Grundbegriffe der Akustik

Schall tritt in Form von elastischen Schwingungen in Gasen, Flüssigkeiten und Festkörpern auf. Die Frequenz, gemessen in Hertz (Hz), drückt die Anzahl der Schwingungen pro Sekunde aus.
Das menschliche Gehör nimmt ein Spektrum von tiefen Klängen ab ca. 20 Hz bis hin zu hohen Klängen von 15.000–18.000 Hz wahr.
Die Bauakustik beschäftigt sich in anspruchsvollen Fällen mit einem Frequenzgang von ca. 63 bis 8.000 Hz.
Lautstärke wird auf einer logarithmischen Skala in Dezibel (dB) gemessen, die in der Praxis von 0 dB bis 120–130 dB reicht. Diese Höchstwerte können das Gehör schädigen.
Durch Anlegen eines A-Filters, der die Frequenz berücksichtigt, kann die Lautstärke auch in dB(A) angegeben werden, die besser ausdrückt, wie das menschliche Ohr den Schall wahrnimmt.
Der Leq-Wert gibt den äquivalenten Dauerschallpegel wieder und wird zur Beschreibung der störenden oder schädigenden Wirkung von Lärm verwendet. Die Lärmgrenze zur Vermeidung von Gehörschäden am Arbeitsplatz beträgt 85 dB(A) über 8 Stunden, was 88 dB(A) über 4 Stunden, 91 dB(A) über 2 Stunden usw. entspricht.
Der Spitzenwert für einen einzelnen starken Knall (z. B. einen Schuss) wird als Peak (Lpeak) bezeichnet und darf 137 dB nicht übersteigen.

Eine Einführung in die Grundbegriffe der Akustik

Dieser Abschnitt gibt Ihnen eine Einführung in die Grundbegriffe der Akustik und in die mathematischen Grundlagen, die zur Berechnung von Schall und dessen Wahrnehmung im Raum erforderlich sind. Dieses Grundwissen hilft Ihnen dabei, die akustischen Fallen, die beim Bauen auftreten können, zu erkennen und zu vermeiden.

Als Schall bezeichnen wir elastische Schwingungen in Gasen, Flüssigkeiten oder Festkörpern. Im Grunde sind alle Stoffe elastisch, also verformbar, doch ist die Elastizität in der Luft am größten und in Festkörpern am geringsten. Nehmen Sie beispielsweise eine Fahrradpumpe, halten Sie das Ventil mit dem Daumen zu und pumpen Sie. Was Sie jetzt spüren, ist die Elastizität der in der Pumpe zusammengepressten Luft.

Abbildung 1: Ausbreitung einer ebenen Schallwelle in der Luft

Durch Schall werden die Moleküle der Stoffe in Schwingung versetzt. Ein gutes Beispiel ist die Membran eines Lautsprechers, die die Luftmoleküle in ihrer Umgebung verschiebt. Die so entstehende Schwingungsenergie wird auf die benachbarten Moleküle übertragen, wodurch der Schall (bzw. die Schallenergie) sich in der Umgebung weiter fortpflanzt. Wenn die Energie auf das Ohr trifft, wird das Trommelfell in Bewegung versetzt, und wir hören den Schall, sofern er die passende Tonhöhe (Frequenz) und Lautstärke besitzt (siehe Abb. 1).

Schallwellen bewegen sich auch in Festkörpern. Wenn wir mit der Bohrmaschine ein Loch in eine Wand bohren, pflanzt sich die Schallenergie innerhalb der Wand fort, teils sogar über lange Distanzen. Wer in einem Betonbau wohnt, kann ein Lied davon singen.

Abbildung 2:

Frequenz

Frequenz bezeichnet die Anzahl der (Schall-) Schwingungen pro Sekunde. Die Maßeinheit ist Hertz (Hz). Das menschliche Ohr ist in der Lage, Schwingungen im Frequenzbereich von 20 Hz (sehr tiefer Bass) bis 15.000–18.000 Hz (sehr hoher, heller Diskant) wahrzunehmen. Mit zunehmendem Alter geht die Fähigkeit, die höchsten Diskanttöne (z. B. das Zirpen einer Grille) zu hören, zurück; im Alter von 60 Jahren liegt die Grenze bei rund 10.000 Hz.

In der Gebäudeakustik beschäftigen wir uns vor allem damit, wie sich Baumaterialien in einem Frequenzbereich von ca. 125 Hz bis ca. 4.000 Hz verhalten. In besonders anspruchsvollen Situationen wird ein Frequenzbereich von 63 Hz bis 8.000 Hz berücksichtigt.

Die Lautstärke

Die Lautstärke hängt davon ab, wie stark die Schallwellen ausschlagen. Lautstärke lässt sich auf verschiedene Arten beschreiben, zumeist wird jedoch erfasst, wie hoch der Schalldruck ist. Der Schalldruckbereich, den das menschliche Ohr erfassen kann, ist enorm groß und reicht von sehr leise (geringer Schalldruck, wenig Ausschlag) bis sehr laut (hoher Schalldruck, starker Ausschlag).

Dabei sind die höchsten Schalldrücke etwa eine Million mal stärker als die geringsten, die wir noch wahrnehmen können. Aus diesem Grund ist es zweckmäßig, eine andere Messskala heranzuziehen: die so genannte Dezibel-Skala. Diese logarithmische Skala ist weit besser geeignet, um zu beschreiben, wie das Ohr unterschiedliche Lautstärken wahrnimmt. Sie beginnt bei 0 Dezibel (dB), was dem geringsten Schall entspricht, den wir wahrnehmen können. Der stärkste Schall, dem wir ausgesetzt sind, liegt bei etwa 120–130 dB. Die nebenstehende Skala zeigt eine Reihe von typischen Geräuschen und deren Schalldruckpegel in dB.

Lärmbarometer

Lärmbarometer. Ein Wert von 0 dB zeigt nicht etwa an, dass kein Schall vorhanden ist. Er beschreibt lediglich, dass das menschliche Ohr ihn nicht wahrnehmen kann. Es gibt also Geräusche, deren Lautstärke unterhalb von 0 dB liegt; wir können sie jedoch nicht hören.

Abbildung 3: Lärmbarometer

A-Bewertung

An die Lautstärke knüpfen sich noch einige weitere Begriffe, die damit zu tun haben, wie Schall auf unser Gehör wirkt und wie wir ihn empfinden.

Es zeigt sich nämlich, dass das menschliche Ohr nicht alle Frequenzen gleich stark wahrnimmt. Tiefe Töne werden generell schwächer wahrgenommen als hohe Töne. Die Empfindlichkeit des Ohrs variiert also mit der Frequenz. Wenn man die Stärke von Schall beurteilen will, empfiehlt es sich daher, einen Messwert zu verwenden, der dem Geräuschempfinden des menschlichen Gehörs Rechnung trägt.

Abbildung 4: A-Bewertung

Zu diesem Zweck wird der Schalldruckmesser mit einem so genannten „A-Filter“ versehen, der die tiefen Töne gegenüber den höheren dämpft, damit der Messwert in etwa der Art und Weise entspricht, wie wir den Schall hören. Der so gewonnene Messwert wird in dB(A) ausgedrückt. Wenn wir also eine Lärmpegelangabe von z. B. 65 dB(A) haben, bedeutet dies, dass der Lärm mit einem Schalldruckmesser gemessen wurde, der mit einem A-Filter ausgestattet war. Die weitaus meisten Lärmmessungen werden auf diese Art durchgeführt. Es gibt noch weitere Frequenzbewertungen und Filter, die jedoch eher selten Anwendung finden. Offizielle Lärmobergrenzen werden (fast) immer in dB(A) angegeben.

Äquivalenter Dauerschallpegel (Leq)

Die meisten Lärmbelästigungen, denen wir ausgesetzt sind, verändern sich mit der Zeit. Denken Sie beispielsweise an den Verkehrslärm und wie wir ihn vom Straßenrand aus wahrnehmen. Oder an den Lärm am Arbeitsplatz, der sich ebenfalls über den Tag hinweg verändert, mal mehr und mal weniger intensiv ist, Pausen aufweist und so weiter. Um diese Situationen beschreiben zu können, wird der äquivalente Dauerschallpegel herangezogen: Leq. Hier handelt es sich um eine reine Berechnungsgröße, für die der über einen Zeitraum (z. B. 8 Stunden) gemessene Schalldruckpegel gemittelt wird. Der Begriff wurde eingeführt, um Lärm, der sich mit der Zeit verändert (z. B. Verkehrslärm), durch eine einfache Zahl ausdrücken zu können, die die gleiche Lärmenergie wiedergibt wie der zu den einzelnen Zeitpunkten innerhalb des Messzeitraums herrschende Lärmpegel. Veränderlicher Lärm, gemessen über einen bestimmten Zeitraum, hat also eine bestimmte Gesamtenergie.

Abbildung 5:

Dass hier Energie als Vergleichswert erfasst wird, hängt damit zusammen, dass sich alle Theorien zu Lärmschädigungen und Lärmbelästigungen an die Lärmenergie knüpfen, der ein Mensch ausgesetzt ist. Das bedeutet, dass starker, kurzzeitiger Lärm dieselbe schädliche Wirkung hat wie schwächerer Lärm über längere Zeit. Diese Erklärung ist nicht in allen Fällen hinreichend, aber wir haben derzeit kein besseres Modell. Der äquivalente Dauerschallpegel ist stets mit einem Zeitraum verknüpft, da er eine Form von Energie ausdrückt. Wenn also ein Leq-Wert angegeben wird, muss dazu immer auch eine Zeitangabe gemacht werden, da der Wert sonst sinnlos ist. Die offizielle Lärmgrenze zur Vermeidung von Gehörschäden am Arbeitsplatz lautet deshalb:

"Leq = 85 dB(A) während einer täglichen Arbeitszeit von 8 Stunden"

Diese Lärmdosis entspricht rein rechnerisch z. B. 88 dB(A) über 4 Stunden oder 91 dB(A) über 2 Stunden usw. In allen drei Fällen ist die Lärmdosis dieselbe.

Der Grund dafür, dass wir den Leq-Wert benötigen, liegt darin, dass alle gesetzlichen und behördlichen Lärmvorschriften für Arbeitsplätze, Lärmemissionen im Freien, Verkehrslärm u. Ä. auf den äquivalenten Dauerschallpegel zurückgreifen. Wichtig ist dabei zu bedenken, dass es sich um einen Mittelwert handelt. Das heißt, dass kurzzeitig auch ein höherer Lärmpegel herrschen kann, der den Leq-Wert übersteigt, ohne dass dadurch eine zulässige Obergrenze verletzt wird.

Peak - der Spitzenwert

Wenn es um die Gefahr von Gehörschäden geht, benötigen wir einen weiteren Begriff, der den Spitzenwert des Schalldrucks ausdrückt: Peak. Gemeint ist der maximale Schalldruck, der in einer Geräusch- oder Tonsequenz vorkommt. Der Begriff des Peak lässt sich am einfachsten verstehen, wenn man sich einen Impulslaut vorstellt – einen Schuss oder einen Trommelschlag zum Beispiel. Der akustische Peak-Wert wird durch das Formelzeichen Lpeak wiedergegeben und in dB gemessen.

Man kann sich vorstellen, das der äquivalente Dauerschallpegel (Leq) eines Schusses selbst über kurze Zeit gemessen sehr gering ausfällt, da die Dauer des Schusses nur einige Millisekunden beträgt. Dennoch können starke Schallimpulse zu dauerhaften Gehörschäden führen. Es gibt Anzeichen dafür, dass die Theorie vom äquivalenten Dauerschallpegel nicht ganz schusssicher ist (sorry!). Deshalb sind einige Schalldruckmesser mit einer so genannten Impuls- oder Peak-Anzeige ausgestattet, die den absoluten Spitzenwert erfasst, der z. B. beim Messen eines Schusses auftritt.

Die Messung von Impulslärm erfolgt also mit einem entsprechend ausgerüsteten Schalldruckmesser. Der Messwert wird mit Lpeak bezeichnet, z. B. Lpeak = 127 dB. Die offiziellen Grenzwerte besagen, dass das menschliche Ohr keinem Peak (Spitzenwert) über 137 dB ausgesetzt werden darf.

>> Lesen Sie auch den nächsten Abschnitt über Nachhall und Absorption