Grundlagen der Akustik

Die Akustik ist die Lehre vom Schall. Sie behandelt das Entstehen von Schall, dessen Ausbreitung von einer Quelle zum Empf?nger sowie die Ermittlung, Wahrnehmung und Wirkung des Schalls. Zu den wichtigsten Anwendungen der Akustik geh?rt die Erforschung und Minderung von L?rm.

Inhaltsverzeichnis

 

Der Schall

Schall ist ein Schwingvorgang in Gasen (zum Beispiel Luft), Flüssigkeiten (zum Beispiel Wasser) oder festen Stoffen (zum Beispiel W?nde). Er breitet sich wellenf?rmig aus. Die Schwingungen der Luftmoleküle beziehungsweise die dadurch bewirkte ?nderung des Luftdrucks – den so genannten Schalldruck – kann unser Geh?r wahrnehmen. Für den H?reindruck sind zwei Gr??en besonders wichtig: die Laust?rke und die Tonh?he. Die Lautst?rke h?ngt von der Gr??e des Schalldrucks ab. Je gr??er die Druckschwankungen sind, umso mehr Energie steckt in der Schallwelle und umso lauter wird sie bei gleichbleibender Tonh?he wahrgenommen. Die Tonh?he eines Schalls h?ngt von der H?ufigkeit der Druckschwankungen ab. Die Anzahl der Schwingungen pro Sekunde wird Frequenz genannt und in Hertz (Hz) angegeben. Je gr??er die Frequenz des Tones, umso h?her klingt der Ton.

Der Schalldruck- und Frequenzbereich, in dem das Geh?r Schall wahrnehmen kann, ist sehr gro?. Ein junger gesunder Mensch kann T?ne im Frequenzbereich von 16 Hz bis 20.000 Hz h?ren. Schall darüberliegender Frequenzen wird Ultraschall, darunterliegender Infraschall genannt. In der Akustik wird zwischen einem Ton, einem Klang und einem Ger?usch unterschieden. Ein Ton ist ein einzelnes Schallereignis mit einer bestimmbaren Grundfrequenz. Ein Klang besteht aus einem Grundton mit seinen harmonischen Obert?nen, die eine vielfache Frequenz des Grundtones haben. Ein Ger?usch besteht aus verschiedenen und unabh?ngigen Frequenzen. L?rm ist in diesem Zusammenhang H?rschall, der die Stille st?rt und zu Bel?stigungen oder Gesundheitsbeeintr?chtigungen führt.

 

Messgr??en und Pegel

Schallgeschwindigkeit

Wie schnell sich der Schall im jeweiligen Medium ausbreitet, besagt die Schallgeschwindigkeit. Sie ist temperaturabh?ngig und betr?gt zum Beispiel bei 20 Grad Celsius 343 Meter pro Sekunde. Wenn sich die Entfernung verdoppelt, nimmt bei ungehinderter Ausbreitung der von einer punktf?rmigen Schallquelle (zum Beispiel Maschine) ausgehende Schall um etwa sechs dB(A) und der von einer linienf?rmigen Schallquelle (zum Beispiel Stra?e) ausgehende Schall um etwa drei dB(A) ab. Die Ausbreitung wird durch Schallbrechung, -beugung, -reflexion, -interferenz und -absorption witterungsabh?ngig beeinflusst. In Extremf?llen k?nnen an gleichen Orten witterungsbedingt deutliche Pegelschwankungen auftreten.

Schallleistung, Schallintensit?t

Die Schallleistung ist die insgesamt von einer Schallquelle pro Zeiteinheit abgestrahlte Schallenergie. Die Schallintensit?t bezeichnet die Schallleistung, die je Fl?cheneinheit durch eine durchschallte Fl?che tritt.

Schalldruckpegel

Der Schalldruckpegel ist eine Verh?ltnisgr??e, die aus dem Bezugsschalldruck (H?rschwelle) und dem momentanen Schalldruck gebildet wird. Die Frequenzempfindlichkeit des Ohres wird in Messger?ten grob nachgebildet. Realisiert wird dies durch spezielle Bewertungsfilter. Werden bei der Ger?uschmessung Bewertungsfilter verwendet, wie zum Beispiel der international gebr?uchliche ?A-Filter", erfolgt die Schalldruckpegelangabe in Dezibel (A), abgekürzt als ?dB(A)". Es kommen auch andere Bewertungsfilter zum Einsatz, so dass darauf geachtet werden muss, mit welcher Filtereinstellung die Ger?uschmessung vorgenommen wurde. Neben dieser Frequenzbewertung gibt es noch drei unterschiedliche Zeitbewertungen, die bei Messungen gew?hlt werden k?nnen: Fast (Anstiegszeit =125 ms; Abfallzeit = 125 ms), Slow (Anstiegszeit = 1,0 s; Abfallzeit = 1,0 s), Impulse (Anstiegszeit = 35 ms; Abfallzeit = 1,5 s). Die Angabe der Zeitbewertung ist besonders wichtig bei impulshaltigen und kurzdauernden Schallereignissen.

Schallleistungspegel

Schallleistungspegel kennzeichnen die Ger?uschentwicklung, die zum Beispiel durch ein Produkt unter spezifischen Betriebsbedingungen hervorgerufen wird. Die abgestrahlte Schallleistung einer Ger?uschquelle kann durch die Messung des Schalldrucks an mehreren Stellen einer geschlossenen Hüllfl?che bestimmt werden. W?hrend der Schalldruckpegel die Gr??e des Schalldruckes eines Schallfeldes für einen bestimmten Ort beschreibt, gibt der Schallleistungspegel die Ger?uschemission einer Quelle an. Sind die Schalldruckpegel in einem bestimmten Abstand von der Quelle bekannt, kann hieraus die Schallleistung einer Quelle berechnet werden.

Mittelungspegel

Bei zahlreichen Schallvorg?ngen ist der Schalldruckpegel nicht konstant, sondern zeitlich ver?nderlich. Zur Beurteilung solcher Schallvorg?nge werden zeitlich unterschiedliche Pegelwerte zu einem Einzahlwert zusammengefasst. Ein solcher Wert wird in der Regel als zeitlicher Mittelwert oder Mittelungspegel bezeichnet. In diesen flie?t die H?he der Schalldruckpegel und ihre Dauer ein. Ger?usche mit gleichem Mittelungspegel k?nnen jedoch unterschiedliche Pegel-Zeit-Verl?ufe haben. Mittelungspegel werden üblicherweise zur quantitativen Beschreibung der Ger?uschbelastung benutzt.

Beurteilungspegel

Mit dem Beurteilungspegel sollen subjektive Bewertungen von unterschiedlichen Arten der Ger?uschbelastung berücksichtigt werden. Der Beurteilungspegel wird in der Regel aus einem Mittelungspegel für die Beurteilungszeit und gegebenenfalls Zuschl?gen für Impulshaftigkeit, Tonhaltigkeit und Ruhezeiten gebildet. Der Beurteilungspegel wird zum Vergleich mit den Immissionsrichtwerten herangezogen.

 

Dezibel und Pegelsummation

Dezibel ist eine nach Alexander Graham Bell benannte Hilfsma?einheit zur Kennzeichnung von Pegeln. Diese logarithmische Gr??e wird vor allem in der Akustik und allgemein in der Technik angewendet.

In der Akustik ist es üblich, den Schalldruckpegel in Dezibel (dB) anzugeben. Die Dezibelskala ist logarithmisch aufgebaut. Das hat den gro?en Vorteil, dass der gro?e Wahrnehmungsbereich des Geh?rs von 0 dB (H?rschwelle) bis 130 dB (Schmerzgrenze) beschrieben werden kann. Es bedeutet aber auch, dass für Dezibelwerte nicht die einfachen Rechenregeln gelten, sondern auch mit Logarithmen gerechnet wird. Addiert man die Schallpegel, so ergibt 50 dB plus 50 dB nicht 100 dB, sondern 53 dB. Das hei?t, eine Erh?hung oder Verminderung des Schallpegels um drei dB entspricht einer Verdopplung oder Halbierung der Schallintensit?t.

In der Regel wird die Angabe in dB um Angaben zur Frequenzbewertung erg?nzt. Die frequenzabh?ngige Empfindlichkeit des Geh?rs wird international fast ausschlie?lich über die Bewertungskurve ?A“ abgebildet, der entsprechende Pegelwert wird in dB(A) angegeben.

 

Berechnen statt Messen

Die L?rmbelastung an einem Immissionsort wird auf Grundlage von Rechtsvorschriften und Normen ermittelt. Darin ist die Vorgehensweise bei der L?rmberechnung oder -messung detailliert beschrieben. L?rm l?sst sich durch Messung oder durch Berechnung ermitteln.

Messen

Messungen werden meist durchgeführt, wenn ein Ger?usch im Einzelfall beurteilt werden soll (zum Beispiel bei einer Beschwerde). Zudem wird L?rm gemessen, wenn eine bestimmte Schallquelle erfasst werden soll (zum Beispiel Fahrzeuge, Rasenm?her, Baumaschinen). Jedoch sind Messungen h?ufig sehr aufwendig. In vielen F?llen sind sie nur schwer oder gar nicht durchführbar, zum Beispiel:

  • wenn mehrere Schallquellen vorhanden sind und die einzelnen Ger?uschanteile wegen ihrer unterschiedlichen Wirkung getrennt ermittelt werden müssen,
  • wenn die Auswirkung geplanter Schallschutzma?nahmen wie Schallschutzw?nde, eine bestimmte Geb?udeanordnung oder die ?nderung der Verkehrsführung geprüft werden soll,
  • bei Planungsverfahren, wenn die Schallquelle noch nicht vorhanden ist.

Berechnen

Ist die Messung von Schallimmissionen nicht m?glich oder zu aufwendig, k?nnen Schallpegel mit Hilfe von Berechnungsverfahren – h?ufig auch als Prognoseverfahren bezeichnet – bestimmt werden. In der 16. BImSchV ist die Berechnung des Stra?en- und Schienenverkehrsl?rms konkret vorgeschrieben. Für die Bestimmung der Flugl?rmbelastung wird in Deutschland im Allgemeinen die ?Anleitung zur Berechnung von L?rmschutzbereichen (AzB)“ herangezogen. Ger?uschbelastungen durch Industrieanlagen werden mittels der TA L?rm untersucht. Eine Berechnung ist die einzige M?glichkeit, wenn es sich um zukünftige L?rmsituationen handelt oder eine fl?chenhafte L?rmbelastung gro?r?umig bestimmt werden soll. Prognoseverfahren bestehen im Wesentlichen aus:

  • Annahmen über die Emissionen der Schallquelle und
  • einer mathematischen Nachbildung der Schallausbreitung (Ausbreitungsmodell).