Schallpegel, Lautstärke und SchallmessungDas Wichtigste in Kürze... Show
Das Gehör kann einen riesigen Schalldruckbereich verarbeiten; allerdings entspricht dies nicht direkt dem Lautstärkeeindruck. Das Gehör hat nämlich eine variable Empfindlichkeit. Die logarithmische Dezibel-Skala bildet von 0 dB (Hörschwelle) bis ca. 130 dB (Schmerzgrenze) den gesamten Lautstärkebereich in überschaubaren Schritten ab. Beim Rechnen mit Schallpegeln muss berücksichtigt werden, dass die Schallintensitäten miteinander verrechnet werden müssen und nicht die Dezibel-Werte. Eine Verdoppelung der Schallleistung entspricht einer Schallpegelerhöhung um 3 dB. Ein gesundes Gehör kann bei guten Bedingungen im direkten Vergleich Pegel von 1 dB unterscheiden. Das Gehör ist nicht in allen Frequenzbereichen gleich sensitiv. Generell werden tiefe Töne bei gleichem Schallpegel als weniger laut empfunden. Daher weicht das Gehör auch von der Dezibelskala ab. Die Lautheitsskala in [sone] beruht darauf, dass 0.5 sone halb so laut sind wie 1 sone und 9 sone dreimal so laut sind wie 3 sone. Diese subjektive Skala bildet das Hörempfinden also linear ab. Um die Abweichungen der Schallmessungen vom
Höreindruck zu korrigieren, werden Messfilter eingesetzt. Heute wird meistens das A-Filter verwendet und damit gemessene Schallpegel werden in dB(A) angegeben. Die Messfilter versuchen die phon-Kurven zu simulieren. "Lautstärke" kann nicht gemessen werden! Was physikalisch gemessen wird, ist der Schalldruck, der dann in einen
Schallpegel umgerechnet und in dB resp. dB(A) angegeben wird. Eine aussagekräftige Grösse in der Schallpegelmessung ist der energieäquivalente Dauerschallpegel Leq. Der Leq mittelt die Schallenergie über die Messdauer und nicht die Schallpegel. Schalldruckpegel resp. SchallpegelSchalldruckDie hörbaren Druckschwankungen sind verglichen mit dem atmosphärischen Luftdruck winzig klein. Sie sind, physikalisch gesprochen, dem vorherrschenden Luftdruck überlagert und werden als Schalldruck bezeichnet. Die Abkürzung für den Schalldruck ist P und die Einheit ist Pascal [Pa]. SchalldruckpegelDas Gehör kann einen riesigen Schalldruckbereich verarbeiten, nämlich von 0.00002 Pa (Hörschwelle) bis ca. 20 Pa (Schmerzgrenze). Dies entspricht sechs Grössenordnungen! Allerdings entsprechen solche Angaben in keiner Weise dem Lautstärkeeindruck. Das Ohr hat nämlich eine variable Empfindlichkeit: für schwache Signale eine grosse und für starke Signale eine kleine. Da der Schalldruck eines Tones so klein ist, wird zur Angabe der Stärke des Schalls der Schalldruck eines Tones mit dem Druck eines gerade noch wahrnehmbaren Tones bei 1 kHz verglichen. Diesen relativen Bezug nennt man Schalldruckpegel L oder kurz Schallpegel. Die Massangabe erfolgt in Dezibel [dB]. Die Einführung dieser Skala verkürzt den Wertebereich erheblich, die Schalldruckwerte von 0.00002 Pa bis 20 Pa werden durch die Dezibel-Werte von 0 bis 120 dB abgebildet. Die Dezibel-Skala wurde nämlich als logarithmische Skala festgelegt. Aus dem Schalldruck und dem Bezugsschalldruck (Hörschwelle bei 1kHz), lässt sich der Schallpegel mit der folgenden Formel berechnen:
Da unser Gehör näherungsweise logarithmisch arbeitet, ergibt sich mit dem Dezibelmass eine bessere Übereinstimmung mit dem Lautstärkeeindruck eines Signals. Eine Erhöhung des Pegels um 10 dB nehmen wir immer etwa als Verdoppelung der Lautstärke wahr. Ein Mensch kann bestenfalls Unterschiede von einem Dezibel wahrnehmen. nach oben Rechnen mit Schallpegeln - oder wenn 0 + 0 = 3 istSchallpegelwerte haben den Nachteil, dass sie nicht einfach addiert werden dürfen. Was sich von zwei Schallquellen addiert, ist nämlich ihre Schallleistung (oder -intensität), die zum Quadrat des Schalldrucks proportional ist. Für eine Verdoppelung der Schallleistung muss der Schalldruck nur um den Faktor √2 grösser werden! Prinzipiell sind nicht die einzelnen Schallpegelwerte zu addieren, zu subtrahieren oder zu multiplizieren, sondern die einzelnen Schallleistungen. Das erhaltene Resultat ist danach in einen Schallpegel umzurechnen. So gilt zum Beispiel für die Addition von zwei Schallquellen mit je 0 dB: 0 dB + 0 dB => 3 dB. Ebenfalls gilt für zwei Schallquellen mit je 65 dB: 65 dB + 65 dB => 68 dB. Es gelten die folgenden Beziehungen:
Die Formeln für Schallleistungen werden benutzt, wenn es sich um mehrere Schallquellen handelt oder wenn die Leistung einer Musikanlage vergrössert wird. Die Formeln für den Schalldruck braucht man, wenn z. B. eine Lautsprechermembran doppelt so stark ausgelenkt wird, also wenn man etwa die Wechselspannung am Lautsprecher verdoppelt.
Für Schädigungen des Ohres ist der mit dem Schall auf das Ohr übertragene Energiebetrag entscheidend. Energie ist das Produkt aus Leistung mal Zeit. Die gehörschädigende Wirkung des Schalls ist daher gleich dem Produkt aus Schallleistung und Einwirkzeit. Müssen unterschiedliche dB-Werte addiert werden, berechnet sich dies wie folgt:
L1, L2 bezeichnen die einzelnen Schallpegel in dB. Diese Formel wandelt die Schallpegel zuerst in Schallleistungen um, addiert diese und geht dann zurück auf die dB-Skala. Weitere Schalldruckpegel werden analog zu den Termen mit L1, L2 hinzugefügt. nach oben Unterscheidung von Pegeldifferenzen durch unser Gehör
Unser Gehör passt sich schnell an vorhandene Schallpegel an. Die Differenzen von Pegeln treten am stärksten in Erscheinung, wenn wir zwei Pegel unmittelbar nacheinander hören. Der kleinste hörbare Unterschied ist vom Pegel und von der Frequenz abhängig. 1 dB sollte etwa hörbar sein. Dort wo unser Gehör am empfindlichsten ist, nämlich bei 4 kHz und sehr hohen Pegeln ab 80 dB, ist bestenfalls sogar ein Unterschied von 0.25 dB feststellbar. nach oben Lautstärke und Lautheit: phon und soneZwei Töne mit gleichem Schallpegel, aber unterschiedlicher Frequenz, werden oft auch als unterschiedlich laut wahrgenommen. Neben der physikalisch messbaren Grösse (Schalldruck, Schalldruckpegel) wurde daher auch eine rein subjektive Grösse, die Lautstärke, definiert. Die Lautstärke wird in [phon] angegeben, und deren Definition beruht auf dem subjektiven Vergleich zweier Schallvorgänge. Für diesen Vergleich wurde der 1-kHz- Ton als Referenzton gewählt. Die Lautstärkeskala entspricht daher bei 1 kHz genau der Dezibelskala. Um die Lautstärke eines bestimmten Schallvorganges (Signals) zu bestimmen, vergleicht man das vorhandene Signal mit dem 1000-Hz-Referenzton. Die Intensität des Referenztons wird nun solange verändert, bis er als gleich laut empfunden wird wie das vorhandene Signal. Der beim Referenzton ablesbare Schallpegel entspricht dann der Lautstärke des erzeugten Schallvorganges in phon.
Die Kurven gleich empfundener Lautstärke von reinen Tönen wurden anhand zahlreicher Untersuchungen mit normal hörenden Personen im Alter zwischen 18 und 25 Jahren bestimmt. nach oben Lautheitsskala in soneEine Veränderung um 10 phon wird subjektiv als Verdoppelung resp. Halbierung der Lautstärke empfunden. Um diesen Umstand besser zu erfassen, wurde eine weiteres, subjektives Mass eingeführt: die Lautheit, gemessen in [sone]. Die Lautheits-Skala beruht darauf, dass 2 sone doppelt so laut sind wie 1 sone und analog dazu 0.5 sone halb so laut sind. Als Referenz gilt dabei der Wert 40 phon, bei welchem 1 sone definiert ist. Die Umrechnung von phon in sone funktioniert folgendermassen:
Der grosse Vorteil der Lautheitsskala in sone liegt in der direkt ablesbaren Vergleichbarkeit von Lautheitsangaben. Der Nachteil ist, wie auch bei phon-Angaben, dass es sich um subjektive Werte handelt, die mit keinem Messinstrument einfach erfasst werden können. Lautstärkeangaben in phon oder sone waren in den 70-er Jahren noch weit verbreitet, wurden dann aber immer mehr von den sogenannten dB(A) Werten verdrängt. Inzwischen werden im Bereich der Klima- und Lüftungstechnik und auch bei PC-Hardware wieder vermehrt Lautheitsangaben in sone gemacht. Diese Angaben sind zwar für Vergleiche sehr sinnvoll, nur werden die sone-Werte meistens nicht direkt gemessen, sondern aus dB(A)-Messungen und dem Frequenzband berechnet. Kein Wunder, würde eine sone-Messung ja auch die empfindlichen Ohren einer grossen Anzahl von Testpersonen verlangen, um ein statistisch brauchbares Resultat zu erreichen. nach oben Abweichung des Gehörs von der Dezibel-Skala: Die dB(A)-BewertungUm die Messungen von Schall unserem Gehör anzupassen, wurden verschiedene Filter entwickelt. Diese Filter korrigieren die Messwerte in einem gewissen Frequenzbereich, um damit der Empfindlichkeit des Ohrs besser gerecht zu werden. Das A-Filter schwächt beispielsweise Bässe und Höhen ab. Dadurch sieht ein A-bewertetes Messergebnis ähnlich aus wie eine phon-Kurve. Weitere Filter wurden mit B, C, und D bezeichnet. Alle diese Filter wurden für einen gewissen Bereich der Dezibelskala optimiert, das A-Filter für kleine Schallpegel, das D-Filter für sehr grosse. Durch den Einsatz eines solchen Filters stimmt der angegebene Messwert eher mit unseren Empfindungen überein und kann relativ einfach gemessen werden. Um die Handhabung und Vergleichbarkeit zu erhöhen, wird heute bei Messungen fast ausschliesslich das A-Filter verwendet, egal ob es sich um laute oder leise Schallvorgänge handelt. Die A-Bewertung des Schallpegels wird in dB(A) angegeben, kann ansonsten aber wie dB-Werte gehandhabt und addiert werden. nach oben Die Messung von SchallTheorieWie es der Name schon sagt, wird mit dem Schallpegelmesser der Schall(druck)pegel gemessen. Meistens erfolgt die Angabe in dB(A).
Doch die Frage ist, was eigentlich gemessen wird, bzw. wie lange gemessen werden soll? An einer Strasse treten verschiedene Arten von Schall-Ereignissen auf. Wenn ein Auto vorbeifährt, ist der Schallpegel höher als wenn gerade nichts vorbeifährt. Trotzdem ist es auch dann meist nicht absolut still. Diese Schwankungen können auf verschiedene Weise erfasst werden. Man kann den maximalen Pegel während der Durchfahrt des Fahrzeugs messen, es ist aber auch möglich, den Durchschnittswert über mehrere Minuten zu messen. Doch am meisten interessiert man sich für den durchschnittlich am Messort herrschenden Schallpegel, der für die Beurteilung der Lärmsituation benötigt wird. Dazu muss auch die Impulshaftigkeit und der Informationsgehalt einer Schallquelle berücksichtigt werden. GerätetypenEs gibt verschiedene Sorten Geräte zur Messung des Schallpegels. Einerseits die typischen Schallpegelmesser:
Zu einem etwas anderen, spezialisierten Gerätetyp zur Messung des Schalls gehören die Ohrsimulatoren. Verwendet werden sie hauptsächlich zum Testen und Messen von Kopfhörern und Hörgeräten, jedoch auch zur Kalibration von Audiometern, die zur Bestimmung der Hörfähigkeit dienen. Die Komplexität solcher Geräte variiert stark, von einfachen hohlzylinderähnlichen Formen bis hin zu Konstruktionen, die die Eigenschaften des menschlichen Ohrs mithilfe einer geeigneten Formgebung nachzuahmen versuchen. Lärmdosimeter sind eng verwandt mit den Strahlendosimetern, die z.B. von Arbeitern in Kernkraftwerken verwendet werden: sie werden am Körper getragen und sagen etwas darüber aus, wie
viel Lärm eine Person über eine längere Zeitperiode insgesamt ausgesetzt war. Dabei wird der Schallpegel fortwährend gemessen und quasi aufaddiert; das Resultat ist gewöhnlich in der Einheit Pa2·h. Moderne Lärmdosimeter sind sehr klein und können beispielsweise auf der Schulter getragen werden. Da sie ohne Kabel oder dergleichen auskommen, ist auch die Unversehrtheit des Geräts stets gewährleistet.
GenauigkeitVon der Anwendung her ergibt sich eine Notwendigkeit einer Messauflösung um eine Grössenordnung besser als die der interessierenden Grenzwerte, also 0.1 dB. Daraus ergibt sich eine erforderliche Genauigkeit von ±0.05 dB. Auf die Hörfähigkeit des menschlichen Ohrs bezogen, würde eine Genauigkeit von 1 dB prinzipiell ausreichen. Zur Bestimmung der Genauigkeit von Schallpegelmessern gibt es zwei wichtige Werte:
Die Messgeräte selbst sind in zwei Klassen unterteilt, die in der Norm der 'International Electrotechnical Comission' IEC 61672 reglementiert sind. Die Klasse 1, die in Labor und Feld verwendet wird, muss ein breiteres Frequenzspektrum genauer messen können als Klasse 2, die hauptsächlich für weniger spezialisierte Belange im Feld benutzt wird, d.h. die Anforderungen sind höher. Die MessungBezüglich des Messvorganges selbst sind drei Dinge unerlässlich:
Nur unter diesen Bedingungen ist ein korrektes und vor allem vergleichbares Resultat gewährleistet, das beispielsweise auch als Grundlage für einen Gerichtsentscheid dienen könnte. nach oben Der energieäquivalente Dauerschallpegel LeqDank dem Einsatz von Elektronik ist es heute möglich, mit relativ einfachen Messinstrumenten eine weitaus aussagekräftigere Grösse zu messen, als dies der reine Durchschnittswert des Pegels ist. Diese Grösse heisst energieäquivalenter Dauerschallpegel Leq, auch Mittelungspegel oder Intensitätsmittel genannt. Energieäquivalent bedeutet "die gleiche Enegie enthaltend", "der gleichen Energie entsprechend". Im Prinzip entspricht die Schallenergie des (konstanten) Leq-Pegels genau der durchschnittlichen Schallenergie des schwankenden Schallereignisses. Das Gerät misst also während einer Zeitspanne den Schallpegel, berechnet daraus die Energie des Schalls und summiert diese Energiewerte auf. Am Ende der Zeitspanne wird die Gesamtenergie über die Zeitspanne gemittelt und als Leq in dB ausgegeben. Formal bedeutet dies:
Der Hauptvorteil des energieäquivalenten Dauerschallpegels ist, dass damit ein zeitlich schwankendes Schallereignis mit einer einzigen Beurteilungsgrösse charakterisiert werden kann Als Beurteilungsgrösse ist der Leq für verschiedenste Lärmarten sinnvoll. Bei Industrie- oder Gewerbelärm mit bedeutender Impulshaftigkeit der Schallereignisse, kann der Leq problematisch sein, weil dann die störenden Spitzenwerte "verdünnt" werden können. Trotzdem wird der Leq auch bei solchen Lärmarten angewandt. Die subjektive Störwirkung durch die Impulse wird nachträglich mit einer Pegelkorrektur ausgeglichen. Der SEL-PegelIn der Praxis der Lärmbekämpfung wird oft in Ergänzung zum Leq auch der sog. SEL-Pegel (Sound-Exposure-Level) bestimmt. Die Schallenergie des SEL-Pegels entspricht genau der Schallenergie des Leq-Pegels, allerdings wird nicht über den Beurteilungszeitraum gemittelt, sondern auf eine Einwirkungszeit von 1 Sekunde. Man konzentriert damit beispielsweise die Energiesumme aus 3 Minuten Messzeit auf eine Sekunde, das heisst der SEL-Wert ist im allgemeinen grösser als der Leq. Aus dem Leq berechnet sich der SEL wie folgt:
Mit dem SEL-Pegel lassen sich die Energien von Schallereignissen vergleichen, welche unterschiedliche Zeitdauer und Intensität haben. Nebst diesen Grössen gibt es noch eine Menge weiterer Kennzahlen, insbesondere für Langzeitmessungen über Tage und Nächte, wo gewisse tageszeitliche Korrekturen zur Beurteilung der Lärmbelästigung angebracht sind. nach oben Sind 2 Dezibel Unterschied hörbar?Halbierung der Lautstärke empfunden wird. Eine Schallpegeldifferenz von 3 dB gilt als wahrnehmbar, 1 dB Unterschied ist kaum noch hörbar.
Wie viel dB sind Verdopplung?Eine Erhöhung des Schalldruckpegels um 10 dB wird als Verdoppelung der Lautstärke wahrgenom- men. Man benötigt zehn gleichlaute Geräuschquellen – im Vergleich zu einer –, um den Eindruck „doppelt so laut“ zu erzeugen.
Wie viel lauter sind 3 dB?Die Grundregeln für das Arbeiten mit Dezibel. Wie viel machen 3db aus?Verdopplung der Lautstärke (Lautheit) soll bei einer Pegeländerung von etwa +10 dB empfunden werden. Verdopplung bei der Schallintensität (Schallenergie) entspricht der berechneten Pegeländerung von +3 dB.
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