Nur wer die Geschichte kennt, kann auch das Heute verstehen…

Im Zusammenhang mit einer Web-Seiten-Bearbeitung des Abschnittes „Über das Rechnen mit Pegeln und dB“ und die Diskussion mit einem deutlich jüngeren Fachkollegen, warum manche Dinge heute so (für ihn) merkwürdig gehandhabt werden, entstand die Idee, auch einmal etwas über unsere damaligen Mess-„Werkzeuge“ zu schreiben. Wenn man heute in Museen die Tischlerwerkzeuge von „damals“ sieht und mit den heutigen Maschinen vergleicht, dann wundern sich Viele, dass man damals schon so schöne und kunstvoll gefertigte Möbel herstellen konnte. Viele dieser Werkzeuge kenne ich noch aus der Tischlerwerkstatt meines Vaters und weiß, dass so etwas durchaus ging. Man hatte (oder nahm sich) damals allerdings mehr Zeit dafür.

Schallpegelmesser aus der Frühzeit der Akustik findet man typischerweise nicht in Museen, allenfalls in Spezialsammlungen universitärer Institute. Die waren vom Prinzip her genauso aufgebaut wie heute: Mikrofon, Vorverstärker, Filterbank, Endverstärker und Anzeigeeinheit. Und doch waren sie ganz anders. Sie waren nämlich – wie beim damaligen Radio auch – aus Spulen, Widerständen und Kondensatoren zusammengebaut und die Verstärker waren zunächst mit Röhren bestückt, später dann mit Transistoren. Das brachte natürlich Volumen und Gewicht und mit zunehmender Erwärmung bei länger dauernden Messungen stellte sich auch eine gewisse „Abdrift“ ein. Bei meinen ersten „Vergleichsmessungen“ in der PTB in Braunschweig stand deshalb den „Prüflingen“ eine Zeitschaltuhr zur Verfügung, mit der die Geräte schon zwei Stunden vor Beginn der eigentlichen Prüfaufgabe eingeschaltet wurden.

An meiner Uni waren wir schon mit recht modernen Geräten ausgestattet, die meisten von Brüel & Kjaer. Da gab es nicht nur Messverstärker und Pegelschreiber, sondern auch ein durchstimmbares Filter mit verschiedenen im gesamten Frequenzbereich konstanten Bandbreiten und eine Terzfilterbank mit relativ zu den Frequenzen konstanter Bandbreite. Beide konnte man mit dem Pegelschreiber koppeln und dadurch eine automatische Frequenzanalyse starten. Die konnte schon mal 10 Minuten dauern und so lange musste das zu messende Geräusch dann auch konstant vorliegen. In unseren Labor-Versuchen analysierten wir deshalb vorrangig synthetische Signale. Das Geräusch bei der Vorbeifahrt eines im zweiten Gang beschleunigenden Autos als A-bewerteten Schallpegel zu messen (weit weg von jeder anderen Schallquelle in einem Parkgelände), dauerte länger als eine Stunde, bis wir Studenten der Meinung waren, das sei es jetzt.

Anhand dieser Messungen mit schwankenden Schallpegeln und Ablesung an dem Zeigerinstrument mit einem Anzeigebereich (ohne Umschalten) von nur 10 dB wurde uns verdeutlicht, wozu die verschiedenen Zeitbewertungen S, F, und I gut sind. S (für Slow) ließ den Zeiger weniger schwanken, sodass man besser ablesen konnte. Aber war das wirklich der richtige Wert, wenn doch F (für Fast) einen höheren und I (für Impuls) einen abermals höheren anzeigten? Außerdem war noch die Frage zu klären, wer von jeweils drei Studenten den richtigen Blickwinkel auf das Messinstrument hatte, sodass seine Aussage galt? Schön wäre an dieser Stelle der Pegelschreiber B&K 2307 aus dem Labor gewesen, dann hätte man hinterher in Ruhe vom Schreibstreifen ablesen können. Aber der wog nicht nur etliche Kilogramm, sondern er benötigte auch einen Netzanschluss.

Die folgende Beschreibung über die drei verschiedenen Zeitbewertungen S, F und I habe ich von der Webseite von NTi entnommen und ein klein wenig „ingenieurmäßig“ korrigiert. Danke für die Genehmigung!

Eine Schallpegelmessung beruht auf Änderungen des Luftdrucks, die durch eine Schallquelle hervorgerufen werden. Dabei schwankt der Schallpegel ständig und mit hohem Tempo. Würde das Messgerät ihn in Echtzeit darstellen, ließe sich der Wert aufgrund dieser raschen Änderungen kaum ablesen. Schallpegelmesser dämpfen daher die Reaktionsgeschwindigkeit der Anzeige, um das Ergebnis ablesbarer zu machen.

Dieses Verhalten nennt sich 'Zeitbewertung'. Ich finde aber den Begriff „Anzeigedynamik“ verständlicher, denn hiermit wurden ursprünglich die dynamischen Bewegungen des Zeigers im „Drehspul-Instrument“ für alle Hersteller und Geräte vereinheitlicht.

F und S (Fast und Slow)      
Die Norm IEC 61672-1 beschreibt zwei verschiedene Zeitbewertungen: Fast (F) und Slow (S). Beide dämpfen die Pegelanzeige bei einer plötzlichen Änderung des Schallpegels. Fast reagiert schneller als Slow. Wenn z.B. in einer leisen Umgebung plötzlich ein lautes, konstantes Geräusch eingeschaltet wird (Pegelsprung), braucht die Fast-Pegelanzeige ca. 0,6 s, um den neuen Wert zu erreichen, während die Slow-Anzeige den neuen Pegel erst nach ca. 5 s erreichen würde. Diese beiden Reaktionsgeschwindigkeiten ergeben sich aus den genormten Zeitkonstanten für F (t = 125 ms) bzw. S (t = 1 s). Sobald das Geräusch wieder abgeschaltet wird, folgt die F-Pegelanzeige mit einer Abfallrate von 34,7 dB/s, während der angezeigte S- Pegel nur mit 4,3 dB/s sinkt.

Die Frage ist natürlich, welcher Wert denn nun der „wirklich richtige“ ist?

Diese Beschränkung war aber überhaupt nicht einschneidend, denn inzwischen hatte man sich nicht nur in der deutschen Normung und Gesetzgebung, sondern auch international von der „überzogenen“ – wissenschaftlich durchaus richtigen – Betrachtungsweise verabschiedet und benutzte weder die B- und C-Filter noch die Dynamiken S oder I. Ein wesentlicher Grund dafür waren die deutlich geringeren Kosten derartiger Messgeräte, denn viele Überwachungsbehörden, Aufsichtsämter, Unfallkassen und andere waren im Zusammenhang mit Immissionsschutz und Arbeitsschutz mit Geräten auszustatten. Außerdem hatte man festgestellt, dass die freie Auswahl von Bewertungsfiltern oder Anzeigedynamiken durch die messende Person zu Mehrdeutigkeiten zwischen den Ergebnissen verschiedener Mess-Stellen führten. Durch diese Beschränkungen messen jetzt zwar Alle falsch, aber Alle messen „gleich falsch“. Für den Immissionsschutz wurde als „Ersatz“ für bestimmte Geräuscharten das Taktmaximalverfahren festgelegt, nach dem in Taktzeiten von 5 s Dauer die jeweils maximalen Schallpegel  L_AF aufgenommen und anschließend energetisch gemittelt werden.

Ein weiterer Nachteil war bei dem damaligen Gerät auch, dass die Anzeigedynamik mit der Mess- und Beobachtungsdauer gekoppelt war. Hier gab es keine genormten Zeitkonstanten. Bei kurzen Messzeiten war das Gerät flink, bei längeren aber träge und zeigte nur energetische Mittelwerte an. Maschinengeräusche und -schwingungen konnte man sehr gut messen; für die Impulse von Kegelbahnen, damals für uns eine häufige Messaufgabe, war der 2131 aber nur ein „Schätzeisen“. Hervorragend ließen sich auf dem Bildschirm die Einschwingzeiten der verschiedenen Terzfilter demonstrieren. Die sind ja umgekehrt proportional zur Filterbandbreite. Bei den Impulsen lief die Anzeige wie eine Welle von rechts (breite Filter) nach links (immer schmalere) über den Bildschirm.

Heute ist das alles Geschichte; die jüngeren Leser halten diese Berichte für Märchen, die etwas älteren für Sagen, aber die „ganz alten“ wissen, dass das alles einmal wahr war.

Wer heute Schallmessungen ausführt, der misst L_AF oder bei längeren Messungen L_Aeq. Fast alle Regelwerke benutzen diese „einheitlich falschen“ Messgrößen. Hier hat man die „wissenschaftliche Genauigkeit“ zugunsten einer „ingenieurmäßigen Handhabbarkeit“ reduziert.

Und doch gibt es Ausnahmen, denn „fast alle“ Regelwerke sind eben nicht „alle“. Die Schallpegel in dB(A) geben gute Hinweise auf die Lästigkeit von Geräuschen. Ob die geltenden Grenzwerte sachlich oder „nur“ wirtschaftlich begründet sind, soll hier nicht erörtert werden. Die wichtige Ausnahme, die ich hier noch beschreibe, bezieht sich nicht auf die Lästigkeit von Geräuschen, sondern auf die gesundheitliche Gefährdung des Gehörs, eine der häufigsten Berufskrankheiten.

Besonders gehörschädigend sind sehr kurze Schallimpulse, die unser Gehör als "gar nicht so laut" empfindet (hierzu zählen nicht nur die Schläge einer Dampframme sondern auch die vom Hammer eines Zimmermannes). Bei längeren lauten Geräuschen spannen sich die Muskeln im Mittelohr an und hindern Hammer, Amboss und Steigbügel daran, den ganzen Schall zum Innenohr durchzulassen. Diese Muskeln haben aber eine Reaktionszeit von etwa 35 ms. Impulse, die kürzer sind, haben "freie Fahrt". Deshalb misst man im Bereich des Gehörschutzes nicht mit der Zeitbewertung "fast", sondern richtigerweise mit "peak". Bei Schallpegeln mit L_CPk > 130 dB können bereits einzelne Impulse das Gehör bleibend schädigen.

Die unteren und oberen Auslösewerte zur Einleitung betrieblicher Schallschutzmaßnahmen wurden aus der EG-Richtlinie 2003/10/EG übernommen:
Unterer Auslösewert: L_Aeq = 80 dB(A) bzw.  L_CPk = 135 dB(C)
Oberer Auslösewert: L_Aeq = 85 dB(A) bzw. L_CPk = 137 dB(C)

In Bezug auf die Überschreitung des L_Aeq wird die Einwirkdauer von 8 Stunden betrachtet, für die Überschreitung des L_CPk reichen aber bereits einzelne Ereignisse.

Wie „gut“ man mit solchen Messungen wegmitteln kann, zeigt die Auswertung einer drei Minuten langen Messung mit dem XL2 von NTi in 0,1-s-Takten (also geringfügig kürzer als die F-Zeitkonstante. Im folgenden Diagramm sind nur die L_eq(t)-Werte der einzelnen Takte und der sich über die Messdauer entwickelnde L_eq dargestellt. Letzterer fängt bei den ersten Impulsen mit etwa 106 dB(A) an, nimmt dann aber aufgrund der Pausen bis zum Schluss auf 96 dB(A) ab. Das ist schon deutlich höher als der "obere Auslösewert L_Aeq = 85 dB(A)". 

Blendet man in das Diagramm auch die Maximalpegel der einzelnen Takte mit ein, dann tut sich hier noch nicht viel. Bei längeren Taktzeiten als nur 0,1 s werden die Unterschiede aber größer und kommen deutlicher heraus, weil sich dann die L_eq(t)-Werte verringern.

Betrachtet man aber in Bezug auf den Gehörschutz der Handwerker die C-bewerteten Peak-Max-Level, dann erkennt man im Vergleich zum L_Aeq gut, dass hier ein erhebliches Potenzial der Gehör-Gefährdung vorliegt. An dem festen Mikrofon-Standort blieb der "obere Auslösewert L_CPk = 137 dB(C)" knapp unterschritten. Die unterschiedlichen Abstände zum Nagler, die sich aufgrund von dessen Bewegungen während des Arbeitens am Werkstück ergaben, sind anhand der unterschiedlich hohen Pegelspitzen deutlich zu erkennen. Die Handwerker befinden sich aber ständig nahe am Gerät.

Für die Schallpegelabnahme mit dem Abstand gelten beim L_CPk auch in geschlossenen (auch in halligen) Räumen immer und bei allen Abständen die "Freifeld-Bedingungen" mit einer Pegelabnahme von 6 dB je Abstandsverdoppelung. Beim L_AF und auch L_Aeq tritt zwar eine Überlagerung mit dem Nachhall ein, sodass bei größeren Abständen in halligen Räumen die Pegellabnahme bis nahe 0 zurückgehen kann. Der L_CPk wird aber schon vor dem Einsetzen des Nachhalls gemessen. Deshalb bleibt es dort auch bei größeren Abständen bei der Freifeld-Situation. Dieser Effekt ist ganz zu Anfang des Pegelschriebes gut zu erkennen, als der Nagler sich von der Mikrofon-Position entfernte.

Wie gut, dass man so etwas heute vor Ort (und somit außerhalb von Hochschulen und Laboren) schnell und einfach sachgerecht messen kann!

Aber noch immer müssen sich Alle, Ingenieure ebenso wie Wissenschaftler,

die Frage stellen (oder stellen lassen), welcher Wert denn nun "der wirklich richtige" ist.

Darauf gibt es (mindestens) drei Antworten:

1. Hinweis auf die zulässigen Toleranzbereiche (3 dB) bzw. Klasseneinteilungen (5 dB)

2. "Ein dB ist kein dB"  im Gegensatz zu  "0 dB + 0 dB = 3 dB"

3. "Ich glaube nur den Messwerten, die ich selbst gefälscht habe."