Akustec Ingeniuerbüro für Schall- und Schwingungstechnik Dipl.-Ing. Wolfgang Metzen VDI

Schallintensität

Die Schallintensität ist eine vektorielle Größe aus dem Produkt des skalaren Drucks und der vektoriellen Schallschnelle. Somit wird sie auch durch die Richtung des Energieflusses beeinflusst.

Der Unterschied zum Schalldruck ist, dass die abgestrahlte Schallintensität, also eine vektorielle Messgröße, ermittelt wird. Das heißt, zusätzlich zum gemessenen Betrag wird die Richtung des Schallenergieflusses durch ein positives oder negatives Vorzeichen angegeben. Das Vorzeichen lässt erkennen, ob Schall die Messfläche verlässt oder in sie eintritt. Gleichzeitig wird ein großer Vorteil der Schallintensitätsmethode genutzt. Im Gegensatz zu Schalldruckmessungen sind hier Nahfeldmessungen zulässig. Im Nahfeld einer Schallquelle verhält sich die Luft wie ein Feder-Masse-System, das Energie speichert: Schallenergie zirkuliert, ohne sich auszubreiten. Im Nahfeld lässt sich die Schallleistung nur anhand von Intensitätsmessungen bestimmen. Messungen im Nahfeld haben den Vorteil, dass sich ein besserer Nutz/Störabstand ergibt.

Circulating Energy

Die mit Schallintensität gemessenen Leistungen an beiden Messebenen sind gleich. Mit Schalldruck gemessene Leistungen in Messebene 1 wären falsch.

Funktionsweise einer Schallintensitätssonde

Eine Schallintensitätssonde besteht im Wesentlichen aus zwei Mikrofonen in einem definierten Abstand. Zwischen den beiden Kapseln wird der Druckgradient bestimmt und damit ist nach Euler auch eine Bestimmung der Schallschnelle möglich: Sind Druckgradient und Dichte bekannt, so lässt sich die Teilchenbeschleunigung errechnen. Durch Integration der Teilchenbeschleunigung erhält man die Teilchengeschwindigkeit (Schallschnelle). Das Produkt aus Druck und Schnelle wird in zeitlicher Mittelung zur Bestimmung der Intensität herangezogen.

Intensity Euler and Approximation

Bestimmung der Schallschnelle durch Approximation der Euler-Gleichung und Berechnung der Intensität aus dem Produkt von Schalldruck und Schallschnelle.

Grenzen der Schallintensitätsmessung

Wie üblich hat jede Theorie auch ihre praktischen Grenzen. Grundsätzlich wird der Frequenzbereich physikalisch durch den verwendeten Abstand zwischen den Mikrofonen begrenzt. Die Druckdifferenz der Mikrofone beschreibt ja nur näherungsweise den Druckgradienten: Bei zu niedrigen Frequenzen ist die Druckdifferenz zu gering und bei zu hohen Frequenzen werden zu niedrige Druckdifferenzen ermittelt, obwohl der Druckgradient mitten zwischen den Mikrofonen viel höher sein kann.

Veraltete Betrachtungsweise

Traditionell findet man in der Fachliteratur Angaben und Formeln zur Berechnung des nutzbaren Frequenzbereichs einer Schallintensitätssonde. Hier geht man von einer Phasenfehlanpassung von 0,3 ° zwischen den Kanälen aus. Entsprechende Literaturverweise führen meist zu einem Dokument eines Brüel & Kjaer Mitarbeiters aus dem Jahre 1985(!). Wenn man einen tolerierbaren systematischen Fehler von ± 1dB festlegt, führt das dann zu einer oberen Frequenzgrenze von ca. 5.150 Hz mit 12 mm Abstandsstück und ca. 1.240 Hz mit 50 mm Abstandsstück (bei 20° C). Bei den tiefen Frequenzen wird die Grenze durch die Phasenfehlanpassung begrenzt. Hier liegen die Frequenzgrenzen mit gleichem Fehler von ± 1 dB bei ca. 120 Hz mit 12 mm Abstandsstück und 29 Hz mit 50 mm Abstandsstück.

Aktuelle Betrachtung

Das System verfügt auch über patentierte integrierte Mikrofon Phasenkorrektur-Einheiten für die verwendeten Mikrofone. Die Phasenfehlanpassung der Mikrofone ist damit bei dem von uns verwendeten System ≤ 0,05 ° bei tiefen Frequenzen 20 Hz bis 250 Hz und darüber f/5000. Damit wird die untere Grenzfrequenz für ein Abstandsstück von 12 mm 20 Hz.

Die obere Grenzfrequenz einer Zwei-Mikrofon-Schallintensitätssonde mit einem bestimmten Mikrofonabstand wird allgemein als diejenige Frequenz betrachtet, bei der die ideale Sonde einen noch akzeptablen Fehler, bedingt durch den endlichen Abstand der beiden Mikrofone, für eine axial einfallende ebene Welle zeigt. Es zeigt sich, dass die Resonanzen der Hohlräume vor den Mikrofonen bei der üblichen Anordnung (Mikrofone einander gegenüber) einen Druckanstieg verursachen, der den Abstandsfehler teilweise kompensiert. Der Arbeitsfrequenzbereich kann daher auf eine Oktave über der durch den Abstandsfehler definierten Grenze erweitert werden, wenn die Länge des Mikrofonabstandstücks gleich dem Mikrofondurchmesser ist. Das bedeutet, dass die obere Grenzfrequenz bei einem Abstandsstück von 12 mm 10 kHz beträgt.

Die normalerweise zu untersuchenden Geräusche liegen daher meistens im nutzbaren Frequenzbereich der Sonde.

Probe and Frequencies

Fehler bei hohen Frequenzen.

Raumakustik

Lärm in Bildungsstätten

Für den mündlicher Unterricht ist es unerlässlich, dass Kinder und Jugendliche aufmerksam zuhören können. Deshalb ist eine gute Sprachverständlichkeit für Unterrichtsräume sehr wichtig.

Von allen am Unterricht Beteiligten wird Lärm und Halligkeit als störend und unangenehm empfunden. Die Schülerinnen und Schüler können dem Unterricht wegen der damit verbundenen schlechten Sprachverständlichkeit nur schwer folgen. Das führt zur Beeinträchtigung ihrer Leistung und zu einer schnellen Ermüdung. Eine schlechte Akustik und der damit einhergehende hohe Geräuschpegel führt bei Lehrerinnen und Lehrern zu einer Stressbelastung. Auch die Stimme wird unnötig belastet.

Eine gute Sprachverständlichkeit erfordert kurze Nachhallzeiten, die durch die Verwendung von ausreichend hoch absorbierenden Flächen an Decken und Wänden erreicht wird. Die Beurteilung erfolgt nach den Vorgaben der DIN 18041, „Hörsamkeit in Räumen“. Dort gibt es auch Hinweise und Anforderungen für die Berücksichtigung von Schülerinnen und Schülern mit eingeschränktem Hörvermögen (Inklusion) oder wenn der Unterricht nicht in ihrer Muttersprache, also auch Fremdsprachenunterricht, stattfindet.

Auch der Grundgeräuschpegel ist für die Sprachverständlichkeit von Bedeutung. Stühlerücken, Flüstern und von außen übertragene Geräusche, zum Beispiel aus Fluren, tragen zum Grundgeräuschpegel bei. Der Sprachpegel sollte 10 bis 15 dB über dem Grundgeräuschpegel liegen. Kinder können Störgeräusche im allgemeinen schlechter ausblenden als Erwachsene.

Für einen Raum gibt es nicht nur eine Nachhallzeit. Vielmehr ist die Nachhallzeit grundsätzlich abhängig von der Frequenz. Daher ergeben sich je Frequenzband unterschiedliche Nachhallzeiten. Die Auswahl von Materialien und Flächen muss also auf der Basis von Mess- und/oder Berechnungsergebnissen frequenzabhängig erfolgen. Nur dadurch ist eine ökonomisch sinnvolle akustische Optimierung möglich. Durch die Unabhängigkeit von Herstellern und deren Produkten erhalten Sie bei uns immer die für Ihre Zwecke kostenoptimierte akustisch sinnvolle Lösung.

Auralisierung eines Raumes

Durch Faltung eines reflexionsarmen Quellsignal mit der gemessenen Impulsantwort eines Raumes wird das Zeitsignal des Quellsignals für einen realen Raum berechnet.

Die folgenden Audio-Beispiele geben die Situation für unterschiedlicher Räume wieder. Die Faltung erfolgte mit tatsächlich gemessenen Raumimpulsantworten. Als Quellsignal wird eine reflexionsarme Aufnahme von Christian Morgensterns Gedicht "Palmström - Die unmögliche Tatsache" verwendet. Die Aufnahme und alle Messungen wurden mit einem Brüel & Kjaer Schallpegelmesser Typ 2270 unter Verwendung eines omnidirektionalen Messmikrofons Typ 4189 durchgeführt.

Reflexionsarme (trockene) Original-Aufnahme

Ein Unterrichtsraum unbehandelt (Nachhallzeit T30 ca. 1,2 .. 1,7 Sekunden im Sprachbereich)

Derselbe Unterrichtsraum mit Maßnahmen (Nachhallzeit T30 ca. 0,55 .. 0,6 Sekunden im Sprachbereich)

Eine große Aula unbehandelt (Nachhallzeit T30 ca. 4,4 .. 4,8 Sekunden im Sprachbereich)

Nachhall Unterrichtsraum

Nachhallzeiten eines Unterrichts-Raumes vorher und nachher.

Wirkungen von Lärm und Nachhall auf das Hörverstehen

Großraumbüros

Je geringer die Nachhallzeit ist, desto besser ist im allgemeinen die Sprachverständlichkeit. Allerdings kann die Sprachverständlichkeit bei Anwesenheit von Hintergrundgeräuschen schlechter werden. Eine gute Sprachverständlichkeit ist aber wichtig wenn Menschen per Sprache kommunizieren. Insbesondere in Schulungs- und Besprechungsräume, Gruppenräume und Büros für Projektgruppen ist daher auf eine gute Sprachverständlichkeit zu achten.

Es besteht aber vielfach ein Zielkonflikt beim Einsatz von Absorptionsmaterial zur Pegelminderung und dem Bedürfnis nach akustischer Vertraulichkeit. Eine schallabsorbierende Gestaltung eines Raumes mit der damit einhergehenden Reduzierung des Grundgeräuschpegels und der Verbesserung der Sprachverständlichkeit führt nämlich auch zu einem größeren Störeinfluß der Sprache an Nachbararbeitsplätzen. Auch der Vertraulichkeitsabstand wächst. Das bedeutet, dass es in Großraumbüros und Callcentern besser ist, wenn die Sprachverständlichkeit nicht zu hoch ist. Eine Nachhallzeit t < 0,4 Sekunden und ein Hintergrundgeräusch von weniger als 30 dB(A) sind nicht erstrebenswert.

Es gibt nach DIN EN ISO 3382-3 verschiedene Kriterien, die in der Regel abhängig vom Abstand sind:

  • Sprachübertragungsindex STI am nächsten Arbeitsplatz.
  • Ablenkungsabstand rD - Abstand vom Sprecher, bei dem der Sprachübertragungsindex unter 0,50 absinkt.
  • Vertraulichkeitsabstand rP - Abstand vom Sprecher, bei dem der Sprachübertragungsindex unter 0,20 absinkt.
  • Räumliche Abklingrate der Sprache D2,S - Rate des räumlichen Abklingens des A-bewerteten Schalldruckpegels der Sprache je Abstandsverdopplung.
  • A-bewerteter Schalldruckpegel der Sprache in einem Abstand von 4 m Lp,A,S,4m - A-bewerteter Nenn-Schalldruckpegel der normalen Sprache in einem Abstand von 4,0 m von der Schallquelle.
  • Mittlerer A-bewerteter Fremdgeräuschpegel Lp,A,B - Schalldruckpegel in Oktavbändern, am Arbeitsplatz während der Arbeitszeit, jedoch bei Abwesenheit von Personen.

Typische Einzahl-Werte in Büros mit schlechten akustischen Bedingungen sind

D2,S < 5 dB, Lp,A,S,4m > 50 dB und rD > 10 m

Großraumbüros mit guten akustischen Bedingungen sind selten, aber ein Beispiel von Zielwerten könnte sein:

D2,S ≥ 7 dB, Lp,A,S,4m ≤ 48 dB und rD ≤ 5 m

Nachhall Unterrichtsraum

Sprachpegelabnahme über der Entfernung. Aus der Regressionsgeraden kann der Sprachpegel in 4 m Entfernung bestimmt werden (hier: 44,7 dB).

Der Lombard-Effekt

Unter Stressbedingungen treten Sprachänderungen und Variationen der Aussprache auf. Wortdauer, Aussprachefrequenz und viele andere Parameter ändern sich. Stress entsteht zum Beispiel durch hohe Umgebungsgeräusche und durch Halligkeit. Das Gehirn kann die Wahrnehmung der eigenen Sprache zwar ausblenden, dennoch besteht bei der "audiophonatorischen Rückkopplung" (Lautbildungskontrolle durch das eigene Gehör) ein Regelkreis. Dieser Effekt ist nach dem französischen Wissenschaftler Étienne Lombard (1868–1920) benannt und bezeichnet die Beobachtung, dass ein Sprecher bei Vorhandensein von Hintergrundgeräuschen seine Lautstärke und meist auch seine Tonlage erhöht. Er hat zur Folge, dass bei einer Zunahme des Störgeräuschpegels um 1 dB, der Sprechpegel jeweils um 0.5 dB ansteigt.

Lombard-Effekt

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