Basics akustische Messungen, Teil 4

Schallpegelmesser: Messung der Nachhallzeit & mehr

Der klassische Handpegelmesser kann heute wesentlich mehr als nur einen Schallpegelwert anzeigen. Was die kleinen Helfer heute alles können und wie man sie am besten einsetzt, zeigt diese mehrteilige Artikelreihe zum Thema akustische Messungen mit Handpegelmessern. Der vorliegende vierte Teil befasst sich mit der Messung der Nachhallzeit und des Beurteilungspegels und wirft einen Blick auf die viel verwendete und nützliche Funktion des Real Time Analyser (RTA).

Messungen
(Bild: Anselm Goertz)

In diesem Artikel werden wir uns mit der Messung der Nachhallzeit und des Beurteilungspegels befassen und einen Blick auf die viel verwendete und nützliche Funktion des Real Time Analyser (RTA) werfen. Zunächst gibt es noch ein paar sinnvolle Ergänzungen zum Teil 3.

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Nachhallzeitmessung

Wie in Teil 3 bereits angesprochen, ist die Nachhallzeit die wichtigste raumakustische Größe und erlaubt eine erste Einschätzung der raumakustischen Eigenschaften. Per Definition ist die Nachhallzeit die Zeitspanne, die vergeht, bis der Schallpegel nach dem Abschalten eines stationären Geräusches um 60 dB abgefallen ist. Eine übliche und einfache Messmethode besteht daher darin, ein breitbandiges Rauschen über einen Lautsprecher abzuspielen, dann das Signal schlagartig abzuschalten und den Pegelabfall auszuwerten.

Dabei sollten einige Randbedingungen erfüllt sein. Die Messung wird typischerweise über mehrere Sender- und Empfängerpositionen in einem Raum gemittelt. Lautsprecher und Mikrofone sollten ein möglichst kugelförmiges Richtverhalten aufweisen und sich bei der Messung nicht zu nahe an einer Wand oder anderen Raumbegrenzungsfläche befinden. Bei den Mikrofonen ist diese Voraussetzung für kleine ¼” Kapseln für den relevanten Frequenzbereich hinreichend gut erfüllt. Schwieriger wird es bei den Lautsprechern. „Normale“ Lautsprecher sind daher nur eingeschränkt für die Nachhallzeitmessung geeignet. Speziell für raumakustische Messungen gibt es daher die sogenannten Dodekaeder-Lautsprecher (BILD 01).

BILD 01: Dodekaeder Lautsprecher bei einer Nachhallzeitmessung in einem Tunnel (Bild: Anselm Goertz)

Wie der Name es schon sagt, haben wir es mit einem Lautsprecher mit einem zwölfflächigen Gehäuse zu tun. Auf allen zwölf gleichmäßig angeordneten Flächen befinden sich Lautsprecher. Der einfache Dodekaeder eignet sich so je nach Ausdehnung für Frequenzen bis ca. 3 kHz als Punktquelle und damit für alle Standardmessungen der Raumakustik. Probleme gibt es bei hohen Frequenzen, wo sich durch das Bündelungsverhalten der einzelnen Chassis das Abstrahlverhalten des Dodekaeders von einer Kugel zu einer Art Morgenstern wandelt. Bei tiefen Frequenzen kommt es mangels Pegel gelegentlich zu unzureichenden Störabständen. Da die Nachhallzeit eine frequenzabhängige Größe ist, wünscht man sich auch eine entsprechende Auswertung. Die Pegelmesser verfügen daher über Filterbänke mit Oktavband- oder Terzband-Auflösung. Die vorab genannte Auswertung erfolgt dann nach der Filterung für die einzelnen Frequenzbänder.

In der Praxis ist es jedoch meist kaum möglich einen Pegelabfall nach dem Abschalten des Messsignals von 60 dB auszuwerten. Für die Auswertung kann daher auch ein kleinerer Bereich mit gleichmäßigem Pegelabfall herangezogen werden, von dem aus dann auf den 60 dB Abfall extrapoliert wird. Auf welcher Basis die Nachhallzeit T ausgewertet wurde, wird über einen Index angegeben. So bedeutet T30 die Auswertung des Pegelabfalls von –5 bis –35 dB. Der angegebene Wert ist dann bereits auf die vollen 60 dB extrapoliert und muss daher nicht mehr mit einem weiteren Faktor multipliziert werden.

Die meisten aktuellen Handpegelmesser unterstützen die Messung der Nachhallzeit nach dieser Methode für T30- oder T20-Werte. Um dem Anwender eine kleine Hilfe zu geben, wird vor der Messung zunächst der Störpegel gemessen und dann daraus ein Mindestpegel berechnet, der für die Messung erforderlich ist – was sich in der Praxis manchmal als schwierig herausstellt. Speziell bei den tiefen Frequenzen haben die Messlautsprecher häufiger ein Problem sich hinreichend weit vom Störpegel abzuheben. ABB. 4 zeigt den Bildschirm des NTI XL2 für diese Art der Messung.

Störpegelmessung vor der Nachhallzeitmessung und Anzeige des mindestens erforderlichen Rauschsignalpegels
ABB. 4: Störpegelmessung vor der Nachhallzeitmessung und Anzeige des mindestens erforderlichen Rauschsignalpegels (Bild: Anselm Goertz)

Eine einfachere und auch in puncto Störpegel solidere Messung der Nachhallzeit kann mit Hilfe der Schroederschen Rückwärtsintegration durchgeführt werden. Gemessen wird dann zunächst die Impulsantwort des Raumes, aus der über die Rückwärtsintegration der Nachhallverlauf berechnet wird. Ein großer Vorteil dieser Methode liegt vor allem in der einfacheren Anregung des Raumes mit einem Impuls, d. h. mit einem Knall. In kleinen und ruhigen Räumen reicht mitunter schon ein geübtes kräftiges Händeklatschen oder das Platzen einer gut aufgeblasenen Brötchentüte – Achtung, vorher die Krümel entfernen!

In größeren Räumen bieten sich Luftballons oder die bewährte Schreckschusspistole Kaliber 9 mm an. Hier sind einige Dinge zu beachten. Es wird ein kleiner Waffenschein benötigt und man sollte zur Vermeidung von Missverständnissen vorher das Umfeld bzw. die Behörden informieren. Bei der Auswahl der Platzpatronen ist auf eine Schwarzpulverfüllung zu achten, da diese tieffrequent wesentlich lauter sind als andere Arten der Patronen. Auf keinen Fall sollte man die Ohrschützer vergessen, da beim Schützen Spitzenpegel von 150 dB und mehr auftreten. Aufgrund der starken Rauch- und Staubentwicklung sollte vorher auch auf Rauchmelder im Umfeld der Messung geachtet werden.

ABB. 5: Nachhallzeitmessung mit dem XL2 Pegelmesser in einem Treppenhaus. Angezeigt werden die Mittelwerte aus vier Messungen sowie deren Schwankungsbreite. (Bild: Anselm Goertz)

Sind alle Formalitäten soweit geklärt, dann reicht ein handliches Set, wie in BILD 02 dargestellt, für eine schnelle und zuverlässige Nachhallzeitmessung. Ist der Einsatz der Pistole aus irgendwelchen Gründen nicht möglich, dann eignen sich mit etwas mehr Aufwand auch große Deko-Luftballons als Knallquelle. Vergleichsmessung haben ergeben, dass 80-cm-Ballons vergleichbare Pegel zur 9-mm-Schwarzpulverpatrone liefern und sogar tieffrequent noch einige dB mehr leisten – dies ist vor allem bei der Messung in sehr großen Räumlichkeiten wie Sportstadien wichtig. Als kleiner zusätzlicher Aufwand ist dann noch ein Kompressor erforderlich, den es im Ballonhandel für kleines Geld zu kaufen gibt.

BILD 02: Einfache und leichte Hilfsmittel zur Messung der Nachhallzeit (Bild: Anselm Goertz)

ABB. 6 zeigt eine Nachhallzeitmessung in Oktavbändern, die mithilfe der Rückwärtsintegration aus der Raumimpulsantwort berechnet wurde. Die Messung und Auswertung erfolgte mithilfe eines PC gestützten Messsystems. Einige Handpegelmesser unterstützen diese Art der Nachhallzeitmessung aber auch. Eine andere Variante dieser Messung besteht darin, den Pegelmesser nur als Recorder zu verwenden und die aufgezeichneten Impulsantworten später am PC auszuwerten. Wichtig ist es dabei, die Aufzeichnung nicht zu übersteuern und eine verlustfreie Aufzeichnung der Daten sicherzustellen. Das Mobiltelefon mit MP3- Recorder und Kompressor im Signalweg ist daher weniger geeignet. Gut zu erkennen ist in ABB. 6, dass es trotz der bei dieser Messung sehr ruhigen Umgebung kaum möglich war mehr als 30–40 dB lineares Pegelgefälle für die Auswertung zu erreichen. Die Unterschiede der Startwerte für die Nachhallkurven entsprechen dem Energiegehalt der Impulsanregung. Für diese Messung wurden 9-mm-Schwarzpulverpatronen genutzt.

ABB. 6: Nachhallzeitmessung für die Oktavbänder von 125 Hz bis 8 kHz (rot, blau, grün, magenta, gelb, hellblau, braun). Das auswertbare lineare Gefälle liegt bei 30–40 dB. (Bild: Anselm Goertz)

Der Beurteilungspegel

Der Beurteilungspegel wird immer dann eingesetzt, wenn im Rahmen des Immissionsschutzes die Schädlichkeit von Umwelteinwirkungen, in diesem Fall von Geräuschen aller Art, zu bewerten ist. Dazu wurde 1998 eine allgemeine Verwaltungsvorschrift die „Technische Anleitung zum Schutz gegen Lärm“ kurz TA Lärm erlassen. Im Juni 2017 erschien eine überarbeitete Fassung mit einigen Änderungen. Relevant für die Beschallungsbranche ist die TA Lärm vor allem dann, wenn es um den Immissionsschutz bei Veranstaltungen geht. Das trifft auf ortsfeste Hallen ebenso zu wie auf Zeltveranstaltungen, Open-Air-Konzerte und Stadtfeste. Das Kernthema der TA Lärm ist die Bestimmung des Beurteilungspegels und die Festlegung wann, wo und unter welchen Umständen welche Werte zulässig sind. Die in der TA Lärm beschriebenen Bewertungsmethoden werden so auch in der Freizeitlärmrichtlinie angewandt.

Messtechnisch auf den ersten Blick vergleichbare Geräusche können in der subjektive Wahrnehmung trotzdem recht unterschiedlich beurteilt werden. So wird ein kontinuierliches Rauschen weniger stark störend empfunden als ein knatterndes Geräusch. Der Unterschied ist die Impulshaltigkeit, die als störend wahrgenommen wird. Ähnlich verhält es sich, wenn im Geräusch Töne, z. B. ein Pfeifen o.Ä., hervortreten. Als besonders störend wird auch erkennbare Sprache bewertet. Jeder kennt das Phänomen, man möchte sich konzentrieren und in einer anderen Ecke des Büros oder eines Zugabteils wird telefoniert. Man beginnt unterbewusst hinzuhören und kommt nicht mehr davon los. In Großraumbüros versucht man dem mit sogenannten Maskierungsgeräuschen entgegenzuwirken. Um solche Aspekte bei den störenden Eigenschaften von Geräuschen zu berücksichtigen, gibt es in der TA Lärm die Begriffe der Tonhaltigkeit und des Informationsgehalts eines Geräuschs. Anwohner in der Nähe von Bahnhöfen kennen beides nur zu gut. Die Geräusche der Züge werden kaum wahrgenommen, aber die Ansagen auf den Bahnsteigen, meist noch angekündigt durch einen Aufmerksamkeitsgong, strapazieren die Gemüter. Genau das versucht man auch beim Beurteilungspegel Lr zu berücksichtigen. Es wird zunächst der bekannte Mittlungspegel LAeq gemessen, der dann noch entsprechende Zuschläge erhält. Die Formel dazu sieht wie folgt aus:

Gleichung

oder für mehrere Messperioden:

Gleichung

mit folgenden Korrekturwerten und Zuschlägen:

  • Cmet meteorologische Korrektur
  • KT Zuschlag für Ton- und Informationshaltigkeit
  • KI Zuschlag für Impulshaltigkeit
  • KR Zuschlag für Tageszeiten mit erhöhter Empfindlichkeit

Die zweite Formel beschreibt die Mittelung über mehrere Messperioden für unterschiedliche Störgeräusche oder Bewertungen. Tagsüber wird der Beurteilungspegel über einen Zeitraum von 6:00 bis 22:00 gebildet. Tageszeiten mit erhöhter Empfindlichkeit sind dabei z. B. am Sonntag von 6:00 bis 9:00, von 13:00 bis 15:00 und von 20:00 bis 22:00. Der Zuschlag in diesen Zeiträumen beträgt 6 dB. Tageszeiten mit erhöhter Empfindlichkeit gibt es aber nur für Wohn- oder Kurgebiete oder im Umfeld von Krankenhäusern. In der Nacht ist der Wert der lautesten Stunde maßgeblich. Es wird nicht über die gesamte Dauer der Nachtzeit von 22:00 bis 6:00 gemittelt. Die meteorologische Korrektur Cmet ist bei kurzen Distanzen gering, ebenso wie bei einer hohen Position von Quelle und Empfänger. Die Werte liegen meist unterhalb von 2 dB. Der Basiswert zur Berechnung kann von den örtlichen Behörden festgelegt werden.

Der Zuschlag für Ton- und Informationshaltigkeit KT kann nach Höreindruck bestimmt werden und beträgt je nach Auffälligkeit 3 oder 6 dB. Ein deutlich hörbarer Stadionsprecher würde so z. B. einen Zuschlag von 6 dB bedeuten. Der Zuschlag für Impulshaltigkeit KI wird wiederum messtechnisch bestimmt. Dazu wird die gesamte Messdauer in 5 s lange Messintervalle T unterteilt und für jedes Intervall jeweils der Maximalpegel als LAF festgehalten. Dieser Wert nennt sich Taktmaximalpegel LAFT. Aus den LAFT -Werten der gesamten Messzeit wird dann ein Taktmaximal-Mittlungspegel LAFTeq gebildet. Die Differenz zwischen dem Taktmaximal-Mittlungspegel LAFTeq und dem einfachen Mittlungspegel LAeq ergibt den Zuschlag für die Impulshaltigkeit KI.

Ein weiterer zu beachtender Aspekte sind Fremdgeräusche, die nicht zum bewertenden Geräusch gehören, z. B. Straßenlärm. Liegen diese um 10 dB oder mehr unter dem zu bewertenden Geräusch, bedarf es keiner weiteren Maßnahmen. Beträgt die Pegeldifferenz ∅L 3 bis 10 B, dann ist eine Fremdgeräuschkorrektur K erforderlich. Bei weniger als 3 dB Differenz muss ein Ersatzmessort mit weniger Fremdgeräusch gefunden werden.

Ist der Wert des Beurteilungspegels bestimmt, dann ist dieser mit den zulässigen Grenzwerten zu vergleichen. Diese hängen vom Ort (Wohngebiet, Mischgebiet, Industriegebiet, …) von der Tageszeit und von der Häufigkeit ab. Handelt es sich um sogenannte seltene Ereignisse (z. B. Volksfeste), dann gelten höhere Grenzwerte im Vergleich zu dauerhaften Anlagen wie Freizeitparks u. Ä.

Alle bisher aufgeführten Messungen werden A-bewertet durchgeführt. Tieffrequente Geräusche werden dabei weniger berücksichtigt. Um diese jedoch nicht völlig außen vor zu lassen, bedarf es immer dann einer besonderen Betrachtung, wenn bei geschlossenen Fenstern innerhalb schutzbedürftiger Räume, z. B. die Schlafzimmer der Anwohner, die Pegeldifferenz LCeq – LAeq den Wert von 20 dB überschreitet. Für eine „amtliche“ Messung nach TA Lärm dürfen nur geeichte Schallpegelmesser der Klasse 1 zusammen mit einem entsprechenden Kalibrator eingesetzt werden. Die zuständigen Behörden können verlangen, dass die Messung von einer anerkannten und bekanntgegebenen Messstelle nach §§ 26, 28 BImSchG (Bundes-Immissionsschutzgesetz) zur Ermittlung von Emissionen und Immissionen von Geräuschen durchgeführt wird.

Der Real Time Analyser (RTA)

Der Real Time oder Spektrum Analyser stellt ein Signal in Frequenzbändern in Form eines Balkendiagramms dar. Das Signal kann akustischer oder elektrischer Natur sein und wird typischerweise logarithmisch skaliert in dB angezeigt. Ältere und noch rein analog arbeitende RTAs arbeiten mit einer mehr oder weniger großen Anzahl von Filterbänken, die das Signal nach Frequenzbändern aufteilen. Spätestens bei der Terzauflösung mit 31 Filterbändern bedeutet das jedoch schon einen erheblichen schaltungstechnischen Aufwand.

Im digitalen Zeitalter geht man einen kleinen Umweg über die Frequenzebene mit Hilfe der FFT (Fast Fourier Transformation). Ein zeitlich festgelegter Abschnitt des Signals wird über die FFT in den Frequenzbereich transformiert. Dort liegt das Spektrum dann zunächst als Linienspektrum mit linearer Unterteilung vor. Um daraus die Werte für die gewünschten Frequenzbänder zu berechnen, müssen alle zu dem betreffenden Frequenzband gehörigen Linien noch aufaddiert werden. Die lineare Auflösung im Frequenzbereich berechnet sich aus der Abtastrate geteilt durch die FFT-Länge. Bei einer typischen Abtastrate von 48 kHz und einer 16K FFT (16.384 Werte) sind das 2,93 Hz.

Verwenden lässt sich die RTA-Funktion zur Analyse beliebiger Signale oder auch zur Messung von Übertragungsfunktionen. Möchte man einfach und schnell eine Lautsprecheranlage messen, dann wird als Messsignal ein Pinknoise eingespielt und die Messung an einer oder mehreren Positionen mit dem RTA vorgenommen. Im Pinknoise ist der Energiegehalt in allen Frequenzbändern gleich, d. h. bei einer idealen Übertragungsstrecke zeigen alle Frequenzbänder auf dem RTA den gleichen Wert. Zu beachten ist bei dieser Art der Messung, dass es sich beim Pinknoise um ein stochastisches Signal handelt, das bei einer singulären Messung noch kein stabiles Ergebnis zeigt. Erst mit einer Mittelung über eine längere Zeitspanne wird das Resultat stabil. ABB. 7 zeigt eine solche Messung, wo die Momentanwerte als rote Balken und die gemittelten Leq-Werte als blaue Balken angezeigt werden. Bei laufender Messung schwanken die Momentanwerte ständig ein wenig, während die Leq-Werte mit der Messdauer immer stabiler werden.

ABB. 7: Realtime Analyser Funktion mit Terzbandauflösung. In Rot die momentanen Werte in Blau der Leq über die Messdauer. (Bild: Anselm Goertz)

Fazit und Ausblick

Dieser vierte und vorerst letzte Teil der Artikelreihe über Pegelmesser zeigt einen weiteren Auszug der mit einem Handpegelmesser möglichen Messungen aus dem Alltag des Akustikers oder Planers. Die kleinen Helfer sind mit der Zeit zu sehr ernsthaften und nützlichen Messinstrumenten geworden, die günstig in der Anschaffung und einfach in der Bedienung sind, was sich auch deutlich in deren Verbreitung zeigt. Moderne PC-Messsysteme können das zwar auch alles und bieten meist noch viele zusätzliche Funktionen, sind aber oft nicht so gut zu bedienen, größer und viel anfälliger für Fehlbedienungen. Genau da liegt die Stärke moderner Handpegelmesser, die konzentriert alle wichtigen Messmöglichkeiten bieten und dabei einfach zu handhaben und sehr robust im Einsatz sind. Die Spannweite der angebotenen Geräte ist dabei groß. Diese reicht von einfachen reinen Pegelmessern für wenige hundert Euro, über eichfähige Klasse-1-Geräte der bekannten Hersteller, bis zu kompletten mehrkanaligen Raum- und Bauakustik Messgeräten, die sich im deutlich fünfstelligen Preisbereich bewegen. In der folgenden Ausgabe werden wir dann noch mit einem Themen-Special das Smartphone bzw. das Tablet mit entsprechenden APPs als Alternative zum klassischen Handpegelmesser unter die Lupe nehmen.


Inhalte Teil 1 – 3

» Teil 1: Messtechnische Grundlagen von der Zeitkonstanten bis zum Terzbandfilter

» Teil 2: Die Hardware, deren Entwicklungsgeschichte und mögliches Zubehör

» Teil 3: Praktische Anwendung von Handpegelmessern zur Störpegelmessung, Sprachsignalpegelmessung und Messung der Sprachverständlichkeit.

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Kommentare zu diesem Artikel

  1. Der Link ganz oben zu Teil 3 verlinkt die Preview der Seite und ist somit für Besucher nicht einsehbar…

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