Messtechnik-Labor (MTL)

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1 Messtechnik-Labor (ML) Laborversuch 12: Messen akustischer Grundgrößen I. Vorbereitungstext 1. Physikalische Grundlagen 1.1. Entstehung des Schalls 1.2. Physikalische Messgrößen 2. Erfassung der Schallpegel 2.1. Einleitung 2.2. Schallemissionsmessung 2.3. Schallimmissionsmessung 2.4. Schalldämmung 2.5. Schalldämpfung 3. Rechnen mit Dezibel II. III. Versuchsdurchführung Literatur zum Vorbereitungstext

2 I. Vorbereitungstext 1. Physikalische Grundlagen 1.1. Entstehung des Schalls Was ist Schall? Als Schall bezeichnet man Schwingungen von festen, flüssigen oder gasförmigen Medien, die durch sich zeitlich ändernde Kräfte bzw. beschleunigte Bewegungen verursacht werden. Die Umwandlung der Schwingungsenergie fester Körper in Luftschall kommt durch Schwingungsübertragung der abstrahlenden Oberfläche auf die umgebende Luft zustande. Ist der schwingungsfähige Körper in Ruhe, so steht die angrenzende Luft zunächst unter atmosphärischem Gleichdruck (1 bar = 1 5 Pa). Diesem statischen Gleichdruck wird nun durch Schwingung des Körpers der Schalldruck p(t) überlagert (s. Abb. 1) Physikalische Messgrößen V12-1 Der Schalldruck p(t) ist, wie aus Abb. 1 erkennbar, eine zeitlich veränderliche Größe, die sich bei den in der Praxis vorherrschenden unregelmäßigen Schwingungen (Geräusche) nur schwer beschreiben lässt. Man verwendet daher vereinfachend den effektiven Schalldruck. p 1 2 p( t) dt [N/m 2 ] bzw. [Pa]. Dem Quadrat des Schalldrucks p proportional ist die Schallintensität I (I~p 2 ), die definiert ist als Schalleistung P pro Fläche S: I = P/S [W/cm 2 ] (s. Abb. 2) Sowohl der Schalldruck als auch die Schallintensität sind zwei nebeneinander gleichberechtigte Messgrößen. p b 1hPa 1-3 p b 1-9 p b P = I S S ~ R 2 I 1 ~ R 2 P: Schalleistung I: Schallintensität S: Fläche R: Entfernung S 3 = 9S S 2 = 4S Abb. 1: t Schall als Druckänderungen, die dem (statischen) barometrischen Luftdruck p b überlagert sind, in einer vom Ohr in physiologischer Weise wahrnehmbaren Schwankungsbreite der Amplitude von 6 Zehnerpotenzen ( )*p b Die sinusförmige Schallausbreitung ist ein Idealfall. In DIN 132 sind nachfolgende Begriffe festgelegt. Eine einzelne sinusförmige Schallschwingung wird on genannt. reten zwei oder mehrere, jedoch wenige einzelne öne verschiedener Frequenz gleichzeitig auf, wobei vorausgesetzt wird, dass die jeweiligen Frequenzen in ganzzahligen Verhältnissen (harmonisch) zueinander stehen, spricht man von Klang. Beinhaltet die Schallschwingung unregelmäßige und unperiodische Komponenten, so heisst sie Geräusch. Hier können sehr viele Einzeltöne zusammenwirken. Lärm ist kein objektiver festlegbarer Begriff. Er ist ein Schallereignis, das unerwünscht, störend, ärgerniserregend, leistungsmindernd, behindernd und unter Umständen gesundheitsschädlich ist /L9/. Der Grad an Belästigung durch Lärm kann aufgrund verschiedener physiologischer und psychologischer Unterschiede zwischen den einzelnen Personen nicht objektiv gemessen werden. Zum Beispiel kann das Motorgeräusch eines Mopeds für seinen Besitzer durchaus angenehm klingen, wogegen ein anderer Beobachter dasselbe Geräusch als unerträglich empfindet. Schallmessungen, richtig vorgenommen, können aber durchaus ein objektives Hilfsmittel sein, um störende Lärmereignisse relativ zu bewerten und miteinander zu vergleichen. Flächenausschnitt einer Kugelwelle S 1 = 1S Punktquelle mit der Schalleistung P Abb. 2: 1R Schallausbreitung in der Umgebung einer Punktquelle /L7/ Die für das menschliche Ohr wahrnehmbaren Druck- bzw. Intensitätsschwankungen bewegen sich über einen Bereich von sechs bzw. zwölf Zehnerpotenzen. Um die Handhabung der Zahlenwerte zu erleichtern, benutzt man abgeleitet vom Weber-Fechner schen-gesetz ein Verhältnismaß, den Pegel. Bezugsgröße für den Schalldruckpegel ist der international festgelegte Wert: p 2R 2 Pa Er entspricht der Hörschwelle bei der Frequenz 1 Hz. Für den Intensitätspegel gilt als Hörschwellenwert: I = 1-16 W/cm 2. Der Intensitätspegel berechnet sich somit zu L = 1 lg (I/I ) [db]. Da die Schallintensität dem Quadrat des Schalldrucks proportional ist, gilt für den Schallpegel auch 3R L = 1 lg (I/I ) = 1 lg (p/p ) 2 = 2 lg (p/p ) [db].

3 V12-2 Abb. 3 zeigt Beispiele für typische Pegelwerte. Die unterste Linie wird als Hörschwelle bezeichnet. Abb. 3: Abb. 4: ypische Schallpegel in Abhängigkeit von der Frequenz /L1/ Schalldruck Schallintensität Pa I [W/cm 2 ] 2 x x x x x x x Schallintensitätsfaktor od. relative Schallstärke Schallpegel p [Bel] 1 (1 12 ) 12 1 (1 11 ) 11 1 (1 1 ) 1 1 (1 9 ) 9 1 (1 8 ) 8 1 (1 7 ) 7 1 (1 6 ) 6 1 (1 5 ) 5 1 (1 4 ) 4 1 (1 3 ) 3 1 (1 2 ) 2 1 (1 1 ) 1 1 (1 ) Schallpegel p [Dezibel] Zusammenhang zwischen Schalldruck in μpa, Schallintensität (W/cm 2 ) oder rel. Schallstärke und Schalldruckpegel in Bel bzw: db Die für das menschliche Ohr bedeutsamen sechs Zehnerpotenzen des Schalldrucks bzw. die zwölf Potenzen der Intensität werden somit auf einen Pegelbereich von -12 db abgebildet. Der in Abb. 3 sichtbare Verlauf der Hörschwelle (unterste Linie) macht deutlich, dass bezogen auf die Hörschwelle p bei 1 Hz bei höheren, insbesondere aber bei niedrigeren Frequenzen erheblich höhere Pegel vorliegen müssen, ehe das menschliche Hörvermögen einsetzt. So wird ein 1 Hz on erst dann hörbar, wenn sein Pegel um ca. 25 db über demjenigen des gerade hörbaren 1 khz ones liegt. Ähnlich verhält es sich im Pegelbereich oberhalb der Hörschwelle. Das Lautstärkeempfinden dort ist ebenfalls stark frequenzabhängig. Jedoch nimmt die Frequenzabhängigkeit der subjektiven Lautstärkeempfindung mit zunehmendem Pegel ab, die Kurven gleicher subjektiver Lautstärke verlaufen im Bereich höherer Schallpegel flacher. Die subjektive Lautstärke wird im Lautstärkepegel in phon oder näherungsweise in db(a), db(b) oder db(c) gemessen. Er entspricht zahlenmäßig dem Schalldruckpegel eines gleichlaut wahrgenommenen 1 Hz ones. Ein weiteres subjektives Maß ist die Lautheit S, die abgeleitet vom Stevens schen Potenzgesetz in der Einheit sone angegeben wird. Definitionsgemäß hat ein Schall die Lautheit n sone, wenn er von normalhörenden Menschen im Mittel als n-mal so laut empfunden wird, wie ein 1 Hz on mit dem Pegel 4 db. (L - 4)/1 S = 2 [sone] Den Zusammenhang zwischen dem Lautstärkepegel und der Lautheit zeigt Abb. 5. Abb. 5: Lautheit (sone) Lautheit 64 bei 1 Hz Lautstärkepegel (phon) Zusammenhang zwischen Lautheit in (sone) und Lautstärkepegel in (phon) 2. Erfassung der Schallpegel 2.1. Einleitung Zur Messung der Stärke von Schallereignissen werden Schallpegelmesser verwendet, deren technische Anforderungen in DIN EN eil 1 und 2 genormt sind. Abb. 6 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Schallpegelmessgerätes. Schallaufnehmer an Pegelmeßgeräten sind Kondensatormikrophone, welche die auftreffenden Luftdruckschwankungen in eine dem Schallwechseldruck proportionale elektrische Ausgangsspannung umsetzen. Bei Messungen im Freien wird auf das Mikrophon ein Windschirm aufgesetzt, um den Einfluss von urbulenzen am Mikrophon auszuschalten. Die wichtigsten Anforderungen, die an ein Mikrophon gestellt werden, sind:

4 V12-3 lineare Übertragungseigenschaften hinsichtlich des Frequenzgangs, Alterungsbeständigkeit, Unabhängigkeit gegenüber Luftdruckschwankungen, Luftfeuchte, Vibrationen, elektrischen und magnetischen Feldern. [db] -1-2 C B A B,C A Ausgang Anzeige -3-4 Mikrophon Abb. 6: Übersteuerungsdetektor Vorverstärker Filter Verstärker Zeitkonstanten I 35 ms / F 125 ms / S 1 ms Abklingzeitkonstante I 15 ms A-, B-, C-, D- Bewertungsfilter Effektivwertdetektor 93.7 Halteschaltung Prinzipieller Aufbau eines Präzisionsschallpegelmessers Die Ausrichtung des Mikrophons hängt ab vom Zweck der Messung. Ein weiterer Baustein des Schallpegelmessers ist das umschaltbare Bewertungsfilter. Die Filter haben die Aufgabe, den gemessenen Schalldruckpegel der frequenzabhängigen Lautstärkeempfindung des menschlichen Gehörs anzupassen. Dabei sollte für Pegel bis 6 db das Bewertungsfilter A, für mittlere Pegel von 6 db bis 9 db das Bewertungsfilter B und für Pegel über 9 db das Bewertungsfilter C eingesetzt werden. Die Filter dämpfen als reziproke Kurven gleicher subjektiver Lautstärke in den jeweiligen Frequenzbereichen die Intensität mehr oder weniger stark (vgl. Abb. 7). Von den drei Bewertungsarten hat die A-Bewertung eine beherrschende Stellung gewonnen. Sie ist zum wichtigsten und meistverwendeten Maß in der Lärmbekämpfung geworden. Als Symbol wird die Bezeichnung L A verwendet und der gemessene Schallpegel in db(a) angegeben. Die aus dieser alleinigen Verwendung des A-bewerteten Schallpegels resultierenden Probleme und Schwierigkeiten werden an späterer Stelle behandelt. Die übrigen Messmöglichkeiten: Unbewertet für rein physikalische Messungen z.b. bei Frequenzanalysen in db oder db(lin); B- und C-Bewertung nur nach besonderen Normen; D-Bewertung zur Messung von Fluglärm. Für bestimmte Zwecke, z.b. Planung von Lärmminderungsmaßnahmen, ist eine Einwertmessung des Schallpegels nicht ausreichend. Um überwiegend am Gesamtpegel beteiligte Frequenzbänder ausfindig machen zu können, ist es sinnvoll, eine spektrale Aufteilung des gesamten Frequenzbereichs vorzunehmen K 2K 4K 8K 16K Frequenz [Hz] Abb. 7: Verlauf der Filterkurven A, B, C in Abhängigkeit von der Frequenz /L3/ Dazu können an den Schallpegelmesser externe Filter angeschlossen werden. Sie besitzen Frequenzdurchlassbereiche, die durch ihre Mittenfrequenz und Bandbreite bestimmt sind. Neben erzfiltern (eine erz 1/3=Oktav) werden hauptsächlich Oktavfilter verwendet. Bei ihnen beträgt das Verhältnis der oberen zur unteren Grenzfrequenz des Durchlaßssbereichs 2:1. Die Mittenfrequenzen im Oktavabstand betragen Hz khz. Eine Oktav (wird in der Musik als Achttonschritt bezeichnet, exakt sind es aber 12 Halbtonschritte) entspricht einer Verdopplung der Frequenz. Durch getrenntes Zuschalten der einzelnen Oktavfilter während der Messung wird der zugehörige Schallpegel gemessen und zur jeweiligen Mittenfrequenz notiert. Es ist ausdrücklich zu bemerken, dass im allgemeinen zwischen den einzelnen Werten für die Oktavpegel und dem Einzahlwert bei A-bewerteter Messung ein großer Unterschied liegen kann. Zur Berücksichtigung der zeitlichen Mikrostruktur der Schallereignisse besitzen Schallpegelmesser noch einen weiteren Wahlschalter. Man unterscheidet die Schalterstellung Slow, Fast und Impulse. Bei der Messung von Geräuschen mit langsam veränderlichem Pegel wird die Zeitbewertung Slow gewählt. Zur Ermittlung zeitlich veränderlicher Schallpegel ist die Anzeigeart Fast geeignet. In der Stellung Impulse wird die besondere Lästigkeit impuls- und tonhaltiger Geräusche berücksichtigt, indem die Anzeige nach Erreichen eines Spitzenwerts mit einer Verzögerung von 3 db/s abfällt. Die Zeitkonstanten (als Maß für das Nachhinken der Anzeige hinter dem tatsächlichen Pegelverlauf) betragen für die einzelnen Anzeigearten Slow = 1 ms, Fast = 125 ms und Impulse = 35 ms. Je nach gewählter Messweise wird so der A-bewertete Schalldruckpegel L AS, L AF oder L AI gemessen.

5 V12-4 Die Überprüfung der Genauigkeit des Schallpegelmessers erfolgt mittels eines akustischen Kalibrators, der auf das Mikrophon aufgesteckt wird. Er erzeugt bei einer bestimmten Frequenz einen definierten Schalldruck (1kHz/94 db), der auch vom Schallpegelmesser angezeigt werden muss. Eingangssignal U 1 (t),5 s Ausgangssignal U 2 (t) bei Zeitbewertung "F" = 125 ms Ausgangssignal U 2 (t) Abb. 8: Anzeigeverhalten eines Schallpegelmessers bei einem Einzelimpuls von,5 s Dauer für unterschiedliche Zeitbewertungen 2.2. Schallemissionsmessung Bei Schallmessungen ist zu unterscheiden zwischen Messungen an der Schallquelle und am Eingang des menschlichen Ohres, d. h. Schallemissions- und Schallimmissionsmessungen. Schallemissionsmessungen dienen der objektiven Ermittlung des von der Geräuschquelle im Regelfall Maschinen an die Umgebung abgegebenen Schallpegels. In den Ländern der EU dürfen seit dem nur noch Maschinen in den Verkehr gebracht und in Betrieb genommen werden, die der EG-Maschinenrichtlinie entsprechen und ein CE-Zeichen tragen. Hierbei müssen die Hersteller auch Angaben über die Geräuschemission der Maschinen unter normierten Einsatzbedingungen machen. Emissionsmessungen werden durchgeführt an neuen Maschinen, um Herstellerangaben zu überprüfen, an vorhandenen Maschinen, um sich einen Überblick über deren Geräuschabstrahlung zu verschaffen. Damit können besonders laute Maschinen des Maschinenparks aufgedeckt werden, an denen eventuell Lärmschutzmaßnahmen zu realisieren wären, um den Erfolg durchgeführter Lärmminderungsmaßnahmen zu überprüfen /L2/. Um Maschinen unterschiedlichster Größe hinsichtlich ihrer Geräuschabstrahlung vergleichen zu können, ist es notwendig, die von der Maschine insgesamt abgestrahlte Schalleistung auf eine Bezugsfläche mit 1 m 2 Oberfläche zu beziehen. Die genauen Messvorschriften für verschiedene Maschinentypen sind der DIN eil 1 ff (DIN EN ISO 374; DIN EN ISO 11 2) oder den VDI-ES-Richtlinien zu entnehmen. Ausgangssignal U 2 (t) 1 bei Zeitbewertung "S" = 1s bei Zeitbewertung "I" = 35 ms 1 2 = 1,5 s 2 Es sei noch erwähnt, dass die einzelnen eile der DIN spezielle Vorschriften für unterschiedliche Maschinengattungen und zusätzliche Beiblätter zur Durchführung der Messungen (Messberichte) beinhalten Schallimmissionsmessung Schallimmissionsmessungen dienen der Ermittlung der Geräuscheinwirkung auf das menschliche Gehör und der Beurteilung (daher Beurteilungspegel) ihrer Wirkung auf den Menschen, z.b. im Hinblick einer Beeinträchtigung des Leistungsvermögens oder hinsichtlich einer möglichen Gehörgefährdung. Anders als bei der Schallemissionsmessung kommt bei Immissionsmessungen neben der Beurteilung des Schallereignisses hinsichtlich der frequenzmäßigen und räumlichen Zusammensetzung des Gesamtpegels dem zeitlichen Verlauf des Pegels über die Arbeitszeit größte Bedeutung zu. Für den zeitlichen Verlauf des Schallpegels gilt in Anlehnung an die Gleichung zur Bestimmung des Schallpegels bei konstanter Schallintensität (Abschnitt 1.2.): L( t) 1 lg Die zeitliche Mittelung erfolgt durch Integration bzw. durch zeitlich gewichtete Summation einer endlichen Anzahl von konstanten Messabschnitten. Das Ergebnis ist der Mittelungspegel L m. L m 1 1 lg( It ( ) / I dt) Da herkömmliche Messgeräte nicht die Intensität anzeigen, sondern bereits den Schallpegel L bestimmen, ist es zweckmäßig den Ausdruck I(t)/I durch 1 (L(t)/1) zu ersetzen. Daraus ergibt sich für den Mittelungspegel L L m L( t ) /1 I ( t) / I I ( t) / I m 1 1 L t 1 1 ( )/ 1 lg( dt) n 1 Li / 1lg( 1 1 ti ) i 1 Der Mittelungspegel ist damit der Schallpegel eines zeitlich schwankenden Geräuschs, der mit dem eines zeitlich konstanten Geräuschs gleichen Energieinhalts gleichzusetzen (äquivalent) ist. Daher auch die oftmals gebrauchte Bezeichnung Energieäquivalenter Dauerschallpegel L eq. Beträgt der Zeitraum der Mittelung acht Stunden, kann auf diese Art der Beurteilungspegel L r am Arbeitsplatz aus verschieden hohen Pegelwerten L i während verschiedener eilzeiten t i ermittelt werden. Genauere Vorschriften und Hilfestellung bei der Ermittlung des Beurteilungspegels enthalten DIN und DIN Blatt 1 und 2.

6 V12-5 Mit Hilfe der Abb. 9 werden einige zunächst unlogisch wirkende Erscheinungen beim Erstellen des Beurteilungspegels L r aufgezeigt. Bei der Berechnung des Beurteilungspegels im oberen Beispiel (1 % der Arbeitszeit 1 db(a), 9 % der Arbeitszeit 8 db(a)) ergibt sich L r = 9 db(a). Im zweiten Fall (1 db(a) während 1 % der Arbeitzeit und db(a) während der restlichen 9 %) ergeben sich ebenfalls 9 db(a) für den Beurteilungspegel. Erklärung: Der Pegel von 8 db(a) liegt intensitätsmäßig um 1/1 unter dem Pegel von 1 db(a) und fällt somit rein rechnerisch nicht ins Gewicht. Physiologisch und psychologisch betrachtet sind beide Fälle natürlich keineswegs gleichzusetzen. Weiteres zu dieser Problematik ist im folgenden Abschnitt nachzulesen. Der in Abb. 1 gezeigte Effekt verdeutlicht die Abnahme des Beurteilungspegels um 3 db bei Halbierung der Einwirkzeit. Dieser Zahlenwert wird auch Halbierungsparameter q genannt. L [db(a)] Belastungshöhe log H Abb. 1: Pegel unterschiedlicher Dauer, die zu einem gleichen Beurteilungspegel führen (Halbierungsparameter q = 3) /L9/. In diesem Zusammenhang erscheint es weniger sinnvoll, Menschen durch Lärmpausen oder Versetzung in andere Produktionsbereiche vor Lärmschädigung schützen zu wollen, da eine Halbierung der Arbeitszeit im Lärmbereich nur eine Reduzierung des Beurteilungspegels um 3 db ergibt. 88 Belastung L r Belastungszeit log Beurteilungspegel L r = 85 db(a) [Std.] L i [db(a)] 1 8 t i / [%] 1 9 L r = 9 db(a) Beurteilungspegel 137 db(c) olerabler Spitzenschalldruckpegel nach Lärm- und Vibrations-Arbeitsschutzverordnung L i [db(a)] 1 t i / [%] 1 9 L r = 9 db(a) 12 db(a) Schmerzschwelle Bei allen sonstigen ätigkeiten nach 15 Arb. Stätt.V., in Ausnahmefällen Überschreitung bis 5 db(a) möglich; Gehörschutztragepflicht, Pflichtuntersuchung, Vorsorgekartei, Kennzeichnung als Lärmbereich und Lärmminderungsprogramm nach Lärm- und Vibrations-Arbeitsschutzverordnung 85 db(a) 8 db(a) Nullrisiko für Lärmschwerhörigkeit nach ISO/DIS 1999; Gehörschutz zur Verfügung stellen, Unterweisungspflicht und Angebot arbeitsmed. Vorsorge nach Lärm- und Vibrations-Arbeitsschutzverordnung 5 L i [db(a)] 1 t i / [%] 5 5 L r = 97 db(a) 7 db(a) 55 db(a) Bei einfachen o. überwiegend mechanisierten Bürotätigkeiten u. vergleichbaren ätigkeiten nach 15 Arb. Stätt. V. (22) Bei überwiegend geistigen ätigkeiten sowie in Pausen-, Bereitschafts-, Liege- und Sanitätsräumen nach 15 Arb. Stätt. V. (22) Abb.9: t i / [%] 1 Beispiele zur Ermittlung des Beurteilungspegels /L9/ db(a) Hörschwelle Abb. 11: Richt- bzw. Höchstwerte für Geräuscheinwirkungen am Arbeitsplatz

7 V Schalldämmung Eine Minderung der Luftschallübertragung durch eine allgemein als Wand bezeichnete rennfläche zwischen Sender und Empfänger wird als Schalldämmung bezeichnet. In der Praxis unterscheidet man zwischen Kapseln schalldämmenden Wänden und Schallschutzschirmen. Als Kapseln bezeichnet man dichte, geschlossene, elastisch befestigte Einfassungen der gesamten Schallquelle in einem geringen Abstand von deren Oberfläche. Nach den Anforderungen der jeweiligen Einzelfälle lassen sich dabei schalldämmende Matten oder ein- bzw. zweischalige Kapseln verwenden. Das Dämmverhalten ein- und mehrschaliger Kapseln ist u.a. abhängig von Frequenz, Flächengewicht und Bauteilstärke. Abb. 12 zeigt verschiedene Anbringungsmöglichkeiten von konventionellen Schutzschirmen in Arbeitsräumen. a b c d e f Abb. 12: Einfache Abschirmwände im Raumquerschnitt a) Anschluss an zwei Raumbegrenzungen b) auf dem Boden aufgestellte Wand c) von der Decke abgehängte Schürze d) mobiler Schirm, aufgeständert e) Schirm von der Decke abgehängt f) ohne wesentliche Wechselwirkungen mit der Schallquelle an der Maschine befestigt 2.5. Schalldämpfung Wie schon an früherer Stelle angedeutet, spielen Reflexionen an den Raumbegrenzungsflächen bei der Schallausbreitung eine gewisse Rolle. Durch geeignete Wahl der raumbegrenzenden Materialien kann die Reflexion von Schallwellen vermindert werden und somit die Lautstärke gesenkt werden. Die Nutzbarmachung dieses Phänomens nennt man Schallabsorption oder Schalldämpfung. Die erzielte Schallpegelminderung ergibt sich zu DL = L 1 - L 2, wobei L 1 der Schallpegel im Raum ohne Dämpfungsmaterial und L 2 der Schallpegel mit Dämpfungsmaterial ist. Eine Kenngröße des Dämpfungsmaterials ist sein Dämpfungsgrad oder Schallabsorptionsgrad a = I ab /I e mit I ab : absorbierte Intensität und I e : einfallende Intensität. Die erzielbare Pegelherabsetzung ergibt sich mit dem Ansatz ΔL = 1 log(1-a). Näheres hierzu siehe /L11/. Der Dämpfungsgrad eines Materials ist stark frequenzabhängig. Er steigt bei den meisten homogenen Materialien mit zunehmender Frequenz. Besonders geeignet als Dämpfungsmaterial sind Werkstoffe, deren Impedanz (= Produkt aus Dichte mal Schallgeschwindigkeit des Mediums) ähnlich der Schallkennimpedanz der Luft ist (Z Luft = 48 Ns/m 3, bei 1 bar u. 2 C). Somit eignen sich besonders sogenannte poröse Absorber, wie Glas-, Kunststoff- oder Mineralfaserabsorber zur Schalldämpfung, da sie bis zu 98% aus luftgefüllten Poren bestehen. Ihr Flächengewicht liegt zwischen 3 und 2 kg/m 3. Die Wirkungsweise solcher Absorber beruht hauptsächlich auf dem Reibungsprinzip. Durch den Wechseldruck einer Schallwelle ergeben sich in den Poren oszillierende Bewegungen der Luft. Durch Umströmung der Fasern entstehen viskose Reibungskräfte, durch Umlenkungen und Verengungen treten Impulsverluste auf. Insgesamt findet eine Vernichtung von kinetischer Energie statt. Die Wirksamkeit der Absorberelemente hängt von der Eindringtiefe der Schallwelle und somit von der Belagdicke s ab. Die beste Absorption findet im Bereich einer Eindringtiefe von λ/4 statt, da an dieser Stelle (Wellenbauch) die größte Schallschnelle vorherrscht und somit am wirksamsten kinetische Energie vernichtet wird. Der Belag muss somit mindestens die Dicke einer Viertel- Luftwellenlänge haben, um eine merkliche Schalldämpfung hervorzurufen. s 4 Mit l L = 34/f ergibt sich somit eine Belagdicke s in Abhängigkeit von der Frequenz f: Frequenz f [Hz] Belagdicke s [m],85,17,85,43,21

8 3. Rechnen mit Dezibel Schallpegelmesser zeigen nicht die Schallintensität an, sondern den zehnfachen Logarithmus des Intensitätsverhältnisses. Bei der Handhabung der Messwerte gelten somit die Rechenregeln für Logarithmen. Die folgende Aufstellung soll eine Hilfe zur Überschlagsrechnung mit Pegelwerten darstellen: Intensitätsverhältnis Pegelerhöhung [db] 1 = 2 = 3 4 (2x2) (3+3) = 6 5 (1:2) (1-3) = 7 8 (2x2x2) (3+3+3) = 9 1 = 1 16 (2x2x2x2) ( ) = 12 2 (2x1) (3+1) = (1:4) (2-6) = (2 5 ) (3x5) = 15 4 (4x1) (6+1) = 16 5 (1:2) (2-3) = 17 usw. Lösen Sie nun folgende Aufgaben: I 2 = 1 I 1 ; L 2 = L 1 +? I = 1 I o ; L =? I 2 = 5 I 1 ; L 2 = L 1 +? I 2 = 36 I 1 ; L 2 = L 1 +? Übrigens: Die abelle lässt sich auch zur Berechnung der Änderung des zeitlichen Mittelungspegels verwenden! Anstelle des Intensitätsverhältnisses wird das Verhältnis der Einwirkdauer gesetzt. Beispielsweise steigt der Mittelungspegel bei einer Vervierfachung der Einwirkdauer eines konstanten Pegels um 6 db. Differenz der zu addierenden Pegel L db db Zuschlag zum höheren Pegel Nomogramm für die Addition von zwei Schallpegeln II. Versuchsdurchführung V12-7 Die nun folgenden Aufgaben 1-1 sind erst nach der Versuchsdurchführung zu lösen und im Laborprotokoll darzustellen! Vorbemerkung zu den Versuchen Wie schon im ext zur Laborvorbereitung bemerkt, ist es notwendig, bei der Pegelerfassung die zeitliche Mikrostruktur der Schallereignisse zu berücksichtigen. Dazu besitzt jeder Präzisionsschallpegelmesser einen Wahlschalter für zeitlich gleichbleibende ( Slow ), wechselhafte ( Fast ) und impulshaltige Geräusche ( Impulse ). Bei den folgenden Versuchen wird der Pegelmesser immer in Schalterstellung Slow betrieben, da die zu messenden Geräusche keiner zeitlichen Schwankung unterliegen und um eine bessere Ablesbarkeit des Messwertes zu gewährleisten. Es muss dabei beachtet werden, daß bei dieser Messweise u.u. Zuschläge für die Impulshaltigkeit und onhaltigkeit von Geräuschen zum Pegelwert gegeben werden müssen. Bei Messungen in der Praxis wird der Schallpegelmesser in einer der zeitlichen Mikrostruktur der Schallereignisse adäquaten Zeitkonstante betrieben. Versuch 1: Entfernungsgesetz Die Geräuschwiedergabe erfolgt über die beiden Stereo- Lautsprecher (zwei Schallquellen). Das Schallpegelmesser steht in der Mitte vor den beiden Lautsprechern. Das vorhandene Metermaß wird bündig an die Austrittsfläche angelegt. Nun wird der Abstand zwischen Schallpegelmesser und Schallquelle verdoppelt. Messung: Schallpegel L A1 bei Abstand,5 m:... db(a) Schallpegel L A2 bei Abstand 1, m:... db(a) Schallpegel L A3 bei Abstand 2, m:... db(a) Auswertung: Schallpegelreduzierung =ΔL A = L A1 - L A2 =... db(a) Schallpegelreduzierung =ΔL A = L A2 - L A3 =... db(a) Aufgabe 1: Berechnen Sie die theoretische Schallpegelreduzierung DL A bei einer Entfernungsverdopplung. Es gelten folgende Beziehungen: I 1 / R 2 (vgl. Abb. 2) L Ai = 1 log (I i / I ) R 2 = 2 R 1

9 V12-8 Versuch 2: Grundgesetz über das Addieren und Mitteln von Schallereignissen (mehrere Schallquellen in räumlicher, frequenzmäßiger und zeitlicher Hinsicht) Es stehen zwei gleichlaute Schallereignisse zur Verfügung. Sie werden getrennt über jeweils einen Lautsprecher (Schallquelle) wiedergegeben. Es wird zuerst die linke, dann die rechte und danach beide Schallquellen gleichzeitig präsentiert. Der Messort befindet sich in der Symmetrieachse der beiden Schallquellen (Abstand ca.2, m). Messung: Schallpegel L A1 =... db(a) beider Schallquellen. Schallpegel L A2 =... db(a) einer Schallquelle. Auswertung: Halbierungsparameter q = L A = L A1 L =... A 2 Aufgabe 2: Bestimmen Sie den theoretischen Halbierungsparameter q rechnerisch! Neben den Beziehungen aus Aufgabe 1 gilt I1 = 2 I 2 Neben dem gleichzeitigen Auftreten zweier Geräusche existiert auch die Möglichkeit, dass zwei Geräusche zeitlich versetzt einwirken (vgl. Vorbereitungstext über Beurteilungspegel). In diesem Fall ergibt sich bei Verdopplung der Einwirkdauer eines konstanten Pegels eine Erhöhung des ursprünglichen Mittelungspegels um 3 db. Die graphische Darstellung verdeutlicht beide Fälle: Versuch 3: Halbierung der subjektiven Lautstärkeempfindung Ein Geräusch wird in unterschiedlichen Lautstärken wiedergegeben: Original/ 3 db leiser/ Original/ 1 db leiser. Mikrophonabstand ca. 1,5 m. Welche Wiedergabe empfinden Sie etwa als halb so laut wie das Original? Originalgeräusch:... 3 db leiser:... 1 db leiser:... Aufgabe 3: Welche Schallintensität hat ein Geräusch, wenn es um 3 db, 1 db, 2 db, 3 db, usw. leiser ist als das Originalgeräusch mit der Intensität I? Versuch 4: Zwei Schallquellen mit 1 db Pegeldifferenz Schallquelle 2 ist um 1 db(a) leiser als Schallquelle 1. Es wird zuerst die leisere, dann die lautere (+ 1 db) und danach beide Schallquellen gleichzeitig präsentiert. Messen Sie nun die drei Pegelwerte in einem Mikrophonabstand von ca.2, m. Messung: Schallpegel L A1 =... db(a) Schallpegel L A2 =... db(a) Gesamtpegel L A = L A1 + L A2 =... db(a) gleichzeitige Verdopplung der Schallintensität Aufgabe 4: Bei zeitlicher Aufeinanderfolge, z.b. beim Auffüllen von Lärmpausen mit Geräuschpegeln, die um 1 db(a) unter dem ursprünglichen Beurteilungspegel liegen, nimmt unser Ohr durchaus eine Veränderung wahr. Würde dies ein integrierender Schallpegelmesser (Dosimeter) registrieren? Verdopplung der Beurteilungsdauer Der Beurteilungspegel L r ist in beiden Darstellungen gleich!

10 Versuch 5: Aussagekraft von db(a)-werten Zwei Geräusche gleichen db(a)-wertes werden hinsichtlich ihrer subjektiven Lautheit und Lästigkeit miteinander verglichen. Aufgabe 5: Beurteilen Sie die Geräusche hinsichtlich ihrer subjektiven Lautheit und Lästigkeit! Versuch 6: Kapselung einer Geräuschquelle Mit Hilfe eines Lautsprechers (Schallquelle) wird das Geräusch eines Nadeldruckers simuliert, der zum einen frei auf dem isch steht und zum anderen in einem Schallschutzgehäuse untergebracht ist. Es wird der Schallpegel vor und nach der Kapselung gemessen und das Dämm-Maß bestimmt. Messung: Schallpegel L 1 vor der Kapselung:... db(a) Schallpegel L 2 nach der Kapselung:... db(a) Schalldämmaß R = L 1 - L 2 =... Wie schon im Kapitel Schalldämmung erwähnt, ist die Dämmwirkung frequenzabhängig. Sie steigt mit Frequenzverdopplung um etwa 6 db(a) an. Aufgabe 6: Welche Materialkonstanten beeinflussen nach Ihren Kenntnissen die Schalldämmung? Versuch 7: Wirkung von Schallschutzschirmen Zwischen Schallquelle und Messort wird ein Schallschutzschirm aufgestellt. Während der Geräuschemission wird die Position des Schallschutzschirms zwischen Schallquelle und Messort verändert. Der Schirm wird bündig und mit Zwischenraum zur ischplatte eingesetzt. Messung: Schallpegel L 1 ohne Schutzschirm:... db(a) Schallpegel L 2 mit Schutzschirm (bündig):... db(a) (mit Zwischenraum):... db(a) Schutzschirm vor Schallquelle...dB(A) Schutzschirm am Messort...dB(A) Aufgabe 7: Welches physikalische Phänomen macht sich bei der Messung mit verschiedenen Schirmpositionen bemerkbar? Versuch 8: Schalldämpfung V12-9 In drei modellhaft dargestellten Räumen wird der Schallpegel mit und ohne Schalldämpfungsmaterialauskleidung ermittelt. Die Messungen erfolgen innerhalb des Raumes. Um die Frequenzabhängigkeit der Dämpfungswirkung nachzuweisen, wird neben der A-bewerteten Messung auch eine Frequenzanalyse mit Hilfe von Oktavfiltern durchgeführt (s. Abb. 13). Verstärkung/Dämpfung [db] Überschneidungsfrequenz [Hz] k 2k 5k 1k 2k Oktav-Mittenfrequenz [Hz] Abb. 13: Frequenzgang der genormten Oktavfilter Messungen: A-Schallpegel ohne Dämpfungsmaterial im Raum 1: L 1 =... db(a) Oktavpegelmessung ohne Dämpfungsmaterial: f [Hz] f [Hz] Lin A-Schallpegel mit Dämpfungsmaterial in Raum 1: L 2 =... db(a) Oktavpegelmessung mit Dämpfungsmaterial: f [Hz] f [Hz] Lin A-Schallpegel mit Dämpfungsmaterial in Raum 2: L 3 =... db(a) Oktavpegelmessung mit Dämpfungsmaterial: f [Hz] f [Hz] Lin k 2k 4k 8k 16k

11 V12-1 Aufgabe 8: ragen Sie nun die Zahlenwerte für Raum 1 ohne und mit Dämmpfungsmaterial mit unterschiedlichen Farben in das unten angeführte Diagramm ein. Wählen Sie selbst eine sinnvolle Ordinateneinteilung. Die Frequenzabhängigkeit der Dämpfung ist in der Oktavanalyse gut zu erkennen. Ab welcher Frequenz setzt die Dämpfungswirkung deutlich ein? Berechnen Sie mit dieser Grenzfrequenz die Dicke des Absorptionsmaterials. Aufgabe 1: Wiederholen Sie die wichtigsten Zahlenwerte in Kurzform: Entfernungsverdopplung: Abnahme des Pegels um... db. Halbierung der Schallintensität in zeitlicher oder örtlicher Hinsicht: Abnahme des Pegels um... db. Aufgabe 9: Berechnen Sie die theoretisch maximal mögliche Schalldämpfung für einen Absorptionskoeffizienten α max =,95! Halbierung der subjektiven Lautstärkeempfindung: bei einer Pegelabnahme von... db. Geräusche, die mehr als... db unter einem anderen Pegel liegen, können vom Ohr nicht erfaßt werden. Erreichbare Pegelsenkung durch Schalldämpfung: theoretisch bis... db. Pegel in db 1 db Lin A Oktavmittenfrequenz in Hz

12 V12-11 III. Literatur zum Vorbereitungstext /L1/ /L2/ HASALL, J.R. und K. ZAVERI: Acoustic Noise Measurement. Informationshandbuch der Fa. Brüel & Kjaer, 1979 HESSE, J.M. und H. SRASSER: Hörschwellenverschiebungen nach verschieden strukturierter energieäquivalenter Schallbelastung. Z.Arb.wiss. 44 (16 NF) 3, (199) /L9/ /L1/ SRASSER, H.: Beurteilung des Lärms aus arbeitswissenschaftlicher Sicht. Leistung und Lohn, Nr. 15/17, Heider Verlag, Bergisch Gladbach 1981 SRASSER, H. und J.M. HESSE: Lärmbekämpfung im Betrieb. Personal Mensch und Arbeit im Betrieb. 4 (1) (1988) /L3/ HOFFMANN, H. und A.v. LÜBKE: Null Dezibel + Null Dezibel = Drei Dezibel. 5. Auflage, Erich Schmidt Verlag, Berlin 199 /L4/ /L5/ KLUH, K.: echnischer Schallschutz. Vorlesung an der Universität Siegen KLUH, K.: Beurteilung von Lärm und seinen Wirkungen. Vorlesung an der Universität Siegen /L11/ /L12/ SRASSER, H. und K.-P. SCHMID: Lärm am Arbeitsplatz und Möglichkeiten des technischen Schallschutzes. REFA-Nachrichten 4, 8-19 (1983) Arbeitsplatzlärmschutzrichtlinie Schutz der Arbeitnehmer gegen gehörschädigenden und besonders anfallträchtigen Lärm am Arbeitsplatz. In: MBI NW, Nr. 4, S a, 1976 /L6/ /L7/ /L8/ KLUH, K. und H. SRASSER: Methoden zur Erfassung, Analyse und Minderung von Lärm am Beispiel einer typischen schallemittierenden Maschine. REFA-Nachrichten 44 (2) 4-18 (1991) N. N.: Schall und Schwingungen am Arbeitsplatz. Herausgeber: Institut für angewandte Arbeitswissenschaft e.v., Verlag J.P. Bachem, Köln 1981 SCHMIDKE, H.; BUBB, H.; RÜHMANN, H. und P. SCHAEFER: Lärmschutz im Betrieb. Herausgeber: Bayerisches Staatsministerium für Arbeit und Sozialordnung, München 1991 /L13/ /L14/ /L15/ /L16/ UVV-Lärm, Unfallverhütungsvorschrift der gewerblichen Berufsgenossenschaft, VGB 121, Januar 199 Verordnung über Arbeitsstätten Arbeitsstättenverordnung vom 12. August 24. BGBL I, S. 2179, 24 ISO/DIS 1999: Acoustics Assessment of occupational noise exposure for hearing conversation purposes Lärm- und Vibrations-Arbeitsschutzverordnung (LärmVibrationsArbSchV) vom 6. März 27. BGBl. I, S. 261, 27