Grundlagen der akustischen Messtechnik

27/11/2020 | Wissen

Welche schallrelevanten Größen gibt es eigentlich in der akustischen Messtechnik und was sagen diese aus? Wie funktioniert ein Messmikrofon? Und was ist eigentlich die ominöse Einheit Dezibel [dB]?
Diese Fragen haben Sie sich auch schon öfters gestellt? Dann haben wir hier nicht nur die dazugehörigen Antworten für Sie, sondern noch einiges mehr an Informationen zum Thema akustische Messtechnik!

Welche schallrelevanten Größen gibt es in der akustischen Messtechnik?

Eine allgemeine Definition für den Begriff Schall besagt, dass Schall jene physikalische Erscheinung ist, die den Gehörsinn erregt und dort Ton, Klang und Geräuschempfindung auslöst. Kurz gesagt – Schall ist alles, was wir hören. Das Medium, in dem sich Schall verbreitet, ist üblicherweise die Luft. Schall kann sich aber auch in anderen gasförmigen Medien oder beispielsweise ebenfalls in Wasser.

Die Ausbreitung erfolgt wellenförmig, daher taucht in der akustischen Messtechnik immer wieder der Begriff Schallwellen auf. Jede Schallwelle kann man durch eine unendliche Summe an überlagerten Sinuswellen mathematisch beschreiben. Dieser mathematische Ansatz ist allgemein als Fourier-Reihenentwicklung bekannt.

Breitet sich Schall im Raum aus, ist die Schallgeschwindigkeit [m/s] eine wichtige Größe. Diese gibt an, wie lange es dauert, bis eine Schallwelle von Punkt A zu Punkt B gelangt. Wichtig ist hier zu wissen, dass die Schallgeschwindigkeit temperaturabhängig ist. Je wärmer es ist, desto höher ist auch die Schallgeschwindigkeit. Bei einem angenommenen Richtwert einer Schallgeschwindigkeit von 340 m/s bewegt sich also eine Schallwelle in einer Sekunde 340 m weiter.

Mit jemandem auf einer Wellenlänge zu sein, das ist eine Sache. Wenn man von der Wellenlänge in der Akustik spricht, meint man aber ganz was anderes. Hier beschreibt diese Größe nämlich die räumliche Länge einer Periode der Schallwelle und ist die Verknüpfung der Schallwellen-Frequenz mit der Schallgeschwindigkeit. Gemessen wird die Wellenlänge in Metern. Nicht nur in der akustischen Messtechnik braucht man die Berechnung der Wellenlänge, auch in der Elektrotechnik ist sie eine wichtige Größe. Um die Ausbreitung von Licht- oder Radiowellen zu messen, wird ebenfalls die Wellenlänge verwendet, allerdings anhand der Lichtgeschwindigkeit statt der Schallgeschwindigkeit.

Eine der wichtigsten Größen in der Akustik ist der Schalldruck. Dieser ist genau die Größe, die man mit einem Mikrofon messen kann. Schalldruck wird in Pascal gemessen und ist aufgeschlüsselt genau dasselbe wie die physikalische Größe Druck und beschreibt die Kraft pro Fläche.

Neben dem Schalldruck gibt es auch noch den sogenannten Schalldruckpegel.

Die sogenannte Schallschnelle beschreibt die Partikelgeschwindigkeit des Mediums, durch welches die Schallwelle übertragen wird. Bildlich gesprochen beschreibt die Schallschnelle also die Geschwindigkeit, mit der ein Luftmolekül um seine Ruheposition schwingt. Die Ruhegeschwindigkeit beträgt dabei definitionsgemäß 50 nm/s. Die Schallleistung ist die Energie, die durch eine Schallwelle übertragen wird. Mathematisch ist die Schalleistung P der Schalldruck multipliziert mit der Schallschnelle und einer fixen Oberflächengröße, durch die sich dieses Produkt bewegt.
Auch hier gibt es den sogenannten Schallleistungspegel.

Beispiel: Unterschied zwischen Schalldruck und Schallleistung in der Akustik

Wenn man sich einen Heizkörper in einem Raum vorstellt, so hat dieser eine gewisse elektrische oder thermische Leistung. Diese sorgt dafür, dass man im Raum eine gewisse Temperatur hat. Die Leistung des Heizkörpers ist immer die gleiche und unabhängig vom Raum. Abhängig vom Raum ändert sich dabei nur die Temperatur. Je weiter man allgemein vom Heizkörper weg ist, desto geringer ist die Temperatur. Ähnlich wie dieses Beispiel kann man sich auch den Zusammenhang zwischen Schalldruck und Schallleistung vorstellen. Die Schallleistung ist die Ursache des Schalldrucks. Zum Beispiel hat ein Staubsauger eine gewisse Schallleistung und gibt daher ein gewisses Geräusch ab. Diese Leistung ist unabhängig vom Raum immer die gleiche. Auch hier gilt wieder – je weiter man von der Schallquelle weg ist, desto geringer ist der Schalldruck. Besonders bei Elektrogeräten ist Schallleistung ein Thema. Diese ist als Dezibel-Wert auf diversen Etiketten angegeben und spiegelt die Schallleistung wider.

schalldruck-schallleistung-erklärung

Wie funktioniert ein Messmikrofon?

Um in der Akustik etwas messen zu können, braucht man einen Sensor und um Schalldruck zu messen, benötigt man ein Messmikrofon. Die häufigste Bauform der Wandler-Arten bei Messmikrofonen ist die sogenannte IEPE (Integrated Electronics Piezo Electric) Wandler-Art. Als Wandler ist hier ein piezoelektrisches Material, wie z.B. Quarz oder Keramik, verbaut. IEPE-Wandler sind auch als ICP oder CCLD bekannt. Der Sinn eines Messmikrofons ist es, eine Schallwelle in eine elektrische Größe umzuwandeln. Und wie funktioniert das? Wenn keine Ladung auf den Wandler trifft, sind alle Ladungen untereinander ausgeglichen. Wenn allerdings eine Kraft in Form von Schalldruck auf diesen Wandler wirkt, dann kommt es zu einer Ladungsverschiebung. Diese Ladungsverschiebung kann man als Spannung messen. Sie ist proportional zum Schalldruck und wird über ein Kabel (meist BNC) an den Messeingang weitergeleitet. Ein Verstärker, der im Sensor verbaut ist und die Ladungsdifferenz in eine Spannung umwandelt, muss mit Strom versorgt werden. Dieser Versorgungsstrom ist als sogenannter Excitation Current in den Datenblättern angegeben und liegt meist zwischen 2 und 20 mA. Die Stromversorgung erfolgt direkt vom Messeingang über die Signalleitung. Einige Vorteile von IEPE-Messmikrofonen sind ein hoher Dynamikumfang, sehr geringes Grundrauschen von lediglich 5 dB(A) und Schalldruckpegelmessungen bis zu 180 dB(A). Weiters haben diese Mikrofone einen linearen Frequenzgang und Kabellängen bis zu 100 m können problemlos realisiert werden.

Was ist der Unterschied zwischen dem erklärten Mikrofon und einem Konzertmikrofon?

Zum einen besteht der Unterschied natürlich in der Größe und Bauform. Das Bühnenmikrofon muss gut in der Hand liegen, während das Messmikrofon so klein wie möglich sein muss. Ebenso unterscheidet sich die Wandler-Art der beiden Typen. Im Messmikrofon sind meistens piezoelektrische Wandler verbaut. In einem Konzertmikrofon sind entweder dynamische Wandler oder Kondensator-Wandler im Einsatz, um den Schalldruck in ein elektrisches Signal umzuwandeln. Konzertmikrofone haben bewusst keinen linearen Frequenzgang, um ein natürlicheres Klangerlebnis zu ermöglichen.

Die Messeinheit Dezibel in der Akustik

Die physikalische Einheit druck wird in Pascal [Pa] oder Bar [bar] gemessen, Schalldruck wird immer in Pascal [Pa] angegeben. Das menschliche Gehör kann Schalldruck von ca. 20 µPa bis 200 Pa wahrnehmen. Dabei handelt es sich um einen riesigen Dynamikbereich, der sich über 7 Dekaden erstreckt. Um die Übersicht zwischen Nullen und Nachkommastellen über den gesamten Dynamikbereich nicht zu verlieren, wurde Dezibel [dB] als Einheit eingeführt. Der gesamte Dynamikbereich zwischen 20 µPa und 200 Pa lässt sich dadurch überschaubar in 0 bis 140 dB abbilden. Sobald man nicht mehr nur vom Schalldruck, sondern vom Schalldruckpegel oder Schallleistungspegel statt Schallleistung spricht, liegen Werte immer in der Einheit dB vor.

Unser Gehör kann einen Frequenzbereich von etwa 20 Hz bis 20 kHz wahrnehmen. Mit einem Alter von etwa 20 Jahren wenn das Gehör voll entwickelt ist, kann man eine Frequenz von bis zu 20 kHz wahrnehmen. Mit zunehmendem Alter nimmt die obere Hörschwelle mit etwa 2kHz pro Lebensjahrzehnt ab. Das Gehör hat eine gewisse Hörschwelle unterhalb welcher der Schalldruckpegel nicht mehr wahrgenommen werden kann. Bei ca. 120 dB liegt die Schmerzgrenze des Gehörs. Gehörschäden sind aber schon bei einer dauerhaften Belastung von ca. 85 dB möglich, was in etwa der Lärmbelastung durch eine Hauptverkehrsstraße entspricht.

Akustik_Gehör_Frequenzbereich

Und was ist nun dB(A)?

Wenn man irgendwo die Einheit dB(A) liest, dann hat dies mit Frequenzgewichtung zu tun. Wozu braucht man diese Gewichtung und warum ist sie wichtig? Nicht alle Frequenzen werden vom Gehör gleich laut wahrgenommen. Phonkurven beschreiben diese nicht lineare Eigenschaft des Gehörs. Phon – die psychoakustische Einheit für Lautheit – beschreibt mit welchem Schalldruckpegel ein Schallereignis wiedergegeben werden muss, damit es über den gesamten Frequenzbereich gleich laut wahrgenommen wird.

Ein Beispiel dazu: Um einen 1-kHz-Ton und einen 50-Hz-Ton gleich laut mit 60 Phon wahrzunehmen, müsste der 1-kHz-Ton mit 60 dB und der 50-Hz-Ton mit ca. 80 dB wiedergegeben werden.

Akustik_Phonkurven

Um das nicht lineare Verhalten des Gehörs messtechnisch und akustisch besser berücksichtigen zu können, wurden Frequenzbewertungskurven eingeführt. Dafür wurden einst vier unterschiedliche Kurven eingeführt:

die A-Bewertung für leise Schallpegel (bis ca. 30 phon)
die B-Bewertung für mittlere Schallpegel (bis ca. 60 phon)
die C-Bewertung für laute Schallpegel (bis ca. 90 phon)
die D-Bewertung für sehr laute Schallpegel (z.B. Flugzeuglärm)

Akustik_Frequenzgewichtung

Signalverarbeitungstechnisch entspricht die Frequenzgewichtung der Multiplikation des Messsignals mit der jeweiligen Frequenzgewichtungskurve im Frequenzbereich. Beim gewichteten Signal gibt man nicht nur die Einheit dB an, sondern in Klammer die Gewichtungsart, die verwendet wurde – also dB(A), dB(B), dB(C) oder dB(D). Wurde keine Gewichtung verwendet, so gibt man dB(Z) and, wobei das Z für zero steht. In der Praxis wird heutzutage allerdings fast ausschließlich die A-Kurve verwendet. Daher liest man am öftesten dB(A) als Einheit.

Erst kürzlich haben unsere Kollegen Rafael und Sven ein Webinar zum Thema „Akustische Messtechnik – Theoretische Grundlagen für die Praxis“ abgehalten. Falls Sie noch mehr über das Thema erfahren möchten, dann steht Ihnen das Video unseres vergangenen Webinars zur Verfügung. Für weitere Fragen über akustische Messtechnik können Sie auch gerne Rafael oder Sven kontaktieren. Hier finden Sie eine übersicht über unsere bevorstehenden Webinare.