Übungen zur Vorlesung Produktionsergonomie Versuch 1: Lärmmessungen (Stand 3/2010) Betreuer: Herr STERR (Tel. -3972) Raum R0.093 Verantwortlich: Prof. Dr. Kurz (Tel. -3934) Raum R5.016 Video-Podcasts Hoertest, eraction, SEM Inhalt Seite 1 Zielsetzung 2 2 Einführung 2 3 Durchführung, Ausarbeitung 12 4 Unterlagen 13 Bedienungsanleitung Protokolle etc. Allgemeine Hinweise zur Durchführung von Laborübungen: Durch ihre Immatrikulation sind Sie nachweislich krankenversichert. Diese deckt aber Verletzungen durch nichtsachgemäßen oder grobfahrlässigen Umgang mit Laborgeräten bei Ausschluss sicherheitstechnischer Mängel nur teilweise ab. Bei Beschädigungen an Geräten, die nachweislich mutwillig oder grobfahrlässig herbeigeführt wurden, wird eine persönliche Haftung des Verursachers in Anspruch genommen. Den Sicherheits- und Bedienungshinweisen des Betreuungspersonals ist folglich unbedingt nachzukommen.
1 Zielsetzung Lärmproblematik Audiometrie Bewertungsmaßstäbe für Lärm und Lärmwirkungen Kommunikations- und Konzentrationsstörungen durch Lärm 2 Einführung Als Lärm wird jeglicher Schall bezeichnet, der subjektiv belästigend empfunden wird, störend wirkt und/oder gesundheitsschädlich ist (vgl. DIN 1320). Von diesem Lärm sind heute nicht nur Einzelne betroffen, wie z. B. Nachbarn kinderreicher Familien oder Arbeiter in entsprechend lärmintensiven Arbeitsstätten. Durch das explosionsartige Anwachsen des Verkehrs und durch die Verflechtung von Industrie, Straßen und Wohngebieten sind wir fast alle davon betroffen. Dazu kommt in neuer Zeit der so genannte Freizeitlärm, meist durch überlauten Musikgenuss und/oder durch Motorradfahren. Physiologische und physikalische Grundlagen Unser Ohr registriert über das Trommelfell Luftdruckschwankungen in einem Frequenzbereich von etwa 16 Hz bis 20000 Hz. Frequenzen unterhalb von 16 Hz werden als Vibrationen (Infraschall) wahrgenommen. Der Bereich oberhalb von 20000 Hz gehört zum Ultraschall. Niederfrequente Luftdruckschwankungen, wie sie das Barometer anzeigt, werden trotz einer Amplitude, die um den Faktor 10 10 über den eben wahrnehmbaren Schalldruckschwankungen von 1000 Hz liegen, nicht registriert. Dies liegt an der Beschaffenheit des Ohres. Bei langsamen Luftdruckschwankungen tritt über die eustachische Röhre ein Druckausgleich zwischen Mittelohr und Außenohr ein. Etwas schnellere Schwankungen (z. B. schnelles
Fahrstuhlfahren) werden jedoch bereits registriert. Der Druckausgleich erfolgt durch Schlucken. Dadurch wird die eustachische Röhre kurzzeitig geöffnet. Gehörmuschel Trommelfell Hammer ovales Fenster Amboss Bogengänge Hörnerv Schnecke Gehörgang Paukenhöhle rundes Fenster eustachische Röhre Steigbügel Bild 1: Schnittbild des Ohres (Firma Bilsom) Der Schall wird über den äußeren Gehörgang, das Trommelfell und die drei Gehörknöchelchen (Hammer, Amboss und Steigbügel) im Mittelohr auf das Innenohr übertragen. Das Innenohr liegt an der Schädelbasis im Felsenbein und besteht aus zwei Teilen, dem Hör- und dem Gleichgewichtsorgan. Das Hörorgan wird wegen seiner Form als Schnecke bezeichnet. Während die Ohrmuschel, der Gehörgang und das Mittelohr nur Verstärkungs- und Anpassungsfunktionen haben, stellt das Innenohr mit dem Cortiorgan und den feinen Haarzellen das eigentliche Hörorgan dar. Schallwellen werden hier in elektrische Impulse umgewandelt und über den Hörnerv zum Hirn geleitet. Bei Auslenkung des ovalen Fensters über die Gehörknöchelchenkette löst in der Lymphflüssigkeit der Schnecke eine Wanderwelle aus, die im oberen Kanal in Richtung zur Schneckenspitze läuft und über den unteren Kanal zum runden Fenster zurück. Je nach Frequenz der Anregung hat die Wanderwelle
an den unterschiedlichsten Orten des Kanals ihr Maximum. Für hohe Frequenzen liegt dieser Ort in der Nähe des ovalen Fensters und für tiefe Frequenzen in der Nähe der Schneckenspitze. Durch die Schwingungsmaxima werden die Sinneshärchen des Cortiorgans ausgelenkt und dabei neurophysiologisch erregt. Je nach Frequenz werden also Haarzellen an den unterschiedlichsten Orten entlang der Schnecke angeregt und so die entsprechenden Frequenzen wahrgenommen. Lärmwirkungen Lärm ist lästig. Er stört die sprachliche Kommunikation, den Schlaf, die Ruhe und Entspannung, die Konzentration und die Leistungsfähigkeit. Wegen dieser negativen Wirkungen wird Lärm als Mitverursacher zahlreicher Krankheiten verdächtigt. Wissenschaftlich gesicherte empirische Belege zur Erhärtung dieses Verdachts sind relativ spärlich, mit einer Ausnahme: Vorübergehende und bleibende Hörschäden als Folge intensiven Lärms wurden in zahlreichen Untersuchungen zweifelsfrei nachgewiesen. Eine Studie des Bundesumweltamtes kommt zu dem Ergebnis, dass 15 bis 25 % aller Herzinfarkte zumindest durch den Lärm am Arbeitsplatz mitverursacht werden. Dieses Ergebnis müsste allerdings erst durch neuere Studien bestätigt werden. Falls aber dieses Ergebnis zutrifft, muss der Arbeitslärm neben dem Rauchen als einer der wichtigsten Faktoren für den Herzinfarkt eingestuft werden. Lärmschwerhörigkeit nimmt im Rahmen der entschädigungspflichtigen Berufskrankheiten zahlenmäßig eine Spitzenstellung ein. Der Lärm am Arbeitsplatz entwickelte sich in den letzten Jahrzehnten zu einem bedeutenden sozialpolitischen Problem. Erschwerend kommen in neuerster Zeit die Probleme des Freizeitlärms dazu.
Untersuchungen vom Borchgrevink 1988 in Norwegen im Rahmen einer Musterung von 18-jährigen Rekruten kommen zu dem Ergebnis, dass der Anteil der Jugendlichen mit einem Hörverlust von mehr als 20 db von 18 % im Jahr 1981 auf 35,7 % im Jahre 1987 gestiegen ist. Selbst wenn man unterstellt, dass diese jungen Männer bei der Musterung versuchen, einen schlechten gesundheitlichen Zustand vorzutäuschen und damit die Prozentzahlen evtl. zu hoch sind, ist der Anstieg um 100 % in diesem kurzen Zeitraum erschreckend. Diese Hörschäden sind meist hervorgerufen durch selbst bestimmten Musikgenuss. Die Lärmwirkungen am Menschen werden unterschieden nach psychische Reaktionen, vegetative Reaktionen und Schlafstörungen, Behinderung der Kommunikation und der Umweltorientierung und Lärmschwerhörigkeit. Psychische Reaktionen Bereits geringste Schalldruckpegel können als lästig und störend empfunden werden und Unbehagen, Unmut, Ärger usw. hervorrufen. Nach Hawel (zit. in Grandjean 1973) sind Geräusche nur lästig, wenn sie mit den Intentionen der Bezugsperson nicht übereinstimmen. Es ist also die momentane Verfassung, die Art der momentanen Tätigkeit und die Einstellung zur Lärmquelle maßgebend für diese Reaktionen. Vegetative Reaktionen und Schlafstörungen Lärm bewirkt bei Mensch und Tier eine Erhöhung des Blutdrucks Beschleunigung der Herztätigkeit Weitung der Pupillen Verengung der Blutgefäße Steigerung der Muskelspannung Abnahme der Verdauungstätigkeit
Adrenalinabgabe. Alle diese Reaktionen sind Symptome der Alarmierung des gesamten Organismus und dienen der Umstellung des Körpers auf Kampf, Flucht oder Abwehr. Im Schlaf sind die vegetativen Reaktionen im Allgemeinen wesentlich stärker als im Wachzustand. Wenn man daran denkt, dass diese Reaktionen ursprünglich zur Sicherung des individuellen Überlebens erforderlich waren, so ist dies unmittelbar verständlich. Untersuchungen zeigten, dass eine Verhaltensreaktion auf den Lärm mit der Zeit abnimmt (z. B. Gewöhnung an einen Lärmreiz im Schlaf bei häufiger Wiederholung), während die vegetativen Reaktionen keinerlei Anpassungsfähigkeiten zeigen, d. h., sie sind nicht gewöhnungsfähig (Ehrenstein 1980). Gehörschäden Jeder kennt aus eigener Erfahrung, dass nach einem längeren Aufenthalt in lärmiger Umgebung die Hörfähigkeit vorübergehend eingeschränkt ist. Es kommt zu einer vorübergehenden Hörschwellenabwanderung (Temporary Threshold Shift, TTS). Verantwortlich sind die Haarzellen, insbesondere die äußeren Haarzellen, die durch Sauerstoffmangel und durch mechanische Belastung zuerst nach und nach ihre Funktion einstellen, um ihr Überleben zu sichern. Ist die Erholungszeit bis zum Beginn der nächsten Lärmbelastung nicht ausreichend, so kommt es nach einiger Zeit zur permanenten Hörschwellenverschiebung (Permanent Threshod Shift, PTS). Die Sinneshärchen der Haarzellen kippen um, sie verklumpen, verschmelzen zu Riesenhaaren und sterben schließlich ab. Spätestens ab dem Verklumpen und Verschmelzen der Sinneshärchen ist der Vorgang nicht mehr reversibel und es kommt zu einem bleibenden Hörverlust. Dieser dauerhafte Hörverlust kann auch durch kurze Einwirkung sehr hoher Geräuschpegel eintreten (z. B. Knalltrauma).
Durch Messung der Hörschwelle mittels Audiogramm kann dieser durch Lärm verursachte bleibende Hörverlust bereits nachgewiesen werden, bevor der Betroffene dies bemerkt. Man erkennt im Audiogramm die beginnende Lärmschwerhörigkeit im Bereich um 4000 Hz und spricht von einer c 5 -Senke, da die Frequenz des 5 gestrichenen C-Tons betroffen ist. Später weitet sich dieser Hörverlust auf die höheren und tieferen Frequenzen aus Eine altersbedingte Schwerhörigkeit tritt dagegen schrittweise und zuerst im oberen Frequenzbereich ein, wie dies Bild 2 zeigt. Bild 2: Durchschnittlicher altersbedingter Hörverlust (aus Hardenacke 1985) Behinderung der Kommunikation und der Umweltorientierung Sprachliche Kommunikation wird bei lauten Geräuschen erschwert bzw. unmöglich gemacht (Unterhalten, Fernsehen, Radiohören, Telefonieren), da das Geräuschspektrum das Sprachspektrum teilweise oder ganz überdeckt. Bei Schwerhörigkeit geht die Sprachverständlichkeit bereits bei geringen Umgebungsgeräuschen zurück. Dies ist auch der Grund, warum ein Schwerhöriger sich an einer Unterhaltung, bei der entweder mehrere durcheinander reden oder sonstige Umgebungsgeräusche vorhanden sind, nicht mehr beteiligen kann. In der Regel tritt der Altershörverlust schrittweise und zuerst im oberen Frequenzbereich auf, da über diese Haarzellen die Wanderwellen für alle Frequenzen laufen. Bei einer Lärmschwerhörigkeit sind insbesondere die Haarzellen um den 4-kHz-Bereich betroffen, da hier die Empfindlichkeit des
Gehörs am höchsten ist. Die Haarzellen reagieren wie jede Nervenzelle sehr empfindlich auf Sauerstoffmangel. Sie stellen zuerst ihre Funktion ein und sterben bei längerer intensiverer Lärmeinwirkung ab. Dadurch, dass der Betreffende diese hohen Töne nicht mehr wahrnehmen kann, hört er zwar noch viele Geräusche, die Sprachverständlichkeit wird jedoch immer schlechter, da, wie Bild 3 zeigt, gerade der für die Sprachverständlichkeit wichtige Bereich der Vokale von der Schädigung betroffen ist. Bild 3: Hörverlust durch Lärmbeanspruchung (Firma Bilsom) Lärmmaße zur Erfassung der Lärmwirkungen Lautstärke- bzw. Lautheitsmaße basieren im Wesentlichen auf den anatomisch-physiologischen Eigenschaften des Gehörs. Sie eignen sich nur zur Ermittlung der Lautstärke bzw. der empfundenen Lautheit. Wählt man 1000 Hz als Bezugsfrequenz, so ergaben Versuche, dass die Hörschwelle im Mittel bei einem effektiven Schalldruck von 6 N 0 = 20 10 = 20 μpa m p 2 liegt. Der mittlere Luftdruck in Meereshöhe liegt bei 1013 hpa = 1,013 bar = 1,033 at = 760 mm Hg = 760 Torr.
Steigert man den Schalldruck so lange, bis das Ohr schmerzt, so gelangt man zur so genannten Schmerzgrenze, die bei p S = 20 Pa liegt. Das Verhältnis des Schalldrucks an der Hörschwelle zum Schalldruck an der Schmerzgrenze liegt bei 1 : 1 000 000. Diesen großen Werteumfang empfindet man subjektiv keineswegs so groß. Dies wird sofort klar, wenn man das Weber-Fechner sche Gesetz berücksichtigt. Es besagt, dass das Empfinden proportional zum Logarithmus des Reizes ist. Analog dazu ist der Schalldruckpegel L definiert: L = 10 lg p p o 2 db Führt man nun diese Versuche über den gesamten hörbaren Frequenzbereich durch, so erhält man die Hörschwellenkurve (0 phon) und die Schmerzschwellenkurve (120 phon). Beide Kurven sind Kurven gleichen Lautstärkeempfindens, so genannte Isophone, deren Wert in Phon angegeben wird (vgl. Bild 4). Bild 4: Isophone, Kurven gleichen Lautstärkeempfindens nach DIN 45630
Der Schalldruckpegel der Hörschwelle hat bei 1000 Hz an der Stelle p = p 0 den Wert: p p 0 L =10 lg 0 p =10 lg 0 p 0 2 2 =10 lg1= 0 db und der Schalldruckpegel der Schmerzschwelle an der Stelle p = 1 000 000. p 0 den Wert: L S =10 lg p p 0 2 1000 000 p =10 lg p 0 0 2 =10 lg10 12 =120 db Phonkurven sind also Kurven gleicher subjektiver Lautstärke. Die Bezugsgröße ist die Lautheitsempfindung bei 1000 Hz. An dieser Stelle stimmen die angegebenen Phonwerte der Isophonen mit dem Schalldruckpegel überein. Ein Sinuston von z. B. 30 phon wird also unabhängig von der Tonhöhe entlang dieser Isophone immer als gleich laut empfunden. Man erkennt, dass die subjektiv empfundene Lautstärke nicht nur vom Schalldruck, sondern auch von der Schallfrequenz abhängt. Ganz tiefe und ganz hohe Töne werden wesentlich weniger laut empfunden als Töne im mittleren hörbaren Frequenzbereich. Die größte Empfindlichkeit liegt im Bereich zwischen 2000 und 5000 Hz. Dies ist auch der Grund, dass bei gleichen Schalldruckpegeln höhere Frequenzen im Allgemeinen stärker stören als tiefere Frequenzen. Bewerteter Schalldruckpegel Da das menschliche Ohr auf verschiedene Tonhöhen unterschiedlich empfindlich reagiert, hat man eine hörphysiologische Bewertung der Pegelangaben eingeführt. Die heute weltweit am meisten verwendete A-Bewertung entspricht dem Frequenzgang des Ohres für leise Geräusche, die B-Bewertung für laute und die C-Bewertung für sehr laute Geräusche. Die dazugehörigen Pegel L A, L B
und L C haben die Maßeinheit db(a), db(b) und db(c). Speziell für Flugläm gibt es noch eine db(d)-bewertung. Die Messgeräte sind mit einem entsprechenden A-, B-, C- und D-Filter versehen. Diese berücksichtigen näherungsweise die Frequenzabhängigkeit des Gehörs. Lautheitsmaß Ab 40 db wird einer Steigerung des Schalldruckpegels um 10 db bei 1000 Hz als doppelt so laut empfunden. Da der Schalldruckpegel also nicht dem Lautheitsempfinden des Menschen entspricht, verwendet man noch das Sone- Maß als Lautheitsmaß N. Als Bezugspunkt wählt man einen 1000-Hz-Ton von 40 db und ordnet ihm den Wert N = 1 sone zu. Da ein 1000-Hz-Ton von 50 db als doppelt so laut empfunden wird, erhält er daher die Lautheit N = 2 sone. Ein 1000-Hz-Ton von 60 db wird wiederum doppelt so laut empfunden wie ein solcher von 50 db und daher vierfach so laut wie ein Ton mit 40 db. Er hat daher die Lautheit von N = 4 sone. Mathematisch läßt sich dieser Sachverhalt angeben durch: L 40 10 N = 2 sone L 40 db Allgemein gilt für die Erhöhung der Lautstärke um den Faktor n E (Empfindungsvervielfachung), wenn sich der Pegel um ΔL erhöht: ΔL 10 n = 2 E Die bisherigen Maße gelten streng genommen nur für reine Töne. Sie haben aber den Vorteil, daß deren messtechnische Bestimmung sehr einfach ist.
3 Durchführung, Ausarbeitung Beschaffen Sie sich die Broschüre Lärmschutz im Betrieb beim Staatsministerium für Arbeit und Sozialordnung in der Winzererstraße. Erstellen Sie Audiogramme aller Gruppenmitglieder und diskutieren Sie diese. Stellen Sie mit einem Ton-Generator (bspw. PC-Programm AUDIOWAVE) einen 1 khz Ton mit 70 db(a) nahe der Lärmquelle ein und bestimmen Sie die Pegelabnahme über die Entfernung zur Lärmquelle. Erhöhen Sie den Pegelwert solange, bis Sie den Ton doppelt so laut empfinden bzw. erniedrigen Sie, bis Ihre Empfindung halb so laut ist. Führen Sie diesen Versuch auch bei 200 Hz und 10 khz durch. Überprüfen Sie die Sprachverständlichkeit zwischen Gruppenmitgliedern (Abstand ca. 1m) bei verschiedenen, arbeitsschutzrelevanten Pegeln (weißes Rauschen mit 55, 70 und 85 db(a)) Erstellen Sie eine kurze Dokumentation Ihrer Ergebnisse
4 Unterlagen Diverse Broschüren zum Thema Lärm Videopodcasts: http://www.foodmanager.org/server/hoertest/index.htm http:// www.foodmanager.org/server/earaction/index.htm http:// www.foodmanager.org/server/sem/index.htm Protokollblatt für Audiogramm