpegel

LZeq,Terz,5min

Schmalbandspektrum  (- optional)

-

 

Tabelle 2:        Messgrößen und Kennwerte nach VDI 3766

 

4    Durchführung der Messungen

 

Die Schallexposition an Ultraschall-Anlagen soll vorzugsweise in Abwesenheit des Beschäftigten gemessen werden, um mögliche Schallreflexionen und Abschattungseffekte durch die Person zu vermeiden. Da man bei hochfrequenten Lärmquellen mit starken Nahfeldeffekten und inhomogenen Schallfeldern rechnen muss, erfordert die Messung eine Erfassung der „Schallexposition an allen möglichen Kopfpositionen des Beschäftigten, zumindest aber an einer repräsentativ großen Anzahl von Positionen“. Dabei geht es wohl darum, die örtlichen Pegelunterschiede zu erfassen und den Ort mit der höchsten Schallexposition zu ermitteln. Für den Messpunkt mit der höchsten Schallexposition ist dann noch eine Kontrollmessung in Anwesenheit des Beschäftigten durchzuführen. Die VDI 3766 macht jedoch keine Aussage dazu, welche Messwerte als Ergebnis festzuhalten sind. Es wäre wohl sinnvoll, neben den ermittelten Höchstwerten auch räumlich gemittelte Werte anzugeben, um damit die durchschnittliche Geräuschbelastungssituation des Beschäftigten bei der entsprechenden Tätigkeit zu beschreiben. 

Alternativ zu der ortsfesten Messung mit dem Schallpegelmesser sind auch personengebundene Messungen mit einem entsprechend den Vorgaben der DIN EN ISO 9612 [6] auf der Schulter des Beschäftigten befestigten Mikrofon möglich. Das Mikrofon ist dabei auf der Schulter mit der höheren Schallexposition anzubrin­gen. Um die Seite mit der höheren Belastung zu ermitteln, verlangt die VDI 3766 Vergleichsmessungen auf beiden Seiten des Kopfes. Bei der personengebundenen Messung gibt es aber das Problem, ein geeignetes Messgerät zu finden, mit dem sich die geforderten hohen Frequenzen erfassen lassen. Handelsübliche Lärmdosimeter kommen dafür aufgrund ungeeigneter Mikrofone und großer Toleranzen bei höheren Frequenzen nicht in Betracht. Deshalb wird man auch an einem mobilen Arbeitsplatz in der Regel wohl einen Präzisionsschallpegelmesser einsetzen müssen, der die Anforderungen nach VDI 3766 erfüllt (siehe Abschnitt 3). Das Mikrofon wäre dann mit einer geeigneten Vorrichtung auf der Schulter zu befestigen oder dem Beschäftigten von Hand nachzuführen.

Im Rahmen eines größeren Europäischen Projektes zur Problematik der Erfassung und Beurteilung von Ultraschall (15HTL03 Ears II) werden derzeit vom Institut für Arbeitsschutz der DGUV (IFA) die Methoden der Messtechnik an industriellen Ultraschallanlagen genauer untersucht, um damit eine universell einsetzbare Messmethode zu entwickeln.

 

5    Richtwerte nach VDI 3766 und VDI 2058 Blatt 2

 

Die Kenntnisse zur Wirkung von Ultraschall auf das Gehör basieren vor allem auf älteren Studien, wobei vielfach nur relativ kleine Gruppen untersucht wurden (siehe [7] und [8]). Leider fehlen die notwendigen umfangreichen Daten zu Ultraschallexpositionen und Hörverlusten, um daraus eine Dosis-Wirkungs-Beziehung ableiten zu können. Zudem waren die meisten Beschäftigte an Ultraschall-Anlagen in ihrem Berufsleben auch anderen Lärmexpositionen ausgesetzt, so dass sich festzustellende Hörminderungen nicht eindeutig der Ultraschallbelastung zuordnen lassen. Es gibt auch kein anerkanntes Gehörschadensmodell, mit dem sich Gehörschäden durch Ultraschall erklären lassen. Unstrittig ist jedoch, dass man im Ultraschallfrequenzbereich höhere Schalldruckpegel zulassen kann als im Hörschallbereich, ohne mit Beeinträchtigungen oder Gehörschäden rechnen zu müssen. Deshalb ist es sicher sinnvoll, die Schallbelastungen im Hörschall- und im Ultraschallfrequenzbereich jeweils separat zu erfassen und zu beurteilen. 

Im Rahmen der Erarbeitung der VDI-Richtlinie 3766 wurden in dem zuständigen Arbeitskreis des DIN und VDI alle verfügbaren Studien zur Wir­kung von Ultraschall ausgewertet und diskutiert. Man konnte sich jedoch nur auf die Aussage verständigen, dass der luftgeleitete Ultraschall keine Hörminderungen im Sprachfrequenzbereich (100 Hz bis 8 kHz) verursacht, wenn die in der Tabelle 3 angegebenen Richtwerte eingehalten werden. Als Richtwerte nennt die VDI 3766 einen AU-bewerteter Lärmexpositionspegel LEXAU,8h von 85 dB und einen Spitzenschalldruckpegel von 140 dB.  

 

Kenngröße

Richtwert

AU-bewerteter Lärmexpositionspegel LEX AU,8h

85 dB

Z-bewerteter Spitzenschalldruckpegel LZ peak

140 dB

 

Tabelle 3:   Nach VDI 3766 einzuhaltende Richtwerte

 

Der AU-bewertete Pegel beschreibt dabei die Schallexposition im Hörschallfrequenzbereich, während der Spitzenpegel auch Belastungen im Ultraschallfrequenzbereich beinhalten kann.

  

 

Die VDI-Richtlinie 3766 macht keine Angaben zum Schutz des Gehörs im oberen Hörfrequenzbereich (oberhalb von 8 kHz) und zur Vermeidung möglicher anderer gesundheitlicher Beeinträchtigungen, wie etwa Kopfschmerzen, Schwindel, Übelkeit und Druckgefühle. In einer Anmerkung wird allerdings auf die VDI 2058 Blatt 2 [3] verwiesen, die in der seinerzeit vorliegenden Fassung aus 1988 einen Höchstwert von 110 dB für das Terzband von 20 kHz nannte. Danach sollten sich Beeinträchtigungen durch luftgeleiteten Ultraschall vermeiden lassen, wenn der Terzschalldruckpegel mit der Mittenfrequenz von 20 kHz den Wert von 110 dB nicht überschreitet.

 

Da die Betreiber von Ultraschallanlagen im Rahmen der Gefährdungsbeurteilung nach dem Arbeitsschutzgesetz [9] entscheiden müssen, ob eine Gefährdung für die Beschäftigten an diesen Arbeitsplätzen besteht und gegebenenfalls geeignete Schutzmaßnahmen notwendig sind, habe ich im Jahre 2012 entsprechende Richtwerte für höhere Frequenzen vorgeschlagen [10], die in der Tabelle 4 zusammengestellt sind. Grundlage dazu waren entsprechende Empfehlungen in der Literatur sowie bestehende Regelungen in anderen Ländern. Eine entsprechende Zusammenstellung von national festgelegten Richtwerten findet sich z.B. in dem ISVR-Report von B.W. Lawton aus dem Jahr 2013 [11] (siehe auch [12]). Die seinerzeit vorgeschlagenen Richtwerte [10] sollten sich nach dem Stand der Technik problemlos einhalten lassen und haben sich deshalb wohl auch in der betrieblichen Praxis etablieren können. Inzwischen sind sie als Empfehlung auch in dem Entwurf der VDI 2058 Blatt 2 [3] zu finden.

 

Bei Einhaltung der entsprechenden Richtwerte für den oberen Hörfrequenzbereich und den Ultraschall (siehe Tabelle 4), sollten sich Beeinträchtigungen, wie Kopfschmerzen, Schwindel, Übelkeit und Druckgefühle, vermeiden lassen. Da die angesprochenen Symptome schon bei kurzzeitigen entsprechenden Belastungen auftreten können, wurde als Kennwert der maximale 5-Minuten-Terzschalldruckpegel nach VDI 3766 gewählt, der die Belastung innerhalb einer besonders lauten 5-minütigen Phase des Arbeitstages beschreibt. 

 

Terzbandmitten­frequenz

in kHz

Maximaler 5-Minuten-Terz­bandpegel

LZeq,Terz,5min  in dB

 

16

 90 dB

 

20

110 dB

 

25

110 dB

 

31,5

110 dB

 

40 

110 dB

  

Tabelle 4:        Empfohlene Richtwerte für Ultraschallquellen (Maue [10] und Entwurf VDI 2058-2 [3])

 

5    Zusammenfassung

 

Die Messung und Beurteilung von Ultraschallgeräuschen erfordert spezielle Messgeräte und Analysatoren. Die Anforderungen an die Messtechnik und die Durchführung entsprechender Messungen ist in der VDI 3766 beschrieben. Für die Geräuschbeurteilung unterscheidet man sinnvollerweise zwischen dem Hörschall- und dem Ultraschallfrequenzbereich. Nach der VDI 3766 ist der AU-bewertete Pegel zu erfassen, der die Belastung im Hörschallbereich beschreibt und den Ultraschallanteil weitgehend unterdrückt. Zur Vermeidung von Hörminderungen im Sprachfrequenzbereich (100 Hz bis 8 kHz) wird die Einhaltung eines AU-bewerteten Pegels von 85 dB empfohlen. Nach meinem Vorschlag aus 2012, der auch von dem neuen Entwurf der VDI 2058 Blatt 2 übernommen wurde, empfiehlt sich zur Beurteilung von Ultraschall eine Terzbandanalyse in den Frequenzbändern von 16 bis 40 kHz. Zum Schutz vor extraauralen Wirkungen des Ultraschalls, wie Kopfschmerzen, Schwindel und Übelkeit, sollten ein Terzbandpegel von 90 dB bei 16 kHz und Pegel von 110 dB für die Terzbänder von 20 bis 40 kHz (Tabelle 3) eingehalten werden. Diese Richtwerte orientieren sich an in der Literatur und in anderen Ländern gegebenen Empfehlungen und lassen sich erfahrungsgemäß nach dem Stand der Technik auch realisieren. 

Die in der VDI-Richtlinie 3766 zum Schutz des Gehörs im Sprachfrequenzbereich genannten Richtwerte können in Verbindung mit den im Entwurf der VDI 2058 Blatt 2 für höhere Frequenzen festgelegten maximalen Terzbandpegeln als Grundlage für die Gefährdungsbeurteilung entsprechender Arbeitsplätze dienen. Die Hersteller von Ultraschallanlagen erhalten damit konkrete Vorgaben, an denen sie sich bei der Planung der Anlagen orientieren können.

 

Literatur

 

[1]  Technische Regeln zur Lärm- und Vibrations-Arbeitsschutzverordnung – TRLV Teil: Lärm. 1. Fassung: Gemeinsames Ministerialblatt Nr. 18–20/2010 vom 23. März 2010, 2. Fassung: Gemeinsames Ministerialblatt GMBI Nr. 34/35 vom 05.09.2017 

 

[2]  VDI 3766: Ultraschall; Arbeitsplatz; Messung, Bewertung, Beurteilung und Minderung. (September 2012)

 

[3]  VDI 2058 Blatt 2: Beurteilung von Lärm hinsichtlich Gehörgefährdung. (Ju­ni 1988, bzw. Entwurf Februar 2017)

 

[4] DIN EN 61672-1: Elektroakustik – Schallpegelmesser; Teil 1: Anforderungen (Juli 2014)

 

[5]  DIN EN 61012: Filter für die Messung von hörbarem Schall im Beisein von Ultraschall. (September 1998)

 

[6]  DIN EN ISO 9612: Akustik – Bestimmung der Lärmexposition am Arbeitsplatz; Verfahren der Genauigkeitsklasse 2 (Ingenieurverfahren). (September 2009)

 

[7] Veit, I.: Betrachtungen über die bisher bekannten Wirkungen von Ultraschall auf das menschliche Gehör. Z. Lärmbekämpfung 27, S. 188-192 (1980)

 

[8] Schust, M.: Biologische Wirkung von luftgeleitetem Ultraschall. Schriftenreihe der Bundesanstalt für Arbeitsmedizin, Literaturdokumentation 4, Berlin 1996

 

[9]  Arbeits­schutzgesetz (ArbSchG) vom 7. August 1996, BGBl. I, S. 1246

 

[10]  Maue, J. H.: Messung und Beurteilung von Ultraschallgeräuschen am Arbeitsplatz. Technische Sicherheit Bd. 2 (2012) Nr. 7/8, S. 51-55

 

[11] Lawton, B. W.:  Exposure limits for airborne sound of very high frequency and ultrasonic frequency. ISVR Technical Report No. 334 (2013)

 

[12] Wolff, A.: Luftgeleiteter Ultraschall am Arbeitsplatz – ein kritischer Blick auf die aktuellen Studien. Technische Sicherheit Bd. 4 (2014) Nr. 6 - Juni, S. 14-17

 

[13] Lips, W., Hohmann, B.: Ultraschallanlagen als Lärmquellen. Schweizerische Unfallversicherungsanstalt, Luzern 1997

 

[14] Brendel, K. et al.: Leitfaden „Nichtionisierende Strahlung“ – Ultraschall. Fachverband f. Strahlenschutz, FS 97-89-AKNIR, September 1997