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Was ist Schall?

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Alle Maschinen erzeugen Schall und Schwingungen. Schall ist eine Energieform, die als Längswellen durch die Luft übertragen wird, welche ein elastisches Medium ist. Die Schallwelle verursacht kleine Änderungen im Umgebungsluftdruck, die durch ein druckempfindliches Gerät (z. B. ein Mikrofon) registriert werden können.

Was sind Schallleistung und Schalldruck?

Eine Schallquelle strahlt Schallleistung aus, und diese führt zu einer Schalldruckschwankung in der Luft. Die Schallleistung ist die Ursache dafür. Der Schalldruck ist der Effekt. Betrachten Sie die folgende Analogie: Eine elektrische Heizung strahlt Wärme in einen Raum aus und verursacht eine Temperaturänderung. Die Temperaturänderung im Raum ist offensichtlich vom Raum selbst abhängig. Aber bei der gleichen elektrischen Eingangsleistung strahlt die Heizung die gleiche Leistung aus, nahezu unabhängig von der Umgebung. Das Verhältnis zwischen Schallleistung und Schalldruck ist ähnlich. Was wir hören, ist Schalldruck. Dieser Druck wird jedoch durch die Schallleistung der Schallquelle verursacht. Die Schallleistung wird in Watt ausgedrückt. Der Schallleistungspegel wird in Dezibel (dB) ausgedrückt, d. h. als logarithmische Skala (dB-Skala) in Bezug auf einen standardisierten Referenzwert:


LW = Schallleistungspegel (dB)
W = Tatsächliche Schallleistung (W)
W0 = Referenzschallleistung (10 – 12 W)

Der Schalldruck wird in Pa ausgedrückt. Der Schalldruckpegel wird ebenfalls in Dezibel (dB) ausgedrückt, d. h. als logarithmische Skala (dB-Skala) in Bezug auf einen standardisierten Referenzwert:

Lp = Schalldruckpegel (dB)
p = Tatsächlicher Schalldruck (Pa)
p0 = Referenzschalldruck (20 x 10-6 Pa)

Der Schalldruck, den wir wahrnehmen, hängt von der Entfernung von der Quelle und der akustischen Umgebung ab, in der die Schallwelle übertragen wird. Die Verbreitung von Schall in Innenräumen ist daher von der Größe des Raums und der Schalldämmung der Oberflächen abhängig. Folglich kann der durch eine Maschine emittierte Schall nicht vollständig quantifiziert werden, indem ausschließlich der Schalldruck gemessen wird. Die Schallleistung ist mehr oder weniger unabhängig von der Umgebung, während dies für den Schalldruck nicht gilt.

Informationen über den Schalldruckpegel müssen daher immer durch zusätzliche Angaben ergänzt werden: dem Abstand der Messposition von der Schallquelle (z. B. gemäß einem bestimmten Standard) und der Raumkonstante für den Raum, in dem die Messung durchgeführt wurde. Andernfalls wird davon ausgegangen, dass der Raum unbegrenzt ist (d. h. ein offenes Feld). In einem unbegrenzten Raum gibt es keine Wände, die Schallwellen reflektieren und damit die Messung beeinflussen.

Was ist Schallabsorption?

Wenn Schallwellen auf eine Oberfläche auftreffen, wird ein Teil der Wellen reflektiert, und ein anderer Teil wird vom Oberflächenmaterial absorbiert. Der Schalldruck zu einem bestimmten Zeitpunkt besteht daher immer aus dem Schall, den die Schallquelle erzeugt, und dem Teil des Schalls, der von umgebenden Oberflächen reflektiert wird (nach einer oder mehreren Reflexionen). Wie effektiv eine Oberfläche Schall absorbieren kann, hängt von dem Material ab, aus dem sie besteht. Dies wird in der Regel als Absorptionsfaktor ausgedrückt (zwischen 0 und 1, wobei 0 der vollständigen Reflexion und 1 der vollständigen Absorption entspricht).

Was ist die Raumkonstante, und wie wird sie berechnet?

Die Auswirkungen des Raums auf die Ausbreitung von Schallwellen werden durch die Raumkonstante bestimmt. Eine Raumkonstante für einen Raum mit mehreren Oberflächen, Wänden und anderen Innenflächen kann berechnet werden, indem die Größe und Absorptionseigenschaften der verschiedenen Flächen berücksichtigt werden. Es gilt die folgende Gleichung:

Nachhall

Die Raumkonstante kann auch anhand der gemessenen Nachhallzeit ermittelt werden. Die Nachhallzeit T ist definiert als die Zeit, die benötigt wird, bis der Schalldruck um 60 dB sinkt, nachdem die Schallquelle abgeschaltet wurde. Die Absorptionskoeffizienten für verschiedene Oberflächenmaterialien sind frequenzabhängig, und dies gilt daher auch für die abgeleitete Nachhallzeit und die Raumkonstante. Der durchschnittliche Absorptionsfaktor für den Raum wird dann wie folgt berechnet:

V = Volumen des Raums (m3)
T = Nachhallzeit (s)

Die Raumkonstante K ergibt sich dann aus dem Ausdruck:

A = Gesamtraumfläche (m2)

Welches Verhältnis besteht zwischen Schallleistungspegel und Schalldruckpegel?

Unter einigen besonderen Bedingungen kann das Verhältnis zwischen Schallleistungspegel und Schalldruckpegel einfach ausgedrückt werden. Wenn der Schall von einer punktförmigen Quelle innerhalb eines Raums ohne reflektierende Oberflächen ausgestrahlt wird oder im Außenbereich, wo sich keine Wände in der Nähe der Schallquelle befinden, dann breitet sich der Schall gleichmäßig in alle Richtungen aus, und die gemessene Schallintensität ist daher an allen Punkten gleich, die den gleichen Abstand zur Schallquelle haben. Daher ist die Intensität an allen Punkten auf einer kugelförmigen, die Schallquelle umgebenden Fläche gleich.

Wird die Entfernung zur Quelle verdoppelt, dann vergrößert sich die Kugeloberfläche auf das Vierfache. Davon kann abgeleitet werden, dass der Schalldruck jedes Mal um 6 dB fällt, wenn sich der Abstand zur Schallquelle verdoppelt. Dies gilt aber nicht, wenn der Raum harte, reflektierende Wände hat. In diesem Fall muss der von den Wänden reflektierte Schall berücksichtigt werden.

Lp = Schalldruckpegel (dB)
Lw = Schallleistungspegel (dB)
Q = Richtungsfaktor
r = Abstand zur Schallquelle

Für Q kann der empirische Wert verwendet werden (für andere Positionen der Schallquelle muss der Wert von Q geschätzt werden):
Q=1 Wenn die Schallquelle in der Mitte eines großen Raums hängt.
Q=2 Wenn die Schallquelle nahe der Mitte einer harten, reflektierenden Wand platziert wird.
Q=4 Wenn die Schallquelle nahe der Schnittstelle von zwei Wänden platziert wird.
Q=8 Wenn die Schallquelle nahe einer Ecke platziert wird (Schnittpunkt von drei Wänden).

Wenn die Schallquelle in einem Raum platziert wird, in dem die Begrenzungsflächen nicht den gesamten Schall absorbieren, erhöht sich der Schalldruckpegel aufgrund des Nachhalleffekts. Dieser Anstieg ist umgekehrt proportional zur Raumkonstante:

In der Nähe der Energiequelle sinkt der Schalldruckpegel jedes Mal um 6 dB, wenn der Abstand verdoppelt wird. Bei größeren Abständen von der Quelle wird der Schalldruckpegel jedoch durch den reflektierten Schall dominiert, und daher ist die Abnahme mit zunehmender Entfernung minimal. Maschinen, die Schall über ihr Gehäuse oder ihren Rahmen übertragen, verhalten sich nicht als Punktquellen, wenn sich der Zuhörer in einem Abstand zur Mitte der Maschine befindet, der kleiner als das 2- bis 3-Fache der größten Abmessung der Maschine ist.

Wie wird Schall gemessen?

Messung des Schalls, den eine Kompressoranlage erzeugt

Das menschliche Ohr nimmt den Schall bei verschiedenen Frequenzen mit unterschiedlicher Effizienz wahr. Niedrige Frequenzen oder sehr hohe Frequenzen werden weniger intensiv wahrgenommen als Frequenzen bei ca. 1.000 – 2.000 Hz. Verschiedene Standardfilter passen die gemessenen Werte bei niedrigen und hohen Frequenzen an, um die Fähigkeit des menschlichen Gehörs zur Schallwahrnehmung zu emulieren. Bei der Messung von beruflichem und Industrielärm wird häufig der A-Filter verwendet, und der Schallpegel wird als dB(A) ausgedrückt.

Was geschieht, wenn mehrere Schallquellen interagieren?

Wenn mehr als eine Schallquelle den Schall in Richtung des gleichen Empfängers ausstrahlen, nimmt der Schalldruck zu. Da Schallpegel jedoch logarithmisch definiert sind, können die Quellen nicht einfach algebraisch addiert werden. Wenn mehr als zwei Schallquellen aktiv sind, werden zunächst zwei addiert, und die nächste wird dann zur Summe der ersten beiden addiert usw. Wenn zwei Schallquellen mit demselben Pegel addiert werden müssen, ist das Ergebnis eine Erhöhung um 3 dB.

Hintergrundschall ist ein Sonderfall, bei dem eine Subtraktion erforderlich ist. Hintergrundschall wird als separate Schallquelle behandelt, und der Wert wird vom gemessenen Schallpegel abgezogen.

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