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). Dementsprechend wird zwischen Luft-, Körper- und Wasserschall unterschieden. Der Luftschall betrifft den Menschen am häufigsten. Die Schwingungen der Luftmoleküle verursachen einen kleinen Wechseldruck, den so genannten Schalldruck, der dem nur langsam veränderlichen statischen Luftdruck überlagert ist. Den Schalldruck kann unser Gehör wahrnehmen. Für den Höreindruck sind zwei Größen besonders wichtig: die Lautstärke 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 ist, 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 darüberliegender Frequenzen wird Ultraschall, darunterliegender 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 Frequenzen mit unterschiedlichen Lautstärken. 

Lärm

Während Schall die rein physikalische Komponente beschreibt, ist Lärm das Ergebnis einer kognitiven Auseinandersetzung mit Geräuschen. Jedes Geräusch, das stört, belästigt oder die Gesundheit beeinträchtigt, wird als Lärm bezeichnet. Dies kann auch erwünschter Schall, zum Beispiel laute Musik sein, denn auch sie kann körperlichen Schäden hervorrufen.

 

Messegrößen und Pegel

Schallgeschwindigkeit

Wie schnell sich der Schall im jeweiligen Medium ausbreitet, besagt die Schallgeschwindigkeit. Sie ist temperaturabhängig und beträgt zum Beispiel bei 15 Grad Celsius 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 6 dB(A) und der von einer linienförmigen Schallquelle (zum Beispiel Straße) ausgehende Schall um etwa 3 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 von einer Schallquelle pro Zeiteinheit abgestrahlte Schallenergie. Die Schallintensität ist die Basisgröße für die Berechnung der Schallleistung. Sie beschreibt die Schallenergie, die pro Zeiteinheit durch eine Fläche tritt.

Schalldruckpegel

Der Schalldruckpegel ist eine Verhältnisgröße, die aus dem Bezugsschalldruck (Hörschwelle) und dem momentanen Schalldruck gebildet wird. Die Frequenzempfindlichkeit des Gehörs wird in Messgeräten grob nachgebildet. Realisiert wird dies durch spezielle Bewertungsfilter. Die im Immissionsschutz fast ausschließlich benutzte A-Bewertung bildet die Hörempfindlichkeit bei niedrigen Lautstärken näherungsweise ab. Bei tieffrequenten Geräuschen wird zusätzlich die C-Bewertung verwendet. Neben der 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 Zeitbewertungen wurden entwickelt, um die Störwirkung unterschiedlicher Geräusche zu berücksichtigen. Heutzutage sind die Zeitbewertungen etabliert und für die jeweilige Messaufgabe in den entsprechenden Regelwerken festgelegt.

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

In der Regel ist der Schalldruckpegel nicht konstant, sondern zeitlich veränderlich. Zur Beurteilung solcher Schallvorgänge werden zeitlich unterschiedliche Pegelwerte zu einem Einzahlwert zusammengefasst, der als Mittelungspegel bezeichnet wird. In diesen gehen die Höhe der Schalldruckpegel und ihre Dauer ein. Geräusche mit gleichem Mittelungspegel können unterschiedliche Pegel-Zeit-Verläufe haben. Mittelungspegel werden üblicherweise zur quantitativen Beschreibung der Geräuschbelastung benutzt. Dabei wird am häufigsten der äquivalente Dauerschallpegel LAeq verwendet.

Beurteilungspegel

Der Beurteilungspegel wird aus einem Mittelungspegel für die Beurteilungszeit und gegebenenfalls Zuschlägen für Impulshaftigkeit, Tonhaltigkeit und Ruhezeiten gebildet. Dieser Pegelwert wird mit Grenz-, Richt- oder Orientierungswerten verglichen, die in Rechtsvorschriften oder Regelwerken zum Lärmschutz festgelegt sind.

 

Dezibel und Pegelsummation

In der Akustik ist es üblich, den Schalldruck nicht in der physikalischen Einheit Pascal anzugeben, sondern als Rechenvorschrift zur Bestimmung von Schalldruckpegeln. Diese Rechenvorschrift wird Dezibel (dB) bezeichnet. Die Dezibel-Skala 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 beispielsweise 50 dB plus 50 dB nicht 100 dB, sondern 53 dB. Das heißt, eine Erhöhung oder Verminderung des Schallpegels um 3 dB entspricht einer Verdopplung oder Halbierung der Schallintensität.

In der Regel wird die Angabe in dB um die 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 Geräuschbelastung an einem Immissionsort wird auf Grundlage von Rechtsvorschriften und Normen ermittelt. Darin ist die Vorgehensweise bei der Berechnung oder -messung der Geräuschimmissionen detailliert beschrieben. Die Geräuschbelastung lässt sich durch Messung oder Berechnung ermitteln.

Messen

Messungen werden meist durchgeführt, wenn ein Geräusch im Einzelfall beurteilt werden soll, zum Beispiel bei einer Beschwerde. Zudem werden Geräuschmessungen vorgenommen, wenn der Stand der Technik für bestimmte Produkte, wie zum Beispiel Gartengeräte, festgestellt werden soll. Jedoch sind Messungen häufig sehr aufwendig. In vielen Fällen sind sie nur schwer oder gar nicht durchführbar, zum Beispiel:

  • wenn mehrere Geräuschquellen vorhanden sind und die einzelnen Geräuschanteile wegen ihrer unterschiedlichen Wirkung getrennt ermittelt werden müssen,
  • wenn eine flächenhafte Geräuschbelastung großräumig bestimmt werden soll,
  • bei Planungsverfahren, wenn die Geräuschquelle noch nicht vorhanden ist.

Berechnen

Die Belastung durch Geräusche wird in der Regel berechnet, weil überwiegend Prognosesituationen zu bestimmen sind. Solche Berechnungsverfahren – häufig auch als Prognoseverfahren bezeichnet – werden bei der Planung von neuen oder zu ändernden Straßen, Schienenwegen oder Anlagen angewendet oder im Rahmen der städtebaulichen Planung eingesetzt. In der 16. BImSchV ist das Verfahren für die Berechnung der Geräuschbelastung durch Straßen- und Schienenverkehr festgelegt. Für die Bestimmung der Fluglärmbelastung wird in Deutschland im Allgemeinen die „Anleitung zur Berechnung von Lärmschutzbereichen (AzB)“ verwendet. Geräuschbelastungen durch Industrieanlagen werden mit der TA Lärm ermittelt. Prognoseverfahren bestehen im Wesentlichen aus:

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