Messtechnik der Akustik

Von den in milliardenfach im Einsatz befindlichen akusto-elektrischen Wandlern für Luftschall wird nur ein sehr kleiner Teil für Messungen im engeren Sinne eingesetzt. Die weitaus größte Anzahl dient der Umsetzung von Sprache oder Musik in elektrische Signale, sei es für Telefonzwecke, zur Beschallung größerer Auditorien oder zur Speicherung für spätere Wiedergabe oder Bearbeitung. Obwohl die dafür überwiegend verwendeten Mikrofone nicht den strengen Anforderungen für Normalien oder für andere als akustische Messaufnehmer genormte Erzeugnisse genügen, ko¨nnen sie zumindest für Ü berwachungen und a¨hnliche Zwecke auch im messtechnischen Sinne eingesetzt werden.

Die Hauptaufgabe der akustischen Messtechnik im Immissionsschutz besteht in der Ermittlung einer repräsentativen Lärmbelastung an einem Einwirkungsort, z.B. einem Arbeitsplatz oder einem Wohnraum. Ziel dabei ist, eine komplizierte Geräuschsituation in möglichst einfachen Kenngrößen abzubilden. Solche Kenngrößen müssen Aussagen über Störwirkung und Zumutbarkeit des Lärms ermöglichen

In den folgenden Abschnitten werden die Besonderheiten der Messtechnik für raumakustische und beschallungstechnische Anwendungen zusammengestellt.

Da die bauakustische Messtechnik sich in vielen Fällen auf Methoden stützt, die an anderer Stelle in diesem Buch detailliert erläutert wurden, kann in diesem Kapitel auf manche Darstellungen verzichtet werden. Dies betrifft insbesondere grundlegende Ausführungen zu Verfahren und Messgeräten bei der Luftschallmesstechnik (Kapitel 1, 2 und 3), bei der Körperschallmesstechnik (Kapitel 7), die Messung der Schallleistung (Kapitel 5) sowie die Signalverarbeitung (Kapitel 9).

Wie bei anderen technischen Disziplinen (z.B. in der Lichttechnik) wird auch in der Technischen Akustik die quantifizierende Beschreibung von Quellen anhand der von ihnen emittierten Leistung vorgenommen. Ist diese quellbeschreibende Größe bekannt, dann lässt sich bei bekannter akustischer Umgebung (z.B. im Freien oder in einem Raum mit gewissen akustischen Eigenschaften wie der Nachhallzeit) der dort herrschende Schalldruckpegel bestimmen, wobei manchmal noch Zusatzinformationen wie die Richtungsverteilung der Quelle erforderlich sein können.

Akustische Antennen werden zur Ortung von Schallquellen eingesetzt. Unter einer ‘Akustischen Antenne’ wird hier eine aus einer Vielzahl von örtlich verteilten Mess-Mikrofonen bestehende Anordnung (Mikrofon-Array) verstanden, deren Signale mit speziellen digitalen Verfahren zur Schwenkung der Richtcharakteristik (Beamforming) ausgewertet werden. Im Englischen spricht man von ‘phased microphone array’. Weitere Bezeichnungen sind ‘Akustisches Teleskop’ und ‘Akustische Kamera’.

„Körperschall“ ist dasjenige Gebiet der Akustik, das sich mit der Anregung und Übertragung von Festkörperschwingungen im Hörfrequenzbereich beschäftigt.

Ein wichtiges Gebiet der akustischen Messtechnik ist die Analyse von schwingenden Strukturen. Strukturschwingungen treten in vielen Bereichen des täglichen Lebens auf, z. B. in Autos oder bei Haushaltsgeräten, aber auch an vielen anderen Stellen (Spannbrücken, Turbinenschaufeln). Diese Schwingungen werden auch Körperschall genannt. Dabei ist es wichtig, dass die Stabilität der Strukturen bei normalem Betrieb nicht durch die Schwingungen beeinträchtigt wird. Allerdings kann es trotz ausreichender Stabilität zu unerwünschten Effekten, wie Fehlfunktionen oder Schallabstrahlung, kommen. Der abgestrahlte Schall wird oft als störend oder belästigend empfunden.

Wie in allen Bereichen der Technik ist es heute auch in der Akustik so, dass praktisch alle Messgeräte rechnergestützt sind. Der Digitalrechner kann in unterschiedlichen Konfigurationen zum Einsatz kommen. Eine akustische Messapparatur kann in Form von PC-ferngesteuerter Hardware realisiert werden oder in Form von integrierten Lösungen mit speziellem Speicher und Prozessor. Bei vielen Anwendungen kommt die Notwendigkeit der Eichfähigkeit und Eichung hinzu, die spezielle Anforderungen an die Hardware stellt.

Eines der wichtigsten Tätigkeitsfelder für Akustiker betrifft zweifellos das Gebiet der Raumakustik. Ob das Ziel dabei in einer möglichst hohen Pegel-Verringerung in der „lauten“ Umgebung in einem Zweckraum (wie einer Fabrikhalle) besteht, oder ob es mehr um die Nachhall-Regulierung für eine gewisse Raum-Nutzung geht (z.B. für die Darbietung von Schauspiel, Oper oder Konzert): In allen Fällen bildet die Auskleidung von Raum-Begrenzungsflächen mit Schall-absorbierenden Materialien und Wandaufbauten das wichtigste Mittel zur gezielten Herstellung einer erwünschten Raumakustik. Auch bei einigen anderen Aufgaben der Lärmbekämpfung wird versucht, die aus anderen Gründen notwendigen baulichen Einrichtungen möglichst absorbierend oder hoch-absorbierend auszustatten. Das ist z.B. der Fall bei Schallschutzwänden an Straßen oder Schienenwegen. Durch absorbierende Belegung können ungünstige, die Wirkung beeinträchtigende Vielfachreflexionen zwischen parallelen Wänden oder zwischen Wand und Fahrzeug vermieden werden.

Die Messung und Beurteilung von Schallpegeln erfolgt heute überwiegend auf der Grundlage des A-bewerteten Schalldruckpegels. Diese A-Bewertung ist nach dem 2. Weltkrieg als international bevorzugte Frequenzbewertung standardisiert worden, um Schallpegelmessungen in unterschiedlichen Ländern zu vereinheitlichen. Mit der A-Bewertung wurde ein erster Schritt unternommen, bei der Messung von Schall das menschliche Hören nachzubilden. Die Internationale Organisation für Normung (ISO) war sich jedoch durchaus bewusst, dass eine A-bewertete Schallpegelmessung nicht in jeder Hinsicht einer gehörgerechten Schallfeldanalyse entspricht. Seinerzeit waren weder der technologische Stand noch die wissenschaftlichen Erkenntnisse vorhanden, eine Schallmesstechnik zu standardisieren, die einer Schallfeldanalyse durch das menschliche Gehör vergleichbar wäre. Heute hat sich der wissenschaftliche Kenntnisstand wesentlich verbessert, und die technische Umsetzung psychoakustischer Erkenntnisse stellt im Zeitalter der Digitaltechnik keine größeren Probleme mehr dar.

In vielen technischen Prozessen spielen bewegte Medien, Strömungen, eine wichtige oder die entscheidende Rolle, und fast immer stellt das von den Strömungsvorg ängen erzeugte Geräusch ein gravierendes Problem dar. Es besteht also die Notwendigkeit, sich mit diesen strömungserregten Schallquellen zu befassen, ihre Geräuschemission messtechnisch zu erfassen, die abgestrahlte Schallleistung zu bestimmen, die der Entstehung zugrunde liegenden Mechanismen zu erforschen und zu beeinflussen mit dem Ziel, am Ende eine niedrigere Geräuschbelastung für die in der Umgebung der Quelle lebenden oder tätigen Menschen zu erreichen.