Schallausbreitung im Freien

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1 Schallausbreitung im Freien Je weiter man sich von einer Schallquelle entfernt, desto mehr nimmt der Schalldruckpegel ab. Für die Abnahme im freien Gelände gelten folgende Faustregeln: Punktförmige Schallquelle - 6 db (z.b. Feuerwehrsirene, Ventilator) Etwas Physik vom Schall Bei einer Verdoppelung der Entfernung nimmt der Schallpegel um 6 db ab. Bei einer Halbierung der Entfernung nimmt der Schallpegel um 6 db zu. Damit Schall entstehen und sich ausbreiten kann, bedarf es einer Schallquelle und eines elastischen Mediums in dem sich der Schall fortpflanzen kann. Linienförmige Schallquelle (z.b. Straße, Schiene) Bei einer Verdoppelung der Entfernung nimmt der Schallpegel um 3 db ab. Bei einer Halbierung der Entfernung nimmt der Schallpegel um 3 db zu. - 3 db In Wirklichkeit wird die Ausbreitung des Schalles jedoch durch weitere verschiedene Faktoren beeinflusst, wie die folgende Graphik zeigt. Wind, Temperatur Reflexion Steht die Schallquelle (bekanntestes Beispiel hierfür ist die schwingende Lautsprechermembran) mit einem elastischen Medium, z.b. der Luft in Verbindung, so überträgt sie ihre Schwingungen auf die umgebenden Luftmoleküle. Die so angeregten Teilchen übertragen ihre Schwingungen wiederum auf ihre Nachbarmoleküle, so dass sich die von der Schallquelle ausgehende Erregung im gesamten Raum ausbreitet. Durch die Anregung der Luftmoleküle kommt es zu Zonen mit Verdichtungen und Verdünnungen, die aufeinander folgen und sich wellenartig im Raum ausbreiten. Die Verdichtung der Molekülabstände verursacht einen Luftdruckanstieg gegenüber dem schon vorhandenen atmosphärischen Luftdruck. strahl Schall Abschirmung Analog wird durch die Verdünnung der Teilchenabstände ein niedrigerer Luftdruck erzeugt. Auf diese Weise entstehen Luftdruckschwankungen die dem schon vorhandenen atmosphärischen Luftdruck überlagert und als Schalldruck [p] bezeichnet werden. Da sich dieser Vorgang wellenförmig ausbreitet, spricht man von der Entstehung einer Schallwelle. Bodendämpfung Schallquelle Pegelbegrenzende Faktoren bei der Schallausbreitung Tel S c h a ll s t r a h l en fr W e ll e n ont Wellenlänge Schallgeschwindigkeit 3 m/sec. Als Schall bezeichnet man die sich wellenartig ausbreitende räumliche und zeitliche Druckänderung eines elastischen Mediums

2 Die Zahl der Luftdruckschwankungen pro Sekunde bezeichnet man als Frequenz; sie wird in Hertz [Hz] gemessen: 1 Schwingung pro Sekunde = 1 Hz Hz = 1 khz Bei einer Frequenz spricht man von einem Ton, bei einem Frequenzgemisch von einem Geräusch. Mit der Frequenz nimmt die Tonhöhe zu. Schalldruck Wie ist Schall messbar? Druck ist definiert als Kraft pro Fläche und wird gemessen in Newton pro Quadratmeter (N/m 2 ). Dafür gibt es als Abkürzung, die Einheit Pascal (Pa). 1 N/m 2 = 1 Pa 1atm = 1,013bar = Pa Als hörbarer Schall werden Schallereignisse im Frequenzbereich zwischen Hz und Hz bezeichnet. Dabei kann das Gehör einen Schalldruckbereich von 0,0002 Pa (0, atm) bis Pa (0,002 atm) verarbeiten. Dies entspricht einem Verhältnis von 1: Diese Luftdruckschwankungen überlagern sich dem atmosphärischen Luftdruck, der Pa bzw. 1 atm beträgt. Das menschliche Ohr ist demnach ein hochempfindliches natürliches Meßinstrument. In der Technik wird Schall mit dem Phonometer gemessen, das Luftdruckschwankungen über ein Mikrophon in elektrische Signale umwandelt. Schalldruckpegel Damit man diesen riesigen Wertebereich sinnvoll darstellen und beschreiben kann, wurde der Schalldruckpegel festgelegt. Dieser ist als logarithmisches Maß für das Verhältnis zwischen dem gemessenen Schalldruck und einem Bezugsschalldruck definiert und wird in Dezibel (db) ausgedrückt. In dieser Darstellung beträgt dann der Wertebereich nur noch 0 db - 1 db, was eine wesentlich übersichtlichere Skalierung ergibt. Ein weiterer Vorteil der Beschreibung des Schalldrucks durch den Schallpegel ist damit gegeben, daß die logarithmische Darstellung besser an die natürliche Schallverarbeitung des Gehörs angepaßt ist. Einen Überblick über die Zuordnung zwischen Schallpegel und entsprechender Lautstärkeempfindung soll durch die unten angeführte Grafik verdeutlicht werden. Aus der Grafik ist auch ersichtlich, dass das Gehör einen Wertebereich von 0 db bis 1 db verarbeiten kann. Rechnen mit Schall Pegelsummation Schmerzschwelle Kritische Grenze für Gehörschäden bei Dauerlärm Beginn der Beeinträchtigung Hörschwelle Lärmometer db(a) 130 Düsenflugzeug 100 m entfernt 1 Motorsäge 110 laute Discomusik 100 Presslufthammer 90 Lastkraftwagen 80 starker Autoverkehr 70 Staubsauger normale Unterhaltung Flüstern 10 das Ticken einer Uhr Da der Schalldruckpegel eine logarithmische Größe ist, ergeben sich zum Teil ungewöhnliche Rechenregeln. Zwei gleich laute Schallquellen verursachen einen um 3 db höheren Schalldruckpegel als nur eine von ihnen. Der Pegel von 10 gleichlauten Geräuschquellen ist um 10 db höher als der von einer. Bei einer Erhöhung der Anzahl gleichartiger Schallquellen nehmen der Lärmpegel und die vom Gehör empfundene Lautstärke nicht um den gleichen Zahlenwert zu. Wenn statt einem Auto... 2 fahren 10 fahren verändert sich der Schallpegel um +3 db +10 db und man empfindet die Lautstärke wahrnehmbar erhöht verdoppelt Die Gleichung für den Schalldruckpegel (Schallpegel) lautet: L p = x log p ( ) p fahren + db vervierfacht p 0 = Bezugsschalldruck = kleinster hörbarer Schalldruck bei 1 khz = 0,00002 Pa p = momentaner Schalldruck gemessen in Pa fahren +30 db verachtfacht Umgekehrt nimmt bei einer Halbierung des Verkehrsaufkommens auf einer Straße der Schalldruckpegel um 3 db ab, aber erst eine Abnahme um 10 db wird als Halbierung der Lautstärke empfunden.

3 Kommunikationsstörungen 80 Lern- und Konzentrationsstörungen 100 Gehörschädigung Physische Zerstörung - Schmerzgrenze Produktivitätsverlust, Leistungsabfall 1 Schlafstörungen in db(a) Dauerschallpegel Die körperlichen Reaktionen auf Geräusche unter 85 db(a) liegen bei vorübergehender Einwirkung im Bereich der menschlichen Anpassungsfähigkeit. Lärm "Lärm ist eben kein Lärm, sondern Schall, der zur falschen Zeit am falschen Ort zu hören ist" (nach Palmerston). Psychophysische Auswirkungen Stress und Nervosität als Risikofaktoren für Herz-Kreislauferkrankungen, z.b. Herzinfarkt Störung der Schlafqualität, üble Laune, Ärger, Ohnmachtsgefühle Beeinträchtigung des Lebensgefühls Erhöhung des Medikamentenkonsums Zwei ähnliche Geräusche können selbst bei gleichem Schallpegel sehr unterschiedlich empfunden werden. Ein Wasserfall in einer idyllischen Bergwelt wird allgemein mit Erholung gleichgesetzt, während eine befahrene Autobahn eine Belastung darstellt. Zunahme der Fehleranfälligkeit Abnahme der Lernfähigkeit Ökonomische Auswirkungen Krankheitskosten und Berufsunfähigkeitsrente wegen Schwerhörigkeit. Sie ist die häufigste Berufskrankheit und zunehmende Kinder- und Jugendkrankheit Kosten für Schlafmittel, Arzt u. ä. Was ist Schall? Schall entsteht durch Schwingungen eines Körpers (z.b. eine Glocke) und breitet sich in einem schwingungsfähigen Medium (z.b. Luft) wellenförmig aus. Wertminderung von Gebäuden und Grundstücken Lautstärke Zur Beschreibung der Lautstärke, die auf das menschliche Gehör einwirkt, wird der Schalldruckpegel in Dezibel (db) angegeben. Die db-skala ist eine logarithmische Skala, wobei die Hörschwelle bei 0 db und die Schmerzschwelle bei 1 db liegt Tel db 30 db 70 db >90 db Hörschwelle leises Blätterrauschen Straßenverkehr Diskothek

4 Während sich Schall durch physikalische Größen eindeutig und objektiv beschreiben lässt, ist der Begriff Lärm nicht physikalisch definiert. Schall wird erst im Gehirn zu Lärm. Wie das Gehirn akustische bewertet, hängt dabei von vielen Faktoren ab. Lärmwirkung: Lärm ist mehr als Schall Sehr lauter Schall wird von allen Betroffenen als unangenehm oder gar schmerzhaft empfunden und kann nach kürzerer oder längerer Zeit das Gehör beschädigen oder zerstören. In einem großen Lautstärkebereich hängt aber der Grad der Erwünschtheit oder Unerwünschtheit eines Schallereignisses weniger von verschiedenen Umständen ab. Die Wirkung eines Geräusches hängt ab: von den akustischen Geräuschmerkmalen: Lautstärke, Dauer, zeitlicher Verlauf, Differenz zwischen Störgeräusch und Hintergrundgeräusch von der Geräuschart: Naturgeräusche wie Wind, Wasser, Vögel; Musik mit und ohne Verstärker; Verkehrsgeräusche, Geräusche aus Gaststätten, von Baustellen,... vom Zeitpunkt des Auftretens des Geräusches: tags, nachts,... von der Ortsüblichkeit des Geräusches: Wohngebiet, Gewerbegebiet,... von der Informationshaltigkeit und Bedeutung des Geräusches: Musik als Wohlklang oder Ruhestörung, schreien eines Babys für die Mutter oder einen Fremden,... Lärm wirkt auf Körper, Geist und Seele Es ist heute eine medizinisch-wissenschaftlich gesicherte Erkenntnis, dass Lärm bei entsprechend langer und intensiver Exposition physisch und psychisch krank machen kann. Dies äußert sich nicht nur durch Gehörschäden, sondern kann durch den Stress für den Körper teils auch irreversible Beeinträchtigungen des Organismus zur Folge haben. Lärm wird zwar häufig beklagt, in seinen gesundheitlichen Auswirkungen aber auch manchmal unterschätzt. Im Vergleich zu anderen Gebieten des Umweltschutzes, wie der Luftreinhaltung oder dem Gewässerschutz, besteht beim Lärmschutz auch noch ein verhältnismäßig großes Potential an Verbesserungen. Umweltlärm greift in die Lebensfunktionen des Menschen mehr ein, als er selbst wahrnimmt. von der Geräuschempfindlichkeit der Betroffenen: Geräusch ungewohnt/gewohnt, ist der Mensch entspannt und ruhig oder angespannt, nervös oder müde,... von der Einstellung zur Geräuschquelle: Geräusch vermeidbar /unvermeidbar Wird laute Musik in der Freizeit auf die leichte Schulter genommen? Die Grafik zeigt, dass abgesehen von den physischen Wirkungen Schall erst im Gehirn zu Lärm wird. Schall Ohr Gehirn Auswirkungen Schalldruck Hörschäden Individuelle Disposition Kompensation möglich Gewöhnung Sensibilisierung Ortsüblichkeit Quellenmerkmale Situationsmerkmale Vegetative Reaktionen Gesundheitsstörungen Schlafstörungen Reaktionsstörungen Kommunikationsstörungen Leistungsstörungen Belästigung Störung des sozialen Verhaltens Physische Auswirkungen Als gesundheitlich beeinträchtigend sieht die Lärmwirkungsforschung heute Dauerbelastungen ab bis 65 db(a) an. Eine Minderung des Hörvermögens tritt aber in der Regel nur bei Pegeln über 85 db(a) auf. Dabei können folgende Schäden auftreten: zeitweilige Hörschwellenverschiebung: treten bei kurzen, lauten Einwirkungen auf (z.b. Hämmern) dauerhafte Hörschwellenverschiebung: treten bei langandauernden oder kurzen, sehr lauten Einwirkungen auf (z.b. Walkman, Diskotheken, Heimwerkergeräte, Knalle über 1 db(a))

5 Krankheitsverlauf der Lärmschwerhörigkeit Das Ohr Tr om Äußeres Ohr m e eh lfel ör l O knö va le che Sc s Fe lch hn n en ec ste Hö ke r rn er v Unser Ohr ist immer "ganz Ohr", um alle akustischen aus der Umwelt dem Gehirn zu melden. Das Ohr hört nicht weg. Erst das Gehirn unterscheidet zwischen Wichtig und Unwichtig. G Lärmschwerhörigkeit entwickelt sich langsam, oft unbemerkt und über einen Zeitraum von mehreren Jahren bis Jahrzehnten. Erstes Anzeichen für eine Gefährdung des Gehörs ist eine Verschiebung der Ruhehörschwelle nach einer intensiven Beschallung. Diese Verschiebung macht sich als Pfeifen (Tinnitus) oder Taubheitsgefühl im Ohr bemerkbar. Die Hörschwellenverschiebung wird durch die Ermüdung der Sinneszellen im Innenohr verursacht. Ermüdung bedeutet in diesem Fall eine Unterversorgung der Sinneszellen mit Nährstoffen. Erfolgt nach der Belastung des Gehörs eine Lärmpause von mehreren Stunden, so normalisiert sich die Nährstoffversorgung der Sinneszellen und der Betroffene gewinnt sein volles Hörvermögen zurück. Eine Gefahr für das Gehör besteht dann, wenn nach einer intensiven Lärmeinwirkung die nächste intensive Beschallung erfolgt, bevor der Prozess der Regeneration im Innenohr abgeschlossen ist. Längerfristig führt die Nichteinhaltung von Erholungspausen daher zu einer Unterversorgung der Haarzellen, was deren irreparable Zerstörung und damit permanenten Hörverlust zur Folge hat. Gehörgang Die Abbildung zeigt die Haarzellen (Zilien) in der Ohrschnecke. Im rechten Bild sind diese Sinneszellen aufgrund von Lärmeinwirkungen in einem weiten Bereich degeneriert. Lärmschwerhörigkeit ist unheilbar, da sich zerstörte Sinneszellen nicht mehr regenerieren können. So hören wir Tinnitus Bei einem Tinnitus (Ohrgeräusch) senden Haarzellen Nervenimpulse ohne einen entsprechenden akustischen Reiz. So hört die betroffene Person Geräusche wie Pfeifen, Rauschen, Klingeln, Zwitschern usw. Schwache Ohrgeräusche sind recht häufig. Diese können nach einem Händeklatschen, nach lauter Musik oder bei Stress und Erschöpfung auftreten. Die Geräusche werden oft mit dem FernsehPfeifton oder mit Kühlschrankgeräuschen verglichen. Ein Tinnitus kann aber durchaus eine solche Stärke annehmen, dass er dauernd gehört wird und die betroffene Person fast in den Wahnsinn treibt Tel Die Ohrmuschel fängt den Schall auf; er wird durch den Gehörgang geleitet und versetzt das Trommelfell in Schwingungen. 2. Die winzigen Gehörknöchelchen Hammer, Amboß und Steigbügel nehmen die Schwingungen auf. Der Steigbügel ist der kleinste Knochen des Menschen und nur halb so groß wie ein Reiskorn. 3. Er überträgt die Schwingungen auf das ovale Fenster der Ohrschnecke, die mit Flüssigkeit gefüllt ist. In ihr wandert die Schallwelle die Vorhoftreppe empor und die Paukentreppe wieder zurück; am runden Fenster erfolgt der Druckausgleich. 4. Je nach Frequenz des Geräusches werden Haare (Zilien) verschiedener Reihen von Haarzellen auf der Basilarmembran im Schneckengang bewegt; sie lösen damit Reizfolgeströme (kleine Ionenströme) aus. Die etwa 000 Sinneszellen mit den Zilien und deren Einbettung auf der Basilarmembran sowie die Deckmembran bilden das Cortische Organ. Dort wird also die Schallenergie in elektrische Energie umgewandelt. 5. Der Hörnerv leitet die Reizfolgeströme zur Hirnrinde: wir hören.

6 Spätestens ab dem vierten Monat nimmt das Ohr eines Kindes die Geräusche im Uterus wahr, vor allem den Herzschlag der Mutter. Ab dem sechsten Schwangerschaftsmonat ist das Ohr anatomisch voll ausgereift und funktionstüchtig. Das Herz des Kindes ist jetzt auch durch Schallreize außerhalb des Mutterleibes beeinflußbar, wie EKG-Messungen beweisen. (Alexander Lohner) Veränderungen des Verlaufs der Hörschwelle im Alter und durch Lärmeinwirkung Schalldruckpegel in db Ruhehörschwelle und Hörfläche Schmerzschwelle 0,02 0,05 0,1 0,2 0, Frequenz in khz Zeichnet man den Schalldruckpegel der notwendig ist einen Ton gerade noch zu hören, als Funktion der Frequenz auf, so erhält man die Ruhehörschwelle. Schalldruckpegel in db 80 Frequenz in khz Jahre Jahre Jahre Erhöht man den Schalldruck, so wird man ab einem bestimmten Schalldruckpegel Sprachbereich 0 beim Hören der Töne Schmerz Ruhehörschwelle1 empfinden. Trägt man diese Kurve ebenfalls in Abhängigkeit auf, so erhält man die Schmerzschwelle. Der Schalldruck liegt dabei bei ca. Pa. Den Bereich zwischen Ruhehörschwelle und Schmerzschwelle bezeichnet man als Hörfläche Der Verlauf der Hörschwelle verändert sich mit steigendem Lebensalter. Dies ist ein natürlicher Vorgang und äußert sich in einer altersabhängigen Anhebung der Ruhehörschwelle und endet in der sogenannten Altersschwerhörigkeit. Der Verlauf der Anhebung der Ruhehörschwelle mit steigendem Alter ist in der nebenstehenden Grafik dargestellt. Ein angehobener Verlauf der Ruhehörschwelle kann aber auch schon verfrüht durch übermäßige Lärmeinwirkungen eintreten. Dieser Vorgang wird als Lärmschwerhörigkeit bezeichnet. Lärmschwerhörigkeit bleibt im Anfangsstadium oft unbemerkt, da die Absenkung der Ruhehörschwelle zuerst in Frequenzbereichen außerhalb des Sprachbereichs auftritt, die für die alltägliche Hörwahrnehmung keine gravierende Rolle spielen. Aufgrund der Analyse der Hörschwellen läßt sich übrigens folgender Sachverhalt beweisen: "Frauen hören besser" Vergleicht man die mittleren Hörschwellen von Frauen und Männern, so lässt sich feststellen, dass diese gravierende Unterschiede aufweisen. Der äußere Gehörgang weist bei Frauen eine andere Form und kleinere Abmessungen als bei Männern auf. Hierdurch wird der Schall aus der Umwelt effektiver verstärkt. Durch die andere Bauweise weisen Frauen daher eine um einige Prozent erhöhte Gehörgangsresonanz auf. Weiterhin liegen die Hörschwellen von Frauen wesentlich unter denen der Männer, insbesondere zu hohen Frequenzen hin. Auch die altersbedingte Abnahme der Empfindlichkeit des Gehörs verläuft bei Frauen langsamer. Bei weiterer Überlastung schiebt sich der Bereich der Schädigung zunehmend in den Sprachbereich und führt zu gravierenden Höreinbußen. Hörschäden durch Lärmeinwirkungen haben ihre Ursache in einer irreparablen Schädigung der Nervenzellen im Innenohr und sind unheilbar, da sich Sinneszellen nicht regenerieren können. Hörschädigungen durch Schalleinwirkungen können aber auch auf Grund eines plötzlich auftretenden Schallereignisses auftreten. Solche Schallereignisse werden als Knall bezeichnet und erreichen, je nach Art der Knallerzeugung, Spitzenwerte zwischen 1 db bis 0 db. Als Folge der Knalleinwirkungen lassen sich überwiegend mechanische Schäden im Innenohr beobachten. Man spricht in diesem Fall von einem Knalltrauma.

7 Da das Mikrofon in seinem Frequenzbereich den Schalldruck im Gegensatz zum menschlichen Gehör gleichmäßig aufnimmt, muß durch ein zusätzliches Filter im Meßgerät die Frequenzbewertung des Ohres nachgebildet werden. Die A-Kurve kommt der Frequenzempfindlichkeit des Gehöres bei der üblichen Geräuschsituation recht nahe. Bei sehr lauten und tieffrequenten Geräuschen ist die C-Kurve besser. Nach der Frequenzbewertung (meist A-Bewertung), die wahlweise zugeschaltet werden kann, wird das Signal gleichgerichtet und der Effektivwert gebildet. Dabei soll eine Kurzzeitmittelung über eine 1/8 Sekunde (fast) dem zeitlichen Auflösungsvermögen des Gehörs gerecht werden. Nach Logarithmierung wird der Schalldruckpegel LAF angezeigt. Schall messen 10 0 C Schall wird mittels eines Phonometers gemessen Schalldruckpegel in db Schwankende Geräusche (z.b. Flug-, Eisenbahn- oder Strassenlärm) werden in der Technik häufig durch den energieäquivalenten Dauerschallpegel (Mittelungspegel) beschrieben. Beim Prinzip der Energieäquivalenz geht man davon aus, dass die mittlere Schallenergie eines diskontinuierlichen Geräuschs in einem Zeitraum T die gleiche Wirkung hat wie die eines kontinuierlichen Geräuschs gleicher Energie. Dabei wandeln Mikrofone Luftdruckschwankungen in elektrische Signale um A - Mikrofon - 50 Impedanzwandler - 10 Hz khz Verstärker khz Frequenz Bereichsschalter RMS Übersteuerungsanzeige Frequenzbewertung (A, C-Filter, linear) Wechselspannungsausgang Gleichrichter und Effektivwertbildung RC Zeitbewertung (Fast, Impuls, Slow) Gleichspannungsausgang log Logarithmierer Anzeigeinstrument Pascal wird Volt Bei einem Kondensatormikrofon bewegt die auftreffende Schallwelle eine etwa 0,002 mm dünne Metallmembran im Rhythmus der Schalldruckschwankungen (Pascal). Die Membran bildet zusammen Beispiel einer Verkehrslärmmessung an der Pustertaler Staatsstraße mit einer dahinter liegenden Elektrode einen Kondensator, der durch eine anliegende elektrische Gleichspannung aufgeladen ist. Durch die Abstandsänderung der Elektroden wird die Kapazität des Kondensators synchron zu den Schalldruckschwankungen verändert. Über einen Entladungswiderstand ergibt sich ein dem Schalldruck proportionales Spannungssignal (Volt), das Tel für die weitere Verarbeitung elektronisch verstärkt wird.