Grundlagen der Akustik

Die Akustik ist die Lehre vom Schall. Sie behandelt das Entstehen von Schall, dessen Ausbreitung von einer Quelle zum Empfänger sowie die Ermittlung, Wahrnehmung und Wirkung des Schalls. Zu den wichtigsten Anwendungen der Akustik gehört die Erforschung und Minderung von Lärm.

Inhaltsverzeichnis

 

Der Schall

Schall ist ein Schwingvorgang in Gasen (zum Beispiel Luft), Flüssigkeiten (zum Beispiel Wasser) oder festen Stoffen (zum Beispiel Wände). Er breitet sich wellenförmig aus. Die Schwingungen der Luftmoleküle beziehungsweise die dadurch bewirkte Änderung des Luftdrucks – den so genannten Schalldruck – kann unser Gehör wahrnehmen. Für den Höreindruck sind zwei Größen besonders wichtig: die Laustärke und die Tonhöhe. Die Lautstärke hängt von der Größe des Schalldrucks ab. Je größer die Druckschwankungen sind, umso mehr Energie steckt in der Schallwelle und umso lauter wird sie bei gleichbleibender Tonhöhe wahrgenommen. Die Tonhöhe eines Schalls hängt von der Häufigkeit der Druckschwankungen ab. Die Anzahl der Schwingungen pro Sekunde wird Frequenz genannt und in Hertz (Hz) angegeben. Je größer die Frequenz des Tones, umso höher klingt der Ton.

Der Schalldruck- und Frequenzbereich, in dem das Gehör Schall wahrnehmen kann, ist sehr groß. Ein junger gesunder Mensch kann Töne im Frequenzbereich von 16 Hz bis 20.000 Hz hören. Schall darüber liegender Frequenzen wird Ultraschall, darunter liegender Infraschall genannt. In der Akustik wird zwischen einem Ton, einem Klang und einem Geräusch unterschieden. Ein Ton ist ein einzelnes Schallereignis mit einer bestimmbaren Grundfrequenz. Ein Klang besteht aus einem Grundton mit seinen harmonischen Obertönen, die eine vielfache Frequenz des Grundtones haben. Ein Geräusch besteht aus verschiedenen und unabhängigen Frequenzen. Lärm ist in diesem Zusammenhang Hörschall, der die Stille stört oder zu Belästigungen oder Gesundheitsbeeinträchtigungen führt.

 

Messegrößen und Pegel

Schallgeschwindigkeit

Wie schnell sich der Schall im jeweiligen Medium ausbreitet, besagt die Schallgeschwindigkeit. Sie ist temperaturabhängig und beträgt zum Beispiel bei 20 Grad Celcius 343 Meter pro Sekunde. Wenn sich die Entfernung verdoppelt, nimmt bei ungehinderter Ausbreitung der von einer punktförmigen Schallquelle (zum Beispiel Maschine) ausgehende Schall um etwa sechs dB(A) und der von einer linienförmigen Schallquelle (zum Beispiel Straße) ausgehende Schall um etwa drei dB(A) ab. Die Ausbreitung wird durch Schallbrechung, -beugung, -reflexion, -interferenz und -absorption witterungsabhängig beeinflusst. In Extremfällen können an gleichen Orten witterungsbedingt deutliche Pegelschwankungen auftreten.

Schallleistung, Schallintensität

Die Schallleistung ist die insgesamt von einer Schallquelle pro Zeiteinheit abgestrahlte Schallenergie. Die Schallintensität bezeichnet die Schallleistung, die je Flächeneinheit durch eine durchschallte Fläche tritt.

Schalldruckpegel

Der Schalldruckpegel ist eine Verhältnisgröße, die aus dem Bezugsschalldruck (Hörschwelle) und dem momentanen Schalldruck gebildet wird. Die Frequenzempfindlichkeit des Ohres wird in Messgeräten grob nachgebildet. Realisiert wird dies durch spezielle Bewertungsfilter. Werden bei der Geräuschmessung Bewertungsfilter verwendet, wie zum Beispiel der international gebräuchliche  „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 Geräuschmessung vorgenommen wurde. Neben dieser Frequenzbewertung gibt es noch drei unterschiedliche Zeitbewertungen, die bei Messungen gewählt werden können: 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 Geräuschentwicklung, die zum Beispiel durch ein Produkt unter spezifischen Betriebsbedingungen hervorgerufen wird. Die abgestrahlte Schallleistung einer Geräuschquelle kann durch die Messung des Schalldrucks an mehreren Stellen einer geschlossenen Hüllfläche bestimmt werden. Während der Schalldruckpegel die Größe des Schalldruckes eines Schallfeldes für einen bestimmten Ort beschreibt, gibt der Schallleistungspegel die Geräuschemission 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 Schallvorgängen ist der Schalldruckpegel nicht konstant, sondern zeitlich veränderlich. Zur Beurteilung solcher Schallvorgänge werden zeitlich unterschiedliche Pegelwerte zu einem Einzahlwert zusammengefasst. Ein solcher Wert wird in der Regel als zeitlicher Mittelwert oder Mittelungspegel bezeichnet. In diesen geht die Höhe der Schalldruckpegel und ihre Dauer ein., Geräusche mit gleichem Mittelungspegel können jedoch unterschiedliche Pegel-Zeit-Verläufe haben. Mittelungspegel werden üblicherweise zur quantitativen Beschreibung der Geräuschbelastung benutzt.

Beurteilungspegel

Mit dem Beurteilungspegel sollen subjektive Bewertungen von unterschiedlichen Arten der Geräuschbelastung berücksichtigt werden. Der Beurteilungspegel wird in der Regel aus einem Mittelungspegel für die Beurteilungszeit und gegebenenfalls Zuschlägen 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 Hilfsmaßeinheit zur Kennzeichnung von Pegeln. Diese logarithmische Größen 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 großen Vorteil, dass der große Wahrnehmungsbereich des Gehörs von 0 dB (Hörschwelle) 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 heißt, eine Erhöhung oder Verminderung des Schallpegels um drei dB entspricht einer Verdopplung oder Halbierung der Schallintensität.

In der Regel wird die Angabe in dB um Angaben zur Frequenzbewertung ergänzt. Die frequenzabhängige Empfindlichkeit des Gehörs wird international fast ausschließlich über die Bewertungskurve „A“ abgebildet, der entsprechende Pegelwert wird in dB(A) angegeben.

 

Berechnen statt Messen

Die Lärmbelastung an einem Immissionsort wird auf Grundlage von Rechtsvorschriften und Normen ermittelt. Darin ist die Vorgehensweise bei der Lärmberechnung oder -messung detailliert beschrieben. Lärm lässt sich durch Messung oder durch Berechnung ermitteln.

Messen

Messungen werden meist durchgeführt, wenn ein Geräusch im Einzelfall beurteilt werden soll (zum Beispiel bei einer Beschwerde). Zudem wird Lärm gemessen, wenn eine bestimmte Schallquelle erfasst werden soll (zum Beispiel Fahrzeuge, Rasenmäher, Baumaschine). Jedoch sind Messungen häufig sehr aufwändig. In vielen Fällen sind sie nur schwer oder gar nicht durchführbar, zum Beispiel:

  • wenn mehrere  Schallquellen vorhanden sind und die einzelnen Geräuschanteile (zum Beispiel wegen ihrer unterschiedlicher Wirkung)  getrennt ermittelt werden müssen,
  • wenn die Auswirkung geplanter Schallschutzmaßnahmen (zum Beispiel Schallschutzwände, eine bestimmte Gebäudeanordnung, Änderung der Verkehrsführung) geprüft werden soll,
  • bei Planungsverfahren, also die Schallquelle noch nicht vorhanden ist.

Berechnen

Ist die Messung von Schallimmissionen nicht möglich oder zu aufwendig, können Schallpegel mit Hilfe von Berechnungsverfahren – häufig auch als Prognoseverfahren bezeichnet – bestimmt werden. In der 16. BImSchV (s. Links) ist die Berechnung des Straßen- und Schienenverkehrslärms konkret vorgeschrieben. Für die Bestimmung der Fluglärmbelastung wird in Deutschland im Allgemeinen die „Anleitung zur Berechnung von Lärmschutzbereichen (AzB)“ herangezogen.  Eine Berechnung ist die einzige Möglichkeit, wenn es sich um zukünftige Lärmsituation handelt oder eine flächenhafte Lärmbelastung großräumig bestimmt werden soll. Prognoseverfahren bestehen im Wesentlichen aus:

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