Schall

Schall: Eine Definition
Ton, Klang, Geräusch
Die Dezibelskala
Pegeladdition
Lautstärke: "laut" ist nicht gleich "laut"
Risikoabschätzung (ISO 1999)
Messung des Schallpegels


Schall: Eine Definition

Schall ist eine Druckschwankung, die sich in einem Medium (z.B. Luft, Wasser) wellenförmig ausbreitet. Die Schallwelle wird durch die Tonhöhe (Frequenz) und den Schallpegel (Amplitude) charakterisiert.

Die Frequenz widerspiegelt die Anzahl Schwingungen der Schallwelle pro Sekunde. Sie wird angegeben in Hertz (Hz) und bestimmt die Höhe eines Tons. Der Hörbereich des Menschen liegt zwischen 16 und 20'000 Hz. Schallwellen mit Frequenzen unterhalb bzw. oberhalb des Hörbereichs nennt man Infra- bzw. Ultraschall.

Der Schallpegel verweist auf den Druck einer Schallwelle. Er hat grossen Anteil daran, wie laut wir einen Ton wahrnehmen und wird in Dezibel (dB) angegeben.

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Ton, Klang, Geräusch

Ein Ton ist ein Schallsignal, dass durch eine einzige Frequenz und einen bestimmten Schallpegel definiert wird.

Ein Klang bezeichnet ein aus Wellen verschiedener Frequenzen zusammengesetztes sich periodisch wiederholendes Schallereignis, wobei die einzelnen Frequenzen (Obertöne) in einem ganzzahligen Verhältnis zu einer Grundfrequenz (Grundton) stehen. Dadurch entsteht je nach Frequenz- und Amplitudenverhältnisse (Beispiel verschiedene Instrumente) ein für jedes Klangereignis charakteristische Klangfarbe und Tonhöhe.

Geräusche enthalten sehr viele verschiedene Frequenzen. Ihre Frequenzverhältnisse sind chaotisch. Da der Schallvorgang bei einem Geräusch meistens keine Periodizität aufweist, fehlt dem Geräusch auch eine eindeutige Tonhöhe.

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Die Dezibelskala

Das Dezibel (dB) dient als Masseinheit für den Schall(druck)pegel. Die Dezibelskala setzt den tatsächlichen Schalldruck mit demjenigen an der Hörschwelle gemäss untenstehender Formel in Relation. Der Schalldruck bei der Hörschwelle wird auch Bezugsschalldruck genannt und beträgt 0.00002 Pa. Schallsignale mit diesem Druck können also gerade noch vom Gehör wahrgenommen werden. Da der menschliche Sinneseindruck in etwa logarithmisch zur Intensität des physikalischen Reizes (Schalldruck) verläuft, wurde die Dezibelskala als logarithmische Skala definiert. So wird dem menschlichen Lautstärkeempfinden am besten Rechnung getragen.

Der Schallpegel kann mittels folgender Formel ermittelt werden:

Lp = 20 * log10(p / p0)

Lp: Schalldruckpegel [dB]
p: Effektiver Schalldruck [Pa]
p0: Bezugsschalldruck (2 * 10-5 Pa)

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Pegeladdition

Im Vergleich zu einer Dezimalskala erfordert der logarithmische Charakter der Dezibelskala andere Rechenregeln. Erhöht man beispielsweise die Lautstärke einer Musikanlage um drei Dezibel, so verdoppelt sich ihre Schallintensität.

Umgekehrt gilt: Addiert man zwei Schallquellen mit demselben Schallpegel (Verdoppelung der Schallintensität), so erhöht sich der Schallpegel um 3 dB.

Beispiel: 65 dB + 65 dB = 68 dB.

Aufgepasst: Eine Verdoppelung der Schallintensität wird vom menschlichen Ohr nur knapp als lauter wahrgenommen. Was wir als das Doppelte der Lautstärke wahrnehmen, hat eine zehnfache Schallintensität!

Schall­pegel­erhöhung Schall­intensität Schall­druck Wahr­nehm­barkeit
+ 3 dB Verdoppelung x 1.4 knapp
+ 10 dB Verzehnfachung x 3.16 Verdoppelung

Tabelle 1: Veranschaulichungsbeispiele der Dezibelskala.

Wenn sich die Schallpegel von zwei sich überlagernden Schallquellen um 10 dB und mehr unterscheiden, hat die leisere Schallquelle keinen nennenswerten Einfluss auf den Gesamtpegel. Der Gesamtpegel wird also vor allem durch die lautere Schallquelle bestimmt.

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Lautstärke: "laut" ist nicht gleich "laut"

Zwei Töne mit gleichem Schallpegel, aber unterschiedlicher Frequenz, werden vom menschlichen Gehör oft als unterschiedlich laut wahrgenommen. Neben den physikalisch messbaren Grössen Schalldruck und Schalldruckpegel wurde daher auch eine rein subjektive Grösse definiert, die Lautstärke. Die Lautstärke wird in Phon (grch. für "Stimme", "Klang", "Ton") angegeben.

Hinweis:
Der subjektive Lautstärkeeindruck hängt deutlich mehr an den Impulsspitzen, als am energieäquivalenten Mittelungspegel.

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Risikoabschätzung (ISO 1999)

Für Schädigungen des Ohrs ist derjenige Energiebetrag entscheidend, der mit dem Schall auf das Ohr übertragen wird. Da Schallenergie das Produkt aus Schallintensität und Zeit ist, gilt: Je länger man ein lautes Geräusch hört, also einer hohen Schallenergie ausgesetzt ist, umso grösser wird das Risiko für einen Gehörschaden.

Ein möglicher Gehörschaden hängt also von zwei Grössen ab:

  • Schallpegel
  • Einwirkungszeit

Die Belastbarkeit des Gehörs ist individuell unterschiedlich. Generell ist es wichtig, auf Warnzeichen wie Ohrgeräusche oder Tinnitus zu achten und den Schallpegel bei ersten Symptomen sofort zu reduzieren.

ISO1999

Die Regelungen zur Musikbeschallung (Bsp. SLV) stützen sich auf die Norm ISO 1999. Sie zielt auf ein möglichst geringes Risiko ab, einen Gehörschaden zu erleiden. Da aber im Vergleich zum Arbeitslärm beim Musikkonsum das Expositionsverhalten weniger konstant ist (unterschiedliche Regelmässigkeit der Clubbesuche, Verhalten im Club etc.), sind die Normwerte nicht als in Stein gemeisselte Vorhersagen zu verstehen und geben immer wieder Anlass zu kontroversen Diskussionen.

Die folgenden Empfehlungen der Norm ISO1999 sind daher als Richtlinie zu betrachten:

Schallpegel Maximale Einwirkungszeit pro Woche
85 dB unbegrenzt
90 dB 20 Stunden
95 dB 7 Stunden
100 dB 2 Stunden
105 dB 40 Minuten
110 dB 12 Minuten
115 dB 4 Minuten
120 dB 1 Minute

Tabelle 2: Maximal empfohlene wöchentliche Einwirkungszeit ausgewählter Schallpegel gemäss ISO 1999.

Schallpegel Beschallungsdauer Erwarteter Hörverlust bei 50% der Personen
85 dB(A) 10 Jahre, 40 Stunden/Woche - 5 dB(A)
90 dB(A) 10 Jahre, 40 Stunden/Woche -11 dB(A)
100 dB(A) 10 Jahre, 40 Stunden/Woche - 30 dB(A)

Tabelle 3: Vorhersage von Gehörschäden durch Dauerlärm gemäss ISO 1999. Die Daten wurden erhoben mittels definierter Schallpegelmessungen an stationären Lärmarbeitsplätzen.

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Messung des Schallpegels

Schallpegelmessungen werden mit einem Schallpegelmesser durchgeführt. Dieser funktioniert ähnlich wie ein Mikrofon und registriert Druckunterschiede der Schallwellen. Da die Wahrnehmung des Schalls durch unser Gehör nicht genau der Dezibelskala entspricht, wurden verschiedene Filter entwickelt, welche die Messwerte in einem gewissen Frequenzbereich korrigieren. So wird der Empfindlichkeit des Ohrs besser Rechnung getragen. Der A-Filter schwächt beispielsweise Bässe und Höhen ab. Dadurch sieht ein A-bewertetes Messergebnis ähnlich aus wie eine Phon-Kurve. Der Schallpegel wird dann in dB(A) angegeben. Der C-Filter wird vor allem zur Messung von Industrielärm angewendet, er gewichtet die tiefen Frequenzen stärker. Deshalb ist auch bei speziell bassbetonter Musik eine Bewertung mit dem C-Filter nicht auszuschliessen, weil sich das Gehör davon langsamer erholt und deswegen ein langfristig erhöhtes Gefährdungspotential zu erwarten ist 1.

Nebst der Frequenzbewertung ist bei einer Schallmessung vor allem die zeitliche Dauer von Bedeutung. Um einen aussagekräftigen Mittelwert zu erhalten, misst man den energieäquivalenten Dauerschallpegel (Leq). Damit wird nicht nur der Schallpegel, sondern auch der Energiegehalt eines Geräuschs berücksichtigt. Dazu misst das Gerät während einer Zeitspanne den Schallpegel, berechnet daraus die Energie des Schalls und summiert diese Energiewerte auf. Am Ende der Messperiode wird die Gesamtenergie über die Zeitspanne gemittelt und als Leq in dB ausgegeben. Eine Tabelle zur Einschätzung ausgesuchter dB-Werte finden sie hier.

Den Einfluss einzelner Frequenzbänder auf den Gesamtpegel in dB(A) und dB(C) veranschaulicht das Tool "Spektrale Energieverteilung und Frequenzbewertungsfilter". Im folgenden ein Beispiel zur Illustration:

Abbildung 6: Werte ohne Equalizing

Die weittragenden und den Schlaf störenden tiefen Frequenzen vermindern sich, wenn die Differenz zwischen A-bewertetem und C-bewertetem Pegel deutlich verkleinert wird, in diesem Beispiel mittels Hochpassfilter und genereller Reduktion im Bassbereich um einige Dezibel.


Abbildung 7: Werte mit Equalizing

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Überschallknall Abbildung 1: Ein F/A-18 Hornet Jagdbomber im Überschallflug mit Wolkenscheibeneffekt. Lautstärkenbeispiele
Abbildung 2: Schallpegel aus dem
Alltag.
Kurven ISO1999 Abbildung 3: Abschätzung des zu erwartenden Hörverlusts bei dauerhafter Schallpegelexposition nach ISO 1999. Leq Abbildung 4: Verstärkung bzw. Absenkung der einzelnen Frequenzbewertungsfilter Leq Abbildung 5: Ermittlung des Mittelungspegels Leq.