Basics akustische Messungen, Teil 3

Schallpegelmesser: Störpegel, Sprachsignalpegel und die Sprachverständlichkeit

Der klassische Handpegelmesser kann heute wesentlich mehr als nur einen Schallpegelwert anzeigen. Was die kleinen Helfer alles können und wie man sie am besten einsetzt, zeigt diese mehrteilige Artikelreihe zum Thema akustische Messungen mit Handpegelmessern. Im diesem dritten Teil befassen wir uns mit konkreten Messungen häufig benötigter Größen. Dazu gehören der Störpegel, der Sprachsignalpegel und die Sprachverständlichkeit. Hier geht es zu Teil 1 & Teil 2

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(Bild: Dieter Stork)

Im ersten und zweiten Teil dieser kleinen Artikelserie wurden die Funktionen und Ausführungen von Pegelmessern verschiedener Art und Generationen vorgestellt. Welche Messungen man damit konkret ausführen kann, soll im Folgenden anhand einiger in der Beschallungstechnik häufig vorkommender Messungen exemplarisch erläutert werden. Meist geht es dabei um Messungen von Stör- oder Nutzsignalpegeln, wobei ein und dasselbe Signal auch Stör- und Nutzsignal zugleich sein kann. Betrachten wir dazu ein Sportstadion. Im Innenraum des Stadions sind die Fans, die mit viel Lärm versuchen, ihre Mannschaft zu unterstützen.

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Dieser Lärm ist für den Stadionsprecher aus technischer Sicht Störpegel. Die Ansagen des Sprechers sind das Nutzsignal, das sich hinreichend weit vom Störpegel abheben muss, um noch verständlich zu sein. Beides zusammen, der Lärm der Fans und die Ansagen des Stadionsprechers, dringen nach außen und sind zusammen für die Nachbarschaft des Stadions wiederum Störpegel. Dieser wird als sogenannter Beurteilungspegel gemessen und bewertet. Bleiben wir bei dem Sportstadion, dann gibt es noch zwei wichtige akustische Werte, die ebenfalls direkt mit einem Handpegelmesser erfasst werden können.

Das ist zum einen die Sprachverständlichkeit in Form des STIPA-Wertes, in den der Sprachsignalpegel und der Störpegel mit eingehen, und eine wichtige Größe aus der Raumakustik, die Nachhallzeit. Letztere ist weniger für den Betrieb des Stadions relevant, wird aber im Vorfeld bei der Planung einer Lautsprecheranlage und möglicher raumakustischer Maßnahmen benötigt.

Störpegel, die große Unbekannte

Die Störpegelmessung und Bewertung gehören zusammen mit der Nachhallzeitmessung zu den wichtigsten Informationen für die Planung einer Beschallungsanlage. Ohne diese Informationen ist es nicht möglich, eine Lautsprecheranlage zu planen. Das muss immer wieder klar und deutlich gesagt werden! Die Nachhallzeit ist eine genau umschriebene raum akustische Größe, deren Messung in der Fachliteratur und diversen Normen beschrieben ist. Der Störpegel und dessen Definition unter dem Aspekt des Einflusses auf eine Lautsprecheranlage zur Sprachbeschallung wurden dagegen bislang kaum behandelt. Es gibt weder eine Messvorschrift noch irgendwelche Vorschläge wie der Störpegel auszuwerten ist.

Es gibt Normen für die Bewertung des Störpegels im Umfeld einer Lärmquelle (Technische Anleitung (TA) Lärm), zum Schutz arbeitender Personen in einer lauten Umgebung (Lärm- und Vibrationsarbeitsschutzverordnung) und auch zum Schutz des Publikums bei Veranstaltungen (DIN 15905-5), aber nicht für die Festlegung eines Störpegels als Maßstab für die Dimensionierung einer Lautsprecheranlage. Diese unbefriedigende Situation ist unverständlich, weil gerade der Störpegel ein wichtiger Aspekt bei der zu messenden Sprachverständlichkeit ist, die wiederum sehr detailliert in der Literatur und in diversen Normen beschrieben wird. Wird eine Alarmierungsdurchsage wegen zu hohen Störpegels gar nicht oder falsch verstanden, dann kann das für die Betroffenen gravierende Folgen haben.

Harmlosere, aber trotzdem ärgerliche Fälle sind nicht verstandene Ansagen mit informativem Charakter, etwa Durchsagen auf Bahnhöfen, wenn es gerade durch ein- und ausfahrende Züge sehr laut ist. Bei der wichtigsten Anwendung, der Sprachalarmierung (SAA oder ENS) betreffend, werden zurzeit die Störpegelwerte meist in einer Diskussion zwischen Planer, Brandschutzbeauftragtem und Betreiber definiert. Auch diese Diskussion benötigt jedoch eine Datenbasis, anhand derer Entscheidungen getroffen werden können. Zwei Aspekte sind hier wichtig. Zum einen der zeitliche Verlauf des Störpegels und etwas nachrangiger die spektrale Zusammensetzung des Störpegels.

ABB. 01 zeigt dazu eine Störpegelmessung vom Bahnsteig eines großen Bahnhofs. Der Mittlungspegel über die gesamte Messdauer liegt bei 73 dBA, das lauteste 5-s- Intervall erreicht 92 dBA und die lautesten 60 s 88 dBA. Die Spannweite der Pegelwerte lässt die Problematik erkennen. Welchen Wert legt man jetzt für eine Sprachbeschallung als Störpegel zugrunde? Für sicherheitsrelevante Durchsagen in einem kritischen (gefährlichen) Umfeld wären die 88 dBA der lautesten Minute vermutlich sinnvoll. Auf der anderen Seite bedeuten jede 3 dB mehr im Beschallungspegel eine Verdopplung der Leistung mit entsprechendem Aufwand und Kosten.

Störpegelverlauf über der Zeit mit Mittelungspegeln
ABB. 01: Beispiel Bahnhof: Störpegelverlauf über der Zeit mit Mittelungspegeln über 5-s- (grün) und 60-s-Intervalle (rot) und als Mittelungspegel für die gesamte Messdauer (blau) (Bild: Anselm Goertz)

In diesem speziellen Projekt lag jedoch keine besondere Gefährdung vor. Die Sprachansagen dienten nur der Information und nicht zur Warnung vor Gefahren. Zusammen mit den Verantwortlichen wurde daher eine weitere Auswertung (ABB. 02) ins Spiel gebracht, die zeigt, zu wie viel Prozent der Messzeit ein bestimmter Pegelwert erreicht oder überschritten wurde. Ein Wert von 80 dBA wird so z. B. zu 4 % der Messzeit erreicht oder ein Wert von 75 dBA zu 8 % der Messzeit. 75 dBA wurden dann letztendlich auch als Störpegelannahme festgesetzt. Um zu diesem Pegelwert auch noch eine spektrale Zusammensetzung zu erhalten, wurden aus den Messintervallen zwischen 70 und 80 dBA die Mittelwerte der Pegel in den einzelnen Frequenzbändern gebildet.

Prozent der Messzeit, zu der ein bestimmter Pegelwert erreicht oder überschritten wurde
ABB. 02: Beispiel Bahnhof: Prozent der Messzeit, zu der ein bestimmter Pegelwert erreicht oder überschritten wurde. (Bild: Anselm Goertz)

ABB. 03 zeigt das Ergebnis. Auf den ersten Blick klingt dieses Vorgehen ein wenig nach Willkür, es führt jedoch dank der entsprechenden Datenbasis zu einem nachvollziehbaren und begründbaren Wert für den Störpegel. Das zweite Beispiel betrifft einen schwierigeren Fall. In einem Sportstadion wurde der Störpegel während eines Fußballspiels gemessen.

Spektrum des Störpegels gemittelt aus allen Messintervallen mit Summenpegeln von 70 bis 80 dBA
ABB. 03: Beispiel Bahnhof: Spektrum des Störpegels gemittelt aus allen Messintervallen mit Summenpegeln von 70 bis 80 dBA (Bild: Anselm Goertz)

ABB. 04 zeigt die im Catwalk oberhalb der einheimischen Fankurve gemessenen Pegelverläufe. Dargestellt werden die Leq-Werte in höchster Auflösung für die kleinsten jeweils 5 s dauernden Messabschnitte mit A-Bewertung und unbewertet (Z). Zusätzlich wird der aus diesen Messreihen kontinuierlich ermittelte LAeq für ein Zeitfenster von fünf Minuten gezeigt. Der LAeq für die lautesten fünf Minuten während des Spiels beträgt hier knappe 100 dB(A).

In den ruhigeren Bereich des Stadions wurden ca. 95 dB(A) für die lautesten fünf Minuten gemessen. Die Auswertung der lautesten 5 Minuten erscheinen an dieser Stelle sinnvoll, da sich der Wert einerseits von kurzen sehr lauten Phasen abhebt (ca. 5 dB weniger), gleichzeitig aber auch eine längere unruhige Periode in einem Spiel gut repräsentiert. Bei emotionaler aufgeladenen Spielen ist weniger mit einer Steigerung der Maximalpegel in den kurzen Zeitabschnitten zu rechnen, sondern mit einem Anstieg der 10-, 20- und 30-Minuten-Werte, da sich die euphorischen Phasen dann über längere Zeiträume erstrecken.

Störpegelverlauf während eines Fußballspiels als 5 s Mittlungspegel mit A-(grün) und Z-Bewertung(rot) sowie als A-bewerteter fünf Minuten Mittelungspegel (blau)
ABB. 04: Beispiel Stadion: Störpegelverlauf während eines Fußballspiels als 5 s Mittlungspegel mit A-(grün) und Z-Bewertung(rot) sowie als A-bewerteter fünf Minuten Mittelungspegel (blau). (Bild: Anselm Goertz)

Die spektrale Zusammensetzung des Störpegels aus ABB. 05 lässt ein Schwergewicht im mittleren Frequenzbereich als typischen Verlauf für laute Stimmen und Gesänge erkennen. Der im Fan-Block bei tiefen Frequenzen zu erkennende Anstieg könnte auf Trommler im Fan-Block zurückzuführen sein.

Spektrale Verteilung des Störpegels im Sportstadion in den lauten Phasen
ABB. 05: Spektrale Verteilung des Störpegels im Sportstadion in den lauten Phasen. (Bild: Anselm Goertz)

Die Vorgehensweise zur Bewertung des Störpegels in einem Sportstadion die lautesten fünf Minuten eines Spiels heranzuziehen, gilt in Fachkreise als praxisnahe und sinnvoll. Unabhängig davon sollte man sich bei der Störpegelannahme immer der weiteren Konsequenzen bewusst sein. Ein Störpegel von 100 dBA zieht einen Sprachsignalpegel in einer Größenordnung von 110 dBA nach sich, die bei der Größe eines Stadions eine echte Herausforderung sind. Zusammenfassend wäre zum Thema Störpegelmessungen festzuhalten, dass jede Diskussion dazu eine aussagekräftige Datenbasis verlangt.

Diese lässt sich mit modernen Handpegelmessern in Form einer Langzeitmessung vergleichsweise einfach erstellen. Pauschal zunächst alle Pegelwerte auch für kurze Zeitintervalle abzuspeichern, stellt für die Geräte meist kein Problem mehr da. Zusätzlich kann auch noch das eigentliche Signal als Audiodatei aufgezeichnet werden, so dass später bei der Auswertung noch weitere Möglichkeiten bestehen und auch eine schnelle Kontrolle einzelner Ereignisse möglich ist.

Der Sprachsignalpegel. Vorsicht Falle!

Bislang drehte sich die Diskussion primär um das Thema Störsignal. Auf der anderen Seite steht der Nutzsignalpegel, meist für Sprachsignale, der sich hinreichend vom Störpegel abheben muss. Ob eine Lautsprecheranlage diesen Anspruch erfüllt, wird in der Planungsphase meist mit Hilfe von Simulationsprogrammen berechnet. Ist die Anlage dann installiert, gilt es den angestrebten Pegelwert durch eine korrekte Messung zu bestätigen. Diese Messung sollte unter realistischen Bedingungen erfolgen – entweder mit einem echten Sprachsignal, z. B. aus dem Sprachspeicher der Alarmierung, oder mit einem Sprachersatzsignal, das echter Sprache in der spektralen Verteilung und im Crestfaktor möglichst nahe kommt. Die mittlere spektrale Verteilung für Sprache, männlich oder weiblich, lässt sich in der EN 60268-16 nachlesen. Der Crestfaktor sollte ca. 12 dB betragen.

Das bedeutet, der Spitzenwert des Signals ist 12 dB größer (Faktor 4) im Vergleich zum Effektivwert. Das bekannte STIPA-Testsignal erfüllt genau diese Anforderungen. Besteht die Möglichkeit das STIPA-Signal oder ein vergleichbares kontinuierliches Signal auf die Anlage zu geben, kann die Messung direkt damit durchgeführt werden. Gemessen werden immer der Mittlungspegel Leq, als Summenpegel A- oder Z-bewertet, und die Oktavbandwerte der sieben Bänder von 125 Hz bis 8 kHz. Der Mittlungspegel Leq auf der akustischen Seite geht mit dem Effektivwert (RMS-Wert) der Spannung bzw. der mittleren Leistung Pavg auf der elektrischen Seite einher. Wo liegt jetzt die Gefahr?

Betrachten wir dazu ein einfaches Beispiel. Ein Lautsprecher wird mit einer mittleren Sensitivity im für Sprache relevanten Frequenzbereich von 100 dB 1 W/1 m und einer Belastbarkeit von 100 W angegeben. Grundsätzlich könnte man rechnen, dass dieser Lautsprecher bei 100 W einen Pegel von 120 dB erreicht, was so zunächst auch richtig ist. Betreibt man diesen Lautsprecher mit einem 100-W-Verstärker, der 200 W Spitzenleistung liefert und lastet diesen Verstärker in seinen Spitzen voll aus, dann wären das für ein Sinussignal mit 3 dB Crestfaktor 100 W mittlere Leistung und 200 W Spitzenleistung. Der Lautsprecher würde dann mit 100 W den erwarteten Leq von 120 dB und einen Spitzenpegel Lpk von 123 dB erreichen.

Haben wir jetzt aber ein Signal mit 12 dB Crestfaktor und steuern den Verstärker damit ebenfalls bis an seine Grenzen mit 200 W Peakleistung voll aus, dann beträgt die mittlere Leistung nicht mehr 100 W, sondern nur noch 12,5 W. Der gemessene Schalldruck als Spitzenwert Lpk wäre weiterhin 123 dB, der Mittlungspegel Leq würde aber nur noch 111 dB betragen. Da für die Bewertung des Sprachsignalpegels nur der Leq relevant ist, kann es so zu einer Diskrepanz von 9 dB zwischen der Berechnung und dem später messbaren Wert kommen, wenn der Crestfaktor des Signals nicht beachtet wird. Als Planer von Beschallungsanlagen sollte man daher den Crestfaktor immer im Hinterkopf haben und genau überlegen, welche tatsächliche mittlere Leistung der Lautsprecher mit einem Sprachsignal erhält.

Besteht keine Möglichkeit ein kontinuierliches Sprachersatzsignal für die Pegelmessung einzuspeisen, lässt sich die Messung auch mit einem echten Sprachsignal durchführen. Der Mittlungspegel ist hier zur Bewertung jedoch ungeeignet, da sich der Wert abhängig von der Länge der Sprachpausen ändern würde. Stattdessen wird jetzt der Perzentilpegel verwendet, der angibt, welcher Pegel zu x % der Messzeit erreicht wird. Damit werden nur die Teile des Signals ausgewertet, in denen auch gesprochen wird. Sprachpausen gehen nicht in die Bewertung ein, so dass man wieder ein quasi kontinuierliches Signal zur Auswertung hat. Bewährt hat sich der 5 % Perzentilpegel. Die ABB. 07 zeigt das Ergebnis für das Sprachsignal aus ABB. 06 als 5 % und 10 % Perzentilpegel und als Mittlungspegel. Der Unterschied beträgt 5,4 dB.

Oben ein echtes Sprachsignal mit kurzen Sprachpausen. Unten ein kontinuierliches Sprachersatzsignal, hier das STIPA Testsignal.
ABB. 06: Oben ein echtes Sprachsignal mit kurzen Sprachpausen. Unten ein kontinuierliches Sprachersatzsignal, hier das STIPA Testsignal. (Bild: Anselm Goertz)

 

Messwerte für ein Sprachsignal als Mittlungspegel und als 10 % bzw. 5 % Perzentilpegel
ABB. 07: Messwerte für ein Sprachsignal als Mittlungspegel und als 10 % bzw. 5 % Perzentilpegel (Bild: Anselm Goertz)

Sprachverständlichkeit – das Maß der Dinge

Für Lautsprecheranlagen und Sprachalarmanlagen insbesondere ist die erzielte Sprachverständlich die wichtigste Größe. Die Messung erfolgt heute in den meisten Fällen als STIPA-Wert (STI für PA-Systeme) mit drei Einflussgrößen. Dies sind der Basiswert, berechnet aus dem Modulationsverlust für Sprache, und die beiden peripheren Werte des Sprachsignalpegels und des Störpegels, beide zu messen in den sieben Oktavbändern von 125 Hz bis 8 kHz. ABB. 09 zeigt dazu ein Beispiel für die STIPA-Messung mit einem XL2 Handpegelmesser mit den sieben Oktavbandwerten für das STIPA-Testsignal und für den Störpegel.

Mit einem STIPA-Signal als Sprachersatzsignal gemessene Oktavbandpegel
ABB. 08: Mit einem STIPA-Signal als Sprachersatzsignal gemessene Oktavbandpegel (Bild: Anselm Goertz)
Beispiele für eine STIPA-Messung mit Oktavbandwerten für den Signalpegel und den Störpegel
ABB. 09: Beispiele für eine STIPA-Messung mit Oktavbandwerten für den Signalpegel und den Störpegel (Bild: Anselm Goertz)

Die Störpegelwerte stammen aus einer separaten Messung, die im normalen Betrieb der Örtlichkeit gemessen wurden. Bei der STIPA-Berechnung gehen beide Werte in Form des Störabstands ein und zusätzlich noch der Signalpegel über die Maskierung. Geht man streng nach der Norm für Sprach alarmanlagen vor, dann sind bei einer STIPA-Messung bei Werten unter 0,65 drei Messungen an jeder Position durchzuführen und über diese zu mitteln. Die anschließende Auswertung der Gesamtheit der STIPA-Werte eines Raumes oder Brandabschnittes erfolgt für Brandmeldeanlagen nach der Norm VDE 0833-4 und für Elektroakustische Notfallwarnsysteme nach der EN 60849, die aktuell durch die EN 50849 ersetzt wird.

Mit der EN 60849 gab es noch die Unterscheidung, dass nach EN 60849 die STIPA-Werte grundsätzlich ohne Einfluss der Maskierung berechnet wurden, da man sich hier auf eine alte 60268-16 Norm zur STI-Berechnung von 1998 ohne Maskierung bezog. Für alle aktuellen Normen und die VDE 0833-4 ist die Maskierung mit in die Berechnung einzubeziehen. Ein wichtiger Unterschied ist auch in der statistischen Auswertung nach VDE 0833-4 oder EN 50849 zu beachten. Für die VDE 0833-4 ist der finale Wert der Sprachverständlichkeit aus dem Mittelwert aller Messwerte abzüglich der Standardabweichung zu berechnen. Nach EN 50849 berechnet man nur den Mittelwert der besten 90 % der Messwerte. Letzteres ist wesentlich einfacher zu erfüllen und vermutlich auch ein gewisses Eingeständnis im Hinblick auf die sehr strengen Vorgaben der VDE 0833-4, die in schwierigen Fällen das eine oder andere Mal nicht zu erfüllen sind und dann zu juristischen Auseinandersetzungen führen.

Geht es um die Planung einer Lautsprecheranlage und die mindestens zu erreichende Sprachverständlichkeit, dann sind der zu erwartende Störpegel und die raumakustischen Verhältnisse die entscheidenden Ausgangswerte. Die Höhe des Störpegels entscheidet darüber wie leistungsfähig eine Anlage sein muss und die Raumakustik bestimmt, ob mit einem dezentralen Standardkonzept gearbeitet werden kann oder ob spezielle Lautsprecher mit einem verstärkten Richtverhalten einzusetzen sind. Die Grenze liegt bei einer mittleren Nachhallzeit von 1 bis 1,5 s. Alles darüber erfordert spezielle Lautsprecherkonzepte mit Linienstrahlern oder Hörnern.

 

Ergänzungen

Audiofachmann Thomas Steinbrecher hat sich als aktives Mitglied in den entsprechenden (Normierungs)-Gremien zu Wort gemeldet und noch einige wichtige Fakten angemerkt, die wir natürlich nicht unterschlagen wollen.

  1. Für die Messung des Sprachsignalpegels nach VDE 0833-4, Anhang D5 kann anstelle des Perzentilpegels, den nicht alle Geräte beherrschen, auch der LAeq gemessen und anschließend 3 dB addiert werden. Für das Beispiel aus Teil 3 lag die Differenz zwischen dem LAeq und dem LAF10% bei 3,5 dB, was somit gut passt.
  2. Zur statistischen Auswertung der STI-Messungen gibt es die Methoden „Mittelwert minus Standardabweichung“ nach VDE 0833-4 und „Mittelwert der besten 90%“ nach EN 50849. Die Auswertung entsprechend VDE 0833-4 führt im Regelfall zu deutlich schlechteren finalen Werten für einen gemessenen Bereich bzw. Brandabschnitt. Die VDE 0833-4 lässt jedoch nach Abschnitt 6.1.1 unter bestimmten Umständen eine Absenkung des Grenzwertes von 0,5 auf 0,45 zu. Die bestimmten Umstände werden dort wie folgt beschrieben: „akustische Randbedingungen, die geprägt sind durch eine problematische Raumakustik (hohe Nachhallzeit), aber vor allem auch durch hohes Hintergrundgeräusch“. Die Anforderungen dürfen nicht unter STI = 0,45 abgesenkt werden. Ebenso ist eine weitere Absenkung der Anforderung im Fehlerfall nicht zulässig.

Ausblick

Im vierten Teil dieser Artikelreihe wird es neben der wichtigen Größe der Nachhallzeit um die Definition der wichtigen Größe des Beurteilungspegels zur Geräuschimmission und um die viel genutzte RTA (Real Time Analyser) Funktion der Pegelmesser gehen. In einem kleinen Themenspezial werden wir zudem das Smartphone mit entsprechenden APPs als Alternative zum klassischen Handpegelmesser unter die Lupe nehmen. Weitere Themen werden in Zukunft noch die vielfältigen Möglichkeiten der weiteren Auswertung von Messwerten mit Hilfe von PC Programmen sein.

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