GRUNDLAGENHANDBUCH ZUM ENTWURF VON BESCHALLUNGSANLAGEN AUF BAHNSTEIGEN UND IN BAHNHÖFEN

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1 GRUNDLAGENHANDBUCH ZUM ENTWURF VON BESCHALLUNGSANLAGEN AUF BAHNSTEIGEN UND IN BAHNHÖFEN 1

2 Zielsetzung Beschallungsanlagen werden auf Bahnhöfen dazu benutzt um an die am Bahnhof befindlichen Adressaten akustische Informationen zu übermitteln. Diese Informationen müssen beim Zuhörer möglichst sprachverständlich und mit einem akzeptablen Pegel ankommen. Um dieses Ziel zu erreichen wurde dieses Handbuch geschaffen. Es soll den mit der Planung von Beschallungsanlagen befassten Personen eine Hilfestellung bei der Auslegung dieser Anlagen bieten. 2

3 Inhalt Grundlagen der Elektroakustik... 4 Physikalische Grundbegriffe und Einheiten... 5 Das menschliche Gehör... 7 Abbildung 1: Einheiten Elektrotechnik... 7 Das Außenohr... 7 Das Mittelohr... 7 Das Innenohr... 8 Hörschwelle und Empfindlichkeit... 8 Schallpegel... 9 Schwingungslehre Periodische Schwingungen Formeln Überlagerung von Schwingungen Superpositionsprinzip Überlagerung von Schwingungen unterschiedlicher Frequenz Schwebung Stehwelle Dezibel Entfernungsgesetz Kugelwelle Zylinderwelle Sprachverständlichkeit Sprachverständlichkeitsmessungen STI-Messung in der Anwendung

4 Nachhall RT T T RT60-Messung in der Anwendung Testsignal: Rosa Rauschen Testsignal: Impuls Verteilte Lautsprechersysteme Deckenlautsprechersystem Schallzeilen Bahnsteiglautsprecher Elektroakustische Simulation Grundlagen der Elektroakustik 4

5 Physikalische Grundbegriffe und Einheiten Eine physikalische Größe ist eine quantitativ bestimmbar Eigenschaft eines physikalischen Objektes, Vorgangs oder Zustands. Ihr Wert (Größenwert) wird als Produkt aus einem Zahlenwert (der Maßzahl) und einer Maßeinheit angegeben. Vektorgrößen werden durch Größenwert und Richtung angegeben Es existieren in der Praxis eine Vielzahl von unterschiedlichen Einheitensystemen nebeneinander. Die Grundlage dafür bildet das SI- Einheitensystem (Sytéme International súnités) SI Einheiten Basisgröße Formelzeichen Einheit Einheitenname Bemerkungen Länge l m Meter Zeit t s Sekunde Masse m kg Kilogramm Temperatur T C, K Celsius,Kelvin 0 Kelvin= -273 C Elektrische Stromstärke I A Ampere Stoffmenge n mol Mol Tabelle 1: SI Einheiten Einheiten Elektrotechnik Phys.Größe Formelzeichen Einheit Einheitenname Bemerkungen Elektrische Spannung U V Volt Elektrische Feldstärke E V/m -- Elektrische Wirkleistung P W -- Magneitscher Fluss F Wb Weber 1 Wb= 1Vs Magneitsche Induktion B T Tesla 1 T =1 Vs/m 2 Magnetische Feldstärke H A/m -- Widerstand R W Ohm Induktivität L H Henry 1 H = 1Vs/m 2 Kapazität C F Farad 1F=1 As/V Tabelle 2: Einheiten Elektrotechnik 5

6 Einheiten Akustik Phys.Größe Formelzeichen Einheit Einheitenname Bemerkungen Schalldruck p N/m 2 Schalldruckpegel LP db Lp = 20 log (p 1 /p 0 ) Schallintensität J W/m 2 Schallfluss q m 3 /s Schallschnelle v m/s Schalleistung PA W Watt Schallimpedanz spez. ZS Ns/m3 Nachhallzeit TN S T N60 = Pegelabfall um 60dB Hallradius rh m Lautstärkepegel LN phon Bündelungsgrad Q -- Q1=1 (Kugelchar.) Q>1 Bündelung Absorptionsfläche A m2 Schallabsorptionsgrad a -- Akustische Leistung PA K W Watt Akustische Impedanz Ns/m 5 ZA Tabelle 3: Einheiten Elektrotechnik 6

7 Das menschliche Gehör Abbildung 1: Einheiten Elektrotechnik Das Außenohr Das Außenohr besteht aus der Ohrmuschel, dem Ohrläppchen und dem äußeren Gehörgang, der auch Ohrkanal genannt wird. Die Form der Ohrmuschel ist so angelegt, dass die Schallwellen gesammelt und durch den äußeren Gehörgang zum Trommelfell geleitet werden. Der Ohrkanal ist leicht S -förmig und bei Erwachsenen ca. 2,5 cm lang. In ihm befinden sich kleine Härchen sowie Drüsen, die den Ohrenschmalz, auch Cerumen genannt, produzieren. Das Cerumen hält die Haut feucht und dient dazu, Staub, abgestorbene Hautzellen und andere Fremdkörper aus dem Ohr zu entfernen. Das Mittelohr Das Mittelohr beginnt am Trommelfell, einer sehr dünnen Membran, die durch die auftreffenden Schallwellen in Schwingung versetzt wird. Der Raum hinter dem Trommelfell ist die Paukenhöhle, die über die Ohrtrompete mit dem Nasenrachenraum verbunden ist. Hier befinden sich die Gehörknöchelchen Hammer, Amboss und Steigbügel. Die Gehörknöchelchen dienen der Weiterleitung der Schwingungen des Trommelfells zum Innenohr. 7

8 Das Innenohr Weiter im Inneren des Kopfes, in einem Teils des Schläfenbeines, befindet sich das häutige Labyrinth. Das Labyrinth besteht zum einen aus den Bogengängen des Gleichgewichtsorgans und zum anderen aus der Gehörschnecke (Cochlea). Die Cochlea teilt sich in drei mit Flüssigkeit gefüllte Bereiche. Dabei umschließen zwei äußere Bereiche einen mit feinen Haarzellen bestückten Bereich, das Cortische Organ. Hier werden die Schwingungen in elektrische Signale gewandelt, die über den Hörnerv an das Gehirn geleitet werden. Hörschwelle und Empfindlichkeit Für das menschliche Ohr sind in der Regel nur die Frequenzen von 16 bis Hz hörbar. Höhere Frequenzen bezeichnet man als Ultraschall, niedrigere als Infraschall. Der wahrnehmbare Schalldruck liegt zwischen 10-5 Pa und 100 Pa, wobei ein Schalldruck von 100 Pa fast immer zur sofortigen Zerstörung des menschlichen Gehörs führt. Das menschliche Gehör nimmt die verschiedenen Schalldrücke und Frequenzen nicht mit der gleichen Lautstärke wahr. Eine Übersicht über die vom Menschen wahrnehmbaren Schalldruck- und Frequenzbereiche bietet die Hörfläche. Die untere Begrenzungskurve zeigt die Hörschwelle und die obere Kurve die Schmerzschwelle. Den größten Schalldruckbereich nimmt das Ohr bei ca.1000 Hz wahr. Abbildung 2: Hörfläche 8

9 Der Hörbereich ist abhängig vom Alter des Hörenden in der Praxis individuell anders. Im Bereich von 500Hz bis 6000 Hz liegt die höchste Empfindlichkeit des menschlichen Ohrs Schallpegel Bei Beschallungsanlagen sollten prinzipiell die Begriffe Lautstärke und Lautheit vermieden werden. Diese Begriffe stammen aus der Psychoakustik und beruhen auf einer subjektiven Wahrnehmung die nicht eindeutig messbar ist. Der gleiche Schall erzeugt nicht bei allen Menschen die gleiche Lautheitsempfindung. Der Lautstärkepegel ist ein psychoakustisches Vergleichsmaß, das beschreibt, welchen Schalldruckpegel ein Sinuston mit einer Frequenz von 1000 Hz haben müsste, damit dieser Ton genauso laut empfunden wird, wie das betrachtete Hörereignis. Bei einer Schall-Frequenz von 1000 Hz stimmen Schalldruckpegel, gemessen in Dezibel, und Lautstärkepegel, gemessen in Phon, überein. Für Sinustöne anderer Frequenzen sowie für komplexe Schallereignisse sind dagegen andere Schalldruckpegel erforderlich, um den gleichen Lautstärkeeindruck zu erzielen. Welcher Schalldruckpegel für einen Einzelton bei welcher Frequenz erforderlich ist, um jeweils den gleichen Lautstärkeeindruck zu erzielen, ist in den Kurven gleicher Lautstärkepegel (Isophone) beschrieben. Die Kurven gleicher Lautstärkepegel sind festgehalten in DIN Blatt 2 und der ISO R 226 aus Abbildung 3: Kurven gleicher Lautheit 9

10 Schwingungslehre Eine Schwingung ist eine Funktion, die eine physikalische Zustandsgröße in Abhängigkeit von der Zeit definiert. Bei einer periodischen Zustandsänderung wird der Ausgangszustand nach einem festen Zeitintervall wiederholt. Bei unterschiedlichen Zeitintervallen spricht man von einer nichtperiodischen Schwingung. Die Ausbreitung von Schallwellen in Gasen (z.b. Luft) und Flüssigkeiten erfolgt grundsätzlich nur in der Form einer Längswelle der Longitudinalwelle. Longitudinalwellen sind sehr oft Druckwellen. Das Gegenstück ist die Transversalwelle, wie z.b. Scher- und Biegewellen in Festkörpern oder elektromagnetische Wellen. Periodische Schwingungen Eine Sinusschwingung entspricht einem reinen Ton (z.b. 1 khz) Die Anzahl der sich wiederholenden Perioden (T) pro Sekunde wird als Frequenz (f) bezeichnet. Die Einheit der Frequenz wird in Hertz [Hz] angegeben. Bei einer Frequenz von z.b Hz (= 1 KHz) wird also eine Periode genau 1000mal pro Sekunde wiederholt. Der zeitliche Ablauf einer vollständigen periodischen Schwingung wird als Periodendauer (auch Schwingungsdauer) bezeichnet. Die Einheit für die Periodendauer ist die Sekunde [s]. Abbildung 4: Sinusschwingung 10

11 Die Auslenkung (y) zu einem bestimmten Zeitpunkt(t) gibt den momentanen Wert der Auslenkung an wobei die Amplitude (Scheitelwert) den maximalen Wert der Auslenkung definiert. Komplexe, zusammengesetzte und überlagerte Signale wie z.b. Musiksignale lassen sich mathematisch mit der Fourieranalyse (J.B. Fourier, ) auf Sinusschwingungen zurückführen bzw. berechnen. Abbildung 5: Hüllkurve Sprachsignal 11

12 Formeln Frequenz: ff = 11 TT Umrechnung Frequenz ƒ in Wellenlänge ʎ und Wellenlänge in Frequenz Bei Schallwellen muss generell die Schallgeschwindigkeit zur Umrechnung herangezogen werden. Diese ist Temperaturabhängig und beträgt bei 20º C 343m/s. Bei 0ºC wurde eine Schallgeschwindigkeit von 331,3m/s festgelegt. Schallgeschwindigkeit: cc = λλ ff Frequenz: ff = cc λλ Wellenlänge: λλ = cc ff Periodendauer: TT = λλ cc Überlagerung von Schwingungen Der Schall der durch ein Medium übertragen wird versetzt kleinste Materieteilchen in Bewegung. Bei der Übertragung eines reinen Tonsignals (z.b. 1 KHz) über den Luftweg, werden die Luftpartikel in Schwingung versetzt und durch diesen mechanischen Energieverlust das Signal auch gleichzeitig bedämpft. Berücksichtigt man, dass ein Materieteilchen nicht gleichzeitig den unterschiedlichen Schwingungen folgen kann, so resultiert daraus eine Abschwächung oder Verstärkung der einzelnen Teilsignale. Es entsteht eine Interferenz. Das bedeutet eine Überlagerung von mindestens zwei Wellen beliebiger Art gemäß dem Superpositionsprinzip. Das Superpositionsprinzip beschreibt die Addition bzw. auch Addition mit negativen Vorzeichen(= Subtraktion) von Wellen. 12

13 Superpositionsprinzip Addition der Amplituden einer Welle (nicht deren Intensität!) Bei einer Verstärkung der Wellen nach dem Superpositionsprinzip bezeichnet man die Überlagerung der Wellen als konstruktive Interferenz. Abbildung 6: Konstruktive Interferenz Verstärkung der Amplituden Bei einer Abschwächung der Wellen nach dem Superpositionsprinzip bezeichnet man die Überlagerung der Wellen als destruktive Interferenz. 13

14 Abbildung 7: Destruktive Interferenz Wenn Schwingungen mit gleicher Phasenlage und gleicher Amplitude sich überlagern so, ist die Amplitude der daraus resultierenden Schwingung auch um den Faktor der Anzahl der Einzelschwingungen größer. Bei zwei Schwingungen z.b. verdoppelt sich der Wert der Amplitude. Das bedeutet die Amplitude der entstandenen neuen Schwingung ist doppelt so hoch, wie die Amplitude der beiden Einzelschwingungen. Bei einer um 180 gedrehten Phasenlage wird die positive Amplitude durch die negative, um 180 phasenverschobene, Amplitude kompensiert und der resultierende Wert ist Null. 14

15 Abbildung 8: Destruktive Interferenz - Auslöschung Bei der Übertragung von Tonsignalen in der Umwelt kann man durch die vorhandenen Umgebungsgeräusche grundsätzlich davon ausgehen, dass immer eine Überlagerung verschiedener Frequenzen stattfindet. Die Amplitude der einzelnen Schwingungen sowie deren Phasenlage können erheblich von der Originalschwingung abweichen. Überlagerung von Schwingungen unterschiedlicher Frequenz Wenn sich zwei Frequenzen mit nur geringem Frequenzunterschied gemäß dem Superpositionsprinzip überlagern, so wird das als Schwebung bezeichnet. 15

16 Schwebung Schwingung mit periodisch unterschiedlicher Amplitude. Die entstehende Welle mit der neuen Frequenz ist die Hüllkurve der Schwingung. Die resultierende Frequenz der Schwebung entspricht dem Mittelwert der beiden überlagerten Frequenzen. Die Interferenz zweier Wellen gleicher Frequenz, aber mit entgegengesetzter Ausbreitungsrichtung, führt zu einer stehenden Welle, auch Stehwelle genannt. Stehwelle Interferenz von 2 Wellen gleicher Frequenz und gegensätzliche Ausbreitungsrichtung. Abbildung 8:Schwebung 16

17 Dezibel Eine Größe, der man in der Beschallungstechnik sehr häufig begegnet ist das Dezibel oder db. Ohne weitere Angaben ist das db zunächst eine dimensionslose Größe, die das logarithmische Verhältnis von zwei Werten zueinander angibt. Angaben wie z.b. +6 dbv stellen einen wirklichen Wert dar, in diesem Fall 6 db über dem Bezugspegel von 1 V, also 2 V. Dazu muss man sich merken: Bei Größen wie Leistung bedeuten +3 db eine Verdoppelung, bei Spannungswerten oder Schalldruckpegel sind +6 db eine Verdoppelung. Wie wir später noch sehen werden, lässt sich besonders bei Leistung und Schalldruckpegel sehr einfach in db rechnen. Um db-angaben etwas zu veranschaulichen folgt hier als Beispiel eine kleine Tabelle mit Leistungswerten und Ihren zugehörigen db-werten. 100 W = 20,0 dbw 200 W = 23,0 dbw 250 W = 24,0 dbw 400 W = 26,0 dbw 500 W = 27,0 dbw 800 W = 29,0 dbw W = 30,0 dbw W = 30,8 dbw W = 31,8 dbw W = 33,0 dbw W = 40,0 dbw Tabelle 4: Leistungswerte in Dezibel Auf eine oder zwei interessante Kleinigkeiten sei bei dieser Tabelle noch hingewiesen. Wie man erkennen kann beträgt der Unterschied zwischen 1500 Watt und 2000 Watt gerade einmal 1,2 db. Wie wir gleich noch sehen werden entspricht das auch dem maximal zu erwartendem Schallpegelunterschied beim 17

18 Lautsprecher. Wenn man jetzt bedenkt, dass der kleinste, von normalen Menschen unterscheidbare Lautstärkeunterschied ca. 1 db ist, relativieren sich Unterschiede in der Ausgangsleistung von Verstärkern doch ein wenig. Ein Unterschied von 10 db wird als doppelte Lautstärke wahrgenommen. Das wiederum bedeutet, dass man die Ausgangsleistung von z.b. 500 Watt auf 5000 Watt steigern muss (sofern ein Lautsprecher das überhaupt aushalten würde) um die doppelte, wahrgenommene Lautstärke, zu erreichen. Entfernungsgesetz Wie jeder sicherlich weiß und auch schon beobachtet hat, wird die Musik leiser je weiter man sich vom Lautsprecher entfernt. Die Frage ist jetzt: um wie viel leiser wird es denn? Dazu gibt es eine etwas komplizierte Gleichung, deren Ergebnis man sich aber recht einfach merken kann: Bei Entfernungsverdoppelung verringert sich der Schalldruckpegel um (ziemlich genau) 6 db. Das heißt, wenn man sich z.b. von 1m Entfernung zum Lautsprecher auf 2m Entfernung wegbewegt wird es um 6 db leiser. Anhand der folgenden Beispiele kann man recht anschaulich sehen, wie das relativ einfach überschlagen werden kann. 1m 2m -6dB 10m 20m -6dB Ein weiterer Wert, den man sich gut merken kann ist ein Faktor 10 bei der Entfernung: 10m 100m -20dB 100m 200m -20dB 18

19 Und zuletzt noch das Ergebnis für den Faktor 30 bei der Entfernung: 1m 30m -30dB 5m 150m -30dB Wie kann man andere Werte berechnen? Das ist gar nicht so schwer. Als Beispiel nehmen wir die Vergrößerung der Entfernung von 1m auf 8m: Hier wird 3mal die Entfernung verdoppelt, also 1m 2m, 2m 4m, 4m 8m. Auf das Ergebnis kommt man, wenn man einfach die entsprechenden Pegelreduzierungen addiert: 1m 8m: -6 db + -6 db + -6 db= -18 db Und als Kür die Pegelreduzierung von 1m auf 20m: 1m 20m: -20 db + -6 db = -26 db (1m 10m und 10m 20m) Wie so oft, muss man auch hier eine einschränkende Anmerkung machen: Diese Werte sind nicht ganz exakt und gelten eigentlich nur für offenes Gelände ohne Hall und Reflektionen. In geschlossenen Räumen wird der Pegelverlust durch eben diese Reflektionen und den Nachhall etwas abgeschwächt. Man kann aber näherungsweise ganz gut damit rechnen. 19

20 Kugelwelle Für eine Kugelwelle gilt: Der Schalldruckpegel nimmt bei Verdopplung des Abstands um ( )6 db ab, Der Schalldruck fällt also auf das 1/2-fache (50 %) des Schalldruckanfangswerts. Der Schalldruck nimmt dabei im Verhältnis 1/r zum Abstand ab. Abbildung 9: Kugelwelle Zylinderwelle Für eine Zylinderwelle einer Linienquelle (Linienstrahler) gilt: Der Schalldruckpegel nimmt bei Verdopplung des Abstands nur um ( )3 db ab, Der Schalldruck fällt also auf das 0,707-fache (70,7 %) des Schalldruckanfangswerts. Der Schalldruck nimmt dabei im Verhältnis 1/ r zum Abstand ab. Abbildung 10: Zylinderwelle 20

21 Ein Lautsprecher Line-Array arbeitet zwar nach diesem Prinzip, jedoch nimmt wegen der endlichen Länge des Arrays der Schalldruckpegel (SPL) (!) der tiefen Frequenzen kugelförmig mit der Verdopplung des Abstands um ( )6 db ab. Durch das vertikale Aufreihen einzelner Punktschallquellen entsteht eine frequenzabhängige Bündelung der Abstrahlcharakteristik in der vertikalen Ebene. Dies ist auf die kohärente Kopplung (phasen- und amplitudengleiche Überlagerung) der Schallwellen zurückzuführen. Zugleich stellt sich in Anordnungsrichtung der Schallquellen eine Pegelverminderung ein, welche von destruktiven Interferenzen in jenem Bereich herrührt. Das beschriebene frequenzabhängige Phänomen hängt unmittelbar mit dem gewählten Quellenabstand zusammen. Dieser muss kleiner sein, als die Hälfte der kleinsten betrachteten Wellenlänge. Exemplarisch soll dies an einer Aufreihung von zehn idealen Kugelschallquellen mit einem Abstand von jeweils 10cm gezeigt werden. Abbildung 11: Direktschall bei 1kHz 21

22 Abbildung 12: Direktschall bei 8kHz 22

23 Sprachverständlichkeit Jede Beschallungsanlagenplanung hat sich an der Erreichung einer angemessenen Sprachverständlichkeit zu orientieren. Die Sprachverständlichkeit einer akustischen Übertragungsstrecke (Sprecher Mikrofon Signalbearbeitung Leistungsverstärker Lautsprecher Raum Zuhörer) wird durch eine Anzahl von Faktoren beeinflusst. Folgende Faktoren beeinflussen maßgeblich die Sprachverständlichkeit 1. Das akustische Umfeld z.b. Raumakustik, Echos 2. Durch Störungen wie z.b: Störschall, andere Sprecher, Fahrzeuglärm etc. 3. Durch die Beschallungsanlage selbst wie z.b: Verzerrungen, Frequenzgang etc. 4. Durch psychoakustische Effekte; Hörschwelle Verdeckung Die verständliche Übertragung von Sprache wird ganz wesentlich durch deren Modulationstiefe definiert. Störgeräusche, Nachhall, und Bandbegrenzungen in der Übertragungsstrecke führen in der Regel zum Verlust von Modulationstiefe im Signal und somit zum Informationsverlust, d.h. zu einer reduzierten Sprachverständlichkeit. 23

24 Abbildung 13: Direktschall bei 1kHz Die blaue Kurve stellt das Originalsignal dar. Sehr schön kann man die große Modulationstiefe erkennen. Die rote Kurve zeigt eine durch das hinzuaddieren eines Hintergrundgeräuschs bereits deutlich reduzierte Modulationstiefe. In der grünen Kurve ist zusätzlich Auswirkung des Nachhalls auf die Modulationstiefe zu erkennen. Die rote Kurve mit einem Störpegel 6 db unter dem Signalpegel erreicht noch einen STI-Wert von 0,7. Die grüne Kurve wird durch den Nachhall noch wesentlich stärker gestört und kommt gerade noch auf einen STI-Wert von 0,35. Der Wertebereich für STI liegt zwischen 0 und 1. Ein STI von 0,5 korrespondiert mit einer Sprachverständlichkeit von ca. 95% für normal hörende Personen. Der kleinste wahrnehmbare Unterschied zwischen zwei STI-Werten liegt etwa bei 0,03. In der folgenden Tabelle werden die STI-Wertebereiche Sprachverständlichkeiten zugeordnet. 24

25 STI-Wert Einstufung Verständlichkeit in % EN Worte Sätze 0,00-0,29 schlecht ,30-0,44 schwach ,45-0,59 angemessen ,60-0,74 gut ,75-1,00 sehr gut Tabelle 5: Zuordnung von STI-Werten und Sprachverständlichkeiten in Prozenten 1. Spalte: Bereich STI-Wert 2. Spalte: Einstufung nach Norm in Worten 3. Spalte: Prozentuale Verständlichkeit für Worte 4. Spalte: Prozentuale Verständlichkeit für Sätze Aus Tabelle 5 ist ersichtlich, dass die prozentuale Sprachverständlichkeit von der Silbenverständlichkeit (hier nicht aufgeführt) über die Wortverständlichkeit zur Satzverständlichkeit bei gleichbleibendem STI-Wert zunimmt. Dieser Effekt ist auf die Redundanz der Textinhalte zurückzuführen, die von der Silbenverständlichkeit zur Satzverständlichkeit hin zunimmt. Die DIN EN ISO 9921 Ergonomie Beurteilung der Sprachkommunikation empfiehlt für das Ansprechen des Publikums im öffentlichen Bereich eine angemessene bis gute Sprachverständlichkeit, d.h. eine STI-Wert-Spannweite von 0,45 bis 0,74. Für elektroakustische Notfallwarnsysteme wird ein STI-Wert von >0,50, berechnet aus dem Mittelwert, minus einer Standardabweichung, vorgeschrieben. Wie stark beeinflusst das Hintergrundgeräusch nun tatsächlich die Sprachverständlichkeit. Aus der nachfolgenden Kurve kann dies für einen Sprachsignalpegel von 65dBA entnommen werden. Um eine Beeinflussung des STI Werts durch das Hintergrundgeräusch sicher auszuschließen ist einen Mindestabstand von 15dB erforderlich. Sinkt der Abstand auf 0dB reduziert sich der STI 25

26 Abbildung 15: STI in Abhängigkeit von SNR bei 65dBa Der STI ist aber auch abhängig vom Signalpegel des Sprechers. Abbildung 16: STI in Abhängigkeit vom Signalpegel 26

27 Die Hörschwelle des Ohrs liegt in der Regel bei 34dBA. Fallen auch nur Teile des Sprachsignals unter diesen Wert, so verringert sich die Verständlichkeit. Auf der anderen Seite der Pegelskala reduziert sich bei sehr hohen Pegeln die Sprachverständlichkeit ebenfalls. Die Psychoakustik beschreibt dies als Maskierungseffekt. Laute tieffrequentere Töne verdecken höherfrequente leisere Töne. Damit werden diese nicht mehr wahrgenommen. Wie aus Abb. 16 erkennbar ist, wirkt dieser Effekt ab ca. 80dBA. Dieser Effekt wird auch als Selbstmaskierung bezeichnet, da die Ursache der Maskierung nicht von außen kommt, sondern im Sprachsignal selbst begründet ist. Der ideale Sprachsignalpegel für bestmögliche Sprachverständlichkeit liegt daher im Bereich von 60dBA bis 80dBA. Das deckt sich mit den normalen und gehobenen Sprechlautstärken eines Sprechers. Modulation Aus Sicht der Signaltheorie, gibt es die spektrale Zusammensetzung und die Modulation eines Sprachsignals. Die spektrale Zusammensetzung zeigt, wie stark einzelne Frequenzbänder, also z. B. Oktav- oder Terzbänder, in einem Signal vertreten sind. Die Hüllkurve des Signals stellt die Modulation dar. Abb.17 zeigt den primären Unterschied, in der spektralen Zusammensetzung zwischen männlichen und weiblichen Stimmen. Bei den weiblichen Sprecherinnen fehlt das 125 Hz-Oktavband fast vollständig. Das führt dazu, dass Frauenstimmen in der Regel besser verständlich sind, da die tieffrequente Anregung des Nachhalls wesentlich reduziert ist. 27

28 Abbildung 17: Sprachspektren Männlich/Weiblich Sprachverständlichkeitsmessungen Das eigentliche Messverfahren stellt sich für den Anwender heute bereits recht einfach und anschaulich dar und kann mit einfach zu bedienenden Geräten umgesetzt werden. Die Tücke liegt dabei aber im Detail, wenn es um die Erfassung und/oder Festlegung der Einflussgrößen wie Störpegel oder Nutzsignalpegel geht. An dieser Stelle gibt es einen gewissen Bedarf nach konkreteren Handlungsanweisungen, die zum einen dafür sorgen müssen die Anforderungen an eine Beschallungsanlage nicht ins Uferlose steigen zu lassen und vor allem das darin liegende Streitpotenzial zu reduzieren. 28

29 STI-Messung in der Anwendung Messung mit STIPA Signal Testvorbereitungen: Reduzieren Sie den Umgebungslärm auf ein mögliches Minimum Positionieren Sie das Messmikrofon auf einem Stativ Für Stehhöhe ca. 1,6-1,8m Sich im akustischen Feld der Messung aufhaltende Personen beeinflussen die Messung, daher sollte z.b. das Messmikrofon auf einen Mikrofonständer montiert werden und mit einem Verlängerungskabel an das Messsystem angeschlossen werden. Wählen sie eine Signalquelle für das STIPA Signal Im Regelfall sind zwei Varianten der Sprachverständlichkeitsmessung möglich. Variante 1 Einspeisung des STIPA Signals direkt in einen NF-Eingang einer Beschallungsanlage Variante 2 Ausspielen des STIPA Signals über eine Referenzschallquelle wie z.b. die NTI Talk Box. Dies Variante kommt dann zur Anwendung, wenn die Evakuierungsdurchsagen nicht von einem Sprachspeicher stammen, sondern direkt über ein Mikrofon durchgeführt werden. Stellen Sie den Schallpegel des Durchsagesystems ein und zwar so dass der gleiche Pegel wie in typischen Notfallsituationen verwendet wird, z.b. LA S = 85 db. Dann kann die Messung gestartet werden. Die Messung selbst dauert pro Messpunkt ca. 15s. Das Ergebnis wird dann im Display Ihres Messgeräts angezeigt. Der Standard IEC empfiehlt an jedem Messpunkt zwei bis drei Messwerte zu mitteln. Die Messung der Sprachverständlichkeit bei realem Umgebungslärm ist oft nicht möglich, z.b. in öffentlichen Bahnhöfen kann keine Messung während des größten Lärmpegels (morgens oder abends) durchgeführt werden. Zusätzlich enthält die Geräuschkulisse zu solchen Spitzenzeiten oft viele 29

30 impulshaltige Komponenten, die die STI Messung empfindlich stören würden. Unter solchen Bedingungen ist es empfehlenswert, nur den Umgebungslärm aufzuzeichnen und die Sprachverständlichkeitsmessungen während der Nacht durchzuführen. Messablauf Messen Sie zuerst das Hintergrundgeräusch Messen Sie danach die Sprachverständlichkeit Hinweise: Umgebungslärm Während der Messung sollten keine impulsiven Hintergrundgeräusche auftreten. Falls dies dennoch passiert (z.b. Sprache, Gelächter, Sirenen etc.), kann dies zu erheblichen Messfehlern führen (meistens resultiert dann ein höheres Ergebnis als bei einer ungestörten Messung). Verifizieren Sie ob es sich um einen impulsartiger Lärm handelt indem sie die Sprachverständlichkeit STI ohne Testsignal messen. Das angezeigte Resultat sollte < 0,20 STI sein. Die Sprachverständlichkeitsmessung soll ohne impulshaltigen Umgebungslärm durchgeführt werden. Nachbewertung der Messdaten Falls keine Umgebungslärmkorrektur im Analysator durchgeführt wurde, dann kann dies mit dem NTI STI Reporting Tool am PC vorgenommen werden. Das Reporting Tool kombiniert die Sprachverständlichkeits-Messergebnisse mit dem Spektrum des Umgebungslärms. So kann die zu erwartende Sprachverständlichkeit bei realen Notfalldurchsagen verifiziert werden. 30

31 Nachhall RT60 Die Nachhallzeit RT60 ist diejenige Zeit, während der ein Schallpegel in einem Raum um 60 db abfällt, nachdem das akustische Testsignal gestoppt wird. Zur einfachen praktischen Ausführung dieser Messung spezifiziert der Standard ISO 3282 die folgenden Messmethoden: T20 Für die Messung genügt bereits ein geringerer dynamischer Messbereich von ~35 db über dem Umgebungslärm in jedem einzelnen Frequenzband. RT60 (T20) = 3 x Abfallzeit von 20 db T30 Die Messung benötigt einen dynamischen Messbereich von ~45 db über dem Umgebungslärm in jedem einzelnen Frequenzband. RT60 (T30) = 2 x Abfallzeit von 30 db Im Detail basiert die Nachhallzeit RT60 auf einer linearen Regression der kleinsten Quadrate der gemessenen Abklingkurve. Falls die RT60 kurz ist (z.b. < 0,3 Sekunden), dann wird der Raum als akustisch tot bezeichnet; z.b. ein Raum mit dickem Teppich, Vorhängen und gepolsterte Möbel. Falls die RT60 lang ist (z.b. > 2 Sekunden), dann hat der Raum eine hallige Akustik; z.b. ein großer, leerer Raum mit glatten Wänden, Decken, Fliesenboden und viel Glasfenstern wie z.b. typischerweise in Bahnhofshallen, Kirchen etc. 31

32 RT60-Messung in der Anwendung Ein sehr weit verbreitet Gerät zur Messung der Nachhallzeit ist der Audio und Akustikanalyzer XL2 der Firma NTI-Instruments Der XL2 misst die RT60 Nachhallzeit in den Oktavbändern 63 Hz - 8 khz mit der Schröder-Rückwärtsintegration. Das optionale Erweiterte Akustikpaket ermöglicht eine Messung in Terzbändern von 50 Hz - 10 khz. Für die Abschätzung, hinsichtlich der Nachhallzeit, für die Entscheidung ob eine Simulation der Beschallungssituation erforderlich ist oder nicht reichen die Oktavbänder völlig aus Die RT60 Messung entspricht der Norm ISO Als Testsignal dient eine Impulsschallquelle oder getaktetes rosa Rauschen. Testsignal: Rosa Rauschen Der Testraum kann idealerweise mit einem omnidirektionalen Kugellautsprecher mit getaktetem rosa Rauschen beschallt werden. Der Raum wird solange beschallt bis die reflektierte Schallenergie den ganzen Raum füllt. Als einfache Regel kann das rosa Rauschen gleichlange wie die zu erwartenden Nachhallzeit RT60 eingeschaltet werden. Im Zweifelsfall verwenden Sie z.b. ein rosa Rauschen mit 5 Sekunden ein und 5 Sekunden aus. Dieses Testsignal wird z.b. von einem Generator wie dem NTI-Minirator MR-PRO oder der Test CD zur Verfügung gestellt. Der XL2 triggert auf das rosa Rauschen und misst die Nachhallzeit automatisch. Mindestens drei Messzyklen sind durchzuführen. Testsignal: Impuls Steht kein Rauschen und kein Kugellautsprecher zur Verfügung kann auch mit einer Impulsschallquelle, wie z.b. einer Starterpistole, Starterklappe oder einem platzenden Ballon gemessen werden. Der XL2 triggert auf diesen Impuls und misst die Nachhallzeit RT60 automatisch. 32

33 Verteilte Lautsprechersysteme Deckenlautsprechersystem In Flachräumen wie z.b. Shoppingmalls in Bahnhofsbereichen oder Personentunnel ist der Einsatz von Deckenlautsprecher sehr häufig das Mittel der Wahl. Zunächst stellt sich die Frage Wann ist das System laut genug Um das zu beantworten sind folgende Schritte erforderlich. Schritt 1 Sitzende Zuhörer weisen ein Ohrhöhe von ca. 130cm auf, stehende Zuhörer eine Höhe von ca. 160cm. Im Regelfall wird eine durchschnittliche Hörebene von 150cm den Berechnungen zugrunde gelegt. Damit ergibt sich einer angenommenen Raumhöhe von z.b: 3,5m eine Abstand von 2m von der Hörebene bis zum Deckenlautsprecher. Die Hersteller geben im Regelfall im Datenblatt den Schalldruckpegel an, den der Lautsprecher bei einem Watt zugeführter Leistung abgibt. Wenn z.b. bei einem typischen Deckenlautsprecher der Schalldruckpegel mit 86dB bei 1W in 1m angegeben ist, dann kann das Entfernungsgesetzt angewandt werden. Ein Lautsprecher, wie im o.a. Beispiel mit einem Abstand von 2m zur Hörebene ist in der Lage bei einem Watt zugeführter Leistung einen Schalldruckpegel von 86dB-6db=80dB zu erzeugen. Werden größere Schallpegel benötigt muss die Leistung entsprechend erhöht werden. Deckenlautsprecher werden im Regelfall als 100V Lautsprecher ausgeführt, d.h. zur Leistungsanpassung muss die erforderliche Leistungsstufe eingestellt werden. Beispiel eines typischen Deckenlautprechers mit einer maximalen Leistung von 20W: 5W: 94dB; 10W:97dB; 20W:100dB Deutlich ist zu erkennen, dass eine Leistungsverdoppelung, eine Schalldruckerhöhung um 3dB ergibt. 33

34 Schritt 2 Wie laut muss denn die Lautsprecheranlage in der Praxis wirklich sein? Bei Durchsagen sollte davon ausgegangen werden, dass diese mindestens um 10dB lauter sein müssen als das zu erwartende Hintergrundgeräusch. Wird dies nicht erreicht ist mit einer schlechten Sprachverständlichkeit zu rechnen da die erforderliche Modulationstiefe nicht erreicht wird. Schritt 3 Auswahl eines geeigneten Lautsprechers Beim Einsatz eines Lautsprechers ist heute grundsätzlich zu klären ob die zu beschallenden Bereiche über die Brandmeldeanlage automatisch geräumt werden. Ist dies der Fall liegt eine Beschallungsanlage nach EN vor bzw. gelten die Richtlinien nach TRVB 158s. Wenn dies der Fall ist, müssen nach der Norm EN geprüfte Lautsprecher eingesetzt werden. Deckenlautsprecher sind zunächst nach Ihrer maximalen Leistung definiert. Es sind Deckeneinbaulautsprecher zwischen 5W und 150W im Handel erhältlich. Der Öffnungswinkel des Lautsprechers spielt ebenfalls eine wesentliche Rolle. Seriöse Hersteller geben den Öffnungswinkel für verschieden Frequenzen an. Da die Abstrahlung im Regelfall konisch erfolgt, sind die Unterschiede in der horizontalen und vertikalen Ebene relativ ähnlich. Frequenz 500Hz 1Khz 2KHz 4kHz horizontal vertikal Tabelle 6: Öffnungswinkel Deckeneinbaulautsprecher Besonderes Augenmerk ist auf die Abstrahlung bei 2-4kHz zu legen denn hier unterscheiden sich die Lautsprecher naturgemäß am stärksten. Im tieffrequenten Bereich von 500Hz bis 2kHz ist der Lautsprecher weitgehend eine Kugel. Zu den höheren Frequenzen hin bündelt der Lautsprecher immer stärker und der Öffnungswinkel verringert sich. Im Folgenden sind die Abstände und Flächen für einen 60 Grad und 90 Grad Lautsprecher dargestellt. 34

35 Abbildung 18: Flächenabdeckung Lautsprecher Öffnungswinkel 60º Deckenhöhe 3m 3,5m 4m 4,5m 5m 5,5m 6m Lautsprecherabstand a 1,8m 2,2m 3m 3,6m 4,2m 4,8m 5,4m Versorgungsfläche 3m 2 5m 2 9m 2 13m 2 18m 2 23m 2 29m 2 Abbildung 19: Flächenabdeckung Lautsprecher Öffnungswinkel 90º Deckenhöhe 3m 3,5m 4m 4,5m 5m 5,5m 6m Lautsprecherabstand a 3m 4m 5m 6m 7m 8m 9m Versorgungsfläche 7m 2 13m 2 20m 2 28m 2 38m 2 50m 2 63m 2 35

36 Schallzeilen In halligen Räumen und in Räumen in denen auf Grund einer Raumhöhe >6m, keine Deckenlautsprecher möglich sind ist der Einsatz von sogenannten Schallzeilen zu prüfen. Betreffend die Eignung für den Evakuierungsfall gelten die im Kapitel Deckenlautsprecher, gemachten Angaben. Schallzeilen weisen einen hohen Bündelungsgrad in der vertikalen Richtung auf. Dieser Bündelungsgrad ist stark frequenzabhängig. Im tieffrequenten Bereich strahlt der Lautsprecher kugelförmig ab, zu höheren Frequenzen nimmt die Bündelung zu. Es gibt einen unmittelbaren Zusammenhang zwischen der Länge der Schallzeile und Bündelungsverhalten. Abbildung 20:Balloon Schallzeile 500Hz Abbildung 21:Balloon Schallzeile 1000Hz 36

37 Abbildung 22:Balloon Schallzeile 6000Hz Bei passiven Schallzeilen kann der vertikale Öffnungswinkel nicht verändert werden. Dies ist aber unter Umständen erforderlich. Dafür hat die Industrie gesteuerte Schallzeilen entwickelt. Diese Lautsprechersysteme sind über eine vorgeschaltete Elektronik, mittels Delays, sowohl im Bündelungsgrad als auch in der Neigung elektronisch einstellbar. Spezielle Systeme sind auch in der Lage bis zu zwei verschiedene Beams zu generieren. Abbildung 23:Schallzeile Montagehöhe UK=2m, keine Neigung In der oben gezeigten Abbildung ist eine passive Schallzeile mit einer Montagehöhe von 2m dargestellt. Deutlich ist erkennbar, dass die Schallzeile ohne weiter Neigung über die Zuhörer hinweg spielt. 37

38 Im folgenden Bild wurde die Schallzeile um 3 Grad nach vorne geneigt. Damit trifft der Beam die meisten Zuhörer in Ohrhöhe. Nur Zuhörer, die sich näher als 4m zur Schallzeile befinden werden nicht einwandfrei versorgt. Abbildung 24:Schallzeile Montagehöhe UK=2m, 3 º mechanisch geneigt. Im nächsten Bild ist eine elektronisch fokussierte und elektronisch geneigte Schallzeile dargestellt. Abbildung 25:Schallzeile Montagehöhe UK=2m, elektronisch geneigt und Beam fokussiert Durch den noch höheren Bündelungsgrad wird der Nachhall in kritischen Räumen noch weniger angeregt. Dies führt unmittelbar zu einer besseren Sprachverständlichkeit der Durchsagen. Wesentlich bei diesen Systemen ist auch eine entsprechende Kontrolle der Nebenkeulen. 38

39 Abbildung 26:Anordnung mehrerer Schallzeilen nebeneinander In bestimmten Raumkonstellationen kann es sinnvoll sein mehrere Schallzeilen nebeneinander anzuordnen. Die Abstände zwischen den Lautsprechern sollten 9-11m betragen. Der erste Lautsprecher zur Wand sollte maximal 7,5m entfernt angeordnet werden. 39

40 Bahnsteiglautsprecher Eine Sonderform einer Schallzeile stellt der ITEC Bahnsteiglautsprecher dar. Durch Drehung des Schallzeile um 90Grad strahlt der Lautsprecher sehr eng, entlang des Bahnsteigs ab. Für die meisten oberirdischen Haltstellen ist der ITEC Bahnsteiglautsprecher unter folgenden Bedingungen einsetzbar. Freifeld Montagehöhe:2,6-3m Montageabstand: 12-18m Abbildung 27:Abstände Bahnsteiglautprecher Abbildung 28: Bahnsteiglautprecher Anordnung bei Aufbauten Wie aus den nachfolgenden Simulationen ersichtlich ergibt sich eine große horizontale Bündelung was zu einer definierten Beschallung des Bahnsteigs führt. Wie aus der Theorie zu erwarten ist diese Bündelung frequenzabhängig aber im erforderlichen Sprachfrequenzbereich funktioniert dies außerordentlich gut. 40

41 Abbildung 27 Bündelung des Lautsprecher bei 1kHz Betrachtet man die Direktschallpegelverteilung über alle Frequenzen ist in der folgenden Darstellung sehr gut zu erkennen dass der Schallpegel auf dem Nachbarbahnsteige um ca. 15dB geringer ist. Abbildung 28 Direktschall Lautsprecher bei 100Hz 10kHz 41

42 Da sich die Lautsprecher im Freifeld befinden und aktuell kein Hintergrundgeräusch in der Simulation angenommen wurde, ergeben sich STI Werte >0,9, was einer sehr guten Sprachverständlichkeit entsprechen würde. Abbildung 29 STI Werte im Freifeld Abbildung 30 Direktschallpegelsimulation im Bereich einer realen Haltestelle 42

43 Abbildung 30 STI-Simulatione im Bereich einer realen Haltestelle Elektroakustische Simulation In Räumen mit Nachhallzeiten über 1,5 Sekunden empfiehlt sich grundsätzlich die Durchführung einer Elektroakustischen Simulation. Auch bei einer zu erwartenden Interaktion von verschiedenen Beschallungsbereichen wie z.b. zu erwartendes Übersprechen zwischen zwei Bahnsteigen, ist generell eine Simulation durchzuführen. Auch bei einer Echogefahr bei weit entfernten parallelen Wänden oder unterschiedlichen akustischen Laufzeiten ist eine Simulation angezeigt. Im Regelfall wird nur die Direktschallpegelverteilung auf einer bestimmten Fläche und in einer bestimmten Höhe bestimmt. Diese Simulationen sind nur im Freifeld aussagekräftig, da in diesem raumakustischen Modell das Verhalten des Raumes nicht berücksichtigt, wird. Für geschlossene oder großflächig überdachte Räume ist eine Simulation nur unter Berücksichtigung der Reflexionsverläufe und dem Absorptionsverhalten der eigesetzten Materialien zielführend. Nur dann können verbindlichen Aussagen über zu erwartende Sprachverständlichkeitswerte getroffen werden. 43