Theoretische Grundlagen Was ist Lärm? Um das Phänomen Lärm verstehen zu können und um sich im Dschungel der später verwendeten Fachausdrücke nicht zu verlieren, sollte man über die wesentlichen physikalischen Grundlagen Bescheid wissen. Dabei handelt es sich nicht um ein undurchschaubares Geflecht von Wissenschaftlerlatein, sondern um eine Zusammenfassung der wichtigsten Grundbegriffe, die wir versuchen, in Kurzform zu erklären. Schall Als Schall werden allgemein mechanische Schwingungen von elastischen Stoffen bezeichnet. Diese können in festen, flüssigen und gasförmigen Körpern auftreten. Die uns bekannteste Form ist der Luftschall, das ist der Schall, der sich in der Luft ausbreitet. Dabei werden die einzelnen Teilchen zu Schwingungen um ihre Ruhelage angeregt. Diese regen wiederum die benachbarten Luftteilchen an. Durch dieses Schwingen der Teilchen treten Verdichtungen und Verdünnungen auf, die sich wellenartig ausbreiten. Diese Verdichtungen und Verdünnungen sind als Druckschwankungen, die sich mit dem Luftdruck überlagern, messbar und werden vom menschlichen Ohr wahrgenommen. Je größer die Druckschwankungen sind, das heißt, je größer der Schalldruck ist, desto lauter wird das Schallereignis wahrgenommen. Je schneller die Druckschwankungen aufeinanderfolgen, das heißt, je höher die Anzahl der Schwingungen pro Sekunde (die Frequenz) ist, desto höher wird der Ton wahrgenommen. Der Schall breitet sich mit Schallgeschwindigkeit aus, die von der Tonhöhe und der Lautstärke unabhängig ist. Aber sie ist von der Dichte der Luft und somit wesentlich von der Lufttemperatur abhängig, wobei sich der Schall bei höheren Temperaturen schneller ausbreitet. Im Wesentlichen beträgt die Schallgeschwindigkeit aber ungefähr 340 m/s. Man darf nicht vergessen, zwischen den Ausdrücken Schallimmission und Schallemission zu unterscheiden. Unter der Schallemission versteht man den Vorgang, bei dem der Schall von einer Schallquelle ausgesendet wird, wogegen bei der Schallimmission der Schall auf einen Körper einwirkt. Im Grunde ist also nur eine Schallimmission wahrnehmbar bzw. messbar. Ton, Klang und Geräusch Der Ton ist eine einzelne harmonische Schallschwingung, die auch als Sinuston bezeichnet wird (Abbildung 1). Reine Töne können nur mittels spezieller Generatoren, annähernd aber mit einer Stimmgabel erzeigt werden. In der Praxis kommen reine Töne nur höchst selten alleine vor, meistens entsteht durch Überlagerung verschiedener Töne der Klang (Abbildung 2). Dagegen setzen sich Geräusche, die den Großteil der akustischen Wahrnehmungen in unserer Umgebung ausmachen, aus nicht periodischen Schwingungen zusammen(abbildung 3).
Tonhöhe und Lautstärke Die Tonhöhe ist durch die Frequenz einer Schallwelle gegeben. Ein bestimmter Ton wird umso höher empfunden, je größer seine Frequenz ist. Dem Menschen ist es allerdings nur möglich, Frequenzen zwischen 20 Hertz und 20000 Herz (20 khz) wahrzunehmen (Hörschall). Dabei sinkt jedoch der hörbare Frequenzbereich mit zunehmendem Alter. Manche Tiere sind jedoch in der Lage, Tonfrequenzen bis zu 150 khz zu hören (Delphine, Fledermäuse). Ausschlaggebend für die Lautstärke ist die Amplitude der Druckschwingung (Abstand der Schwingung von der x-achse im Diagramm). Je größer die Druckamplitude ist, desto lauter wird ein Geräusch empfunden. Geräusche müssen eine bestimmte Lautstärke aufweisen, um vom Menschen gehört werden zu können (Hörgrenze). Wird hingegen ein gewisser Wert überschritten, so wird das Geräusch als unangenehm oder sogar als schmerzhaft empfunden (Schmerzgrenze, meistens 130 db). Abbildung 4 Dezibel, Phon und Sone
Diese Einheiten werden heutzutage am häufigsten für die Messungen von Lautstärken benutzt, wobei das Dezibel als Einheit für den Schallleistungspegel, das Phon für die Lautstärke und die Einheit Sone für die Messung der sogenannten Lautheit verwendet wird. Für eine Frequenz von 1000 Hz stimmen die Zahlenwerte von Phon und Dezibel überein. Lg...Logarithmus zur Basis 10 P...variable (gemessene) Schallleistung P0...Schallleistung von 10-12 W Der Schallleistungspegel (LP) wird meist in der Schalltechnik verwendet und beschreibt das Verhältnis der beiden Schallleistungen P und P0. P0 stellt dabei die niedrigste mögliche Schalleistung von 10-12 W dar. Der Schallleistungspegel stellt also ein Vielfaches der Bezugsschallleistung von P0 dar und ist damit ein Maß für die Schallleistung. Die Einheit dafür ist ein Dezibel (db). Dagegen ist die Schallintensität I die Schallenergie, die pro Sekunde auf eine Fläche von einem Quadratmeter abgegeben wird. f...frequenz r...amplitude der schwingenden Luftmoleküle...Dichte der Luft c...schallgeschwindigkeit Unter der Leistung P einer Schallquelle versteht man die Gesamtenergie einer Schallquelle, die sie pro Sekunde an die Umgebung abgibt. I...Schallintensität A...Kugeloberfläche um die Schallquelle Die Lautstärke LN ist keine physikalische, sondern viel mehr eine physiologische Größe. Der Lautstärkepegel dagegen dient zur Ermittlung eines subjektiven Vergleichs zwischen dem gemessenen Schallereignis und einem kalibrierten Bezugs- oder Normalschall, der den Wert der Hörschwelle (10-12 W/m²) bei 1000 Hz annimmt. Die Einheit der Lautstärke ist ein Phon. I variable (gemessene) Intensität I0 Intensität an der Hörschwelle (10-12 W/m²) Die Lautstärke ist proportional zum Logarithmus der Intensität (Weber Fechnersches Gesetz). Neben dem Lautstärkepegel ist auch die Lautheit definiert. Die Lautheit N, sie wird in Sone angegeben, stellt einen Bezug zwischen subjektiven Empfindungen und Zahlenwerten (meistens in Phon) her. Da die Bestimmung der Lautheit jedoch sehr schwierig ist, wurde zwischen der Lautheit N
in Sone und dem Lautstärkepegel LN in Phon folgende Beziehung festgelegt. ld...logarithmus Dualis (zur Basis 2) A - Bewerteter Schalldruckpegel Wie bereits weiter oben besprochen, empfindet der Mensch die Lautstärke eines Schallereignisses bei verschiedenen Frequenzen als unterschiedlich laut(abbildung 6). Um nun aber bei der Schallmessung dieses Phänomen in die Messung mit einzubeziehen, wurden speziell bewertete Kurven (A, B, C, D) eingeführt. Damit wird die Anzeige bei bewerteten Geräten automatisch um den nötigen Wert reduziert, sodass die Anzeige nun dem subjektiven Wert des menschlichen Empfindens entspricht (Abbildung 7). Mit anderen Worten, die Kurve wird auf eine Gerade abgeflacht. Heutzutage wird fast nur mehr der A bewertete Schalldruckpegel eingesetzt. Die Lautstärkewerte werden dann in db(a) angegeben und stimmen mit der Phontabelle im Wesentlichen überein. Viele Untersuchungen haben gezeigt, dass der A bewertete Schalldruckpegel sehr gut geeignet ist, um die Wirkung von Lärm auf den Menschen zu beschreiben, sowohl im Hinblick auf das Lautheitsempfinden als auch in Hinblick auf eine Gehörschädigung. Die weiteren mit B, C und D bezeichneten Frequenzbewertungen werden nur sehr selten verwendet, da sie nur für den Einsatz bei sehr hohen Frequenzen definiert und vorgesehen sind. Allgemein kann man zugrunde legen, dass bei einem gleichbleibenden gleichartigen Geräusch im Bereich über 40 db ein Schallpegelunterschied entsteht.
Abbildung 6 Abbildung 7 Beispiele für bewertete Schallpegel Ruhiges Wohnzimmer, Lesesaal 20 bis 30 db (A) Flüstersprache (1m Abstand) 30 bis 40 db (A) Rundfunkgerät bei Zimmerlautstärke 45 bis 60 db (A) Kraftfahrzeuge in 7,5m Abstand, höchstzulässige Werte 73 bis 91 db (A) Presslufthammer (1m Abstand) 95 bis 100 db (A) Diskotheken 87 bis 104 db (A) Strahltriebwerke 130 bis 150 db (A) Rechnen mit Dezibel
Um die Dezibel db auf die Schallenergie E1 zurückzuführen und aus ihr zu berechnen, müssen diese Formeln angewandt werden: E0 ist hierbei mit 10-12 konstant Daraus folgt, dass eine Verdoppelung der Dezibelzahl zu einer Schallenergie führt, die um den Faktor 1.6 erhöht ist. Andererseits bedeutet eine Verdoppelung der Schallenergie 3 Dezibel mehr. Zum Beispiel: Ein Benzinmotor erzeugt einen Lärm von 80 db. Zu berechnen ist der Lärm von drei Motoren: Die Schallintensität von drei Motoren ist dreimal so groß.