Lärm-Monitoring ist die langfristige Lärmmessung zur Beurteilung der Lärmbelastung in einem bestimmten Gebiet mit Hilfe von Lärmüberwachungssystemen. Ziel des Lärm-Monitorings ist es, die Quellen der Lärmbelästigung zu ermitteln und ihre Auswirkungen auf die umliegende Bevölkerung zu bewerten. Beispiele für das Lärm-Monitoring sind die Bewertung der Auswirkungen neuer Bauprojekte oder die Überwachung der Einhaltung von Lärmverordnungen.
Es gibt zwei Hauptarten des Lärm-Monitorings: die Arbeitsplatzüberwachung und die Umgebungslärmüberwachung, die jeweils vom Standort der Lärmquelle abhängen. Die Umweltlärmüberwachung ist eine der häufigsten Arten der Umweltüberwachung und wird meist mit Hilfe eines Überwachungssystems durchgeführt. Beim Lärm-Monitoring handelt es sich um eine langfristige Geräuschüberwachung, ohne dass ein Mensch eingreifen muss.
Im Jahr 2022 hat die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) der SV 307A die Zulassung für den weltweit ersten Schallpegelmesser der Klasse 1 mit MEMS-Mikrofon erteilt. Dies ist ein wichtiger Wendepunkt in der Geschichte der MEMS-Mikrofone in der Umweltlärmüberwachung.
Nachdem das österreichische Bundesamt für Eich- und Vermessungswesen (BEV) im Jahr 2014 das Lärmdosimeter SV 104 als ersten Schallpegelmesser der Klasse 2 mit MEMS-Mikrofon zugelassen hatte, wurde der Markt der Lärmüberwachung am Arbeitsplatz revolutioniert.
Das Lärm-Monitoring-System, wie es in ISO 1996-2 beschrieben ist, besteht aus einem Lärmmessgerät und einer Datenerfassungszentrale sowie der gesamten Hard- und Software, die für die Überwachung des Umgebungslärms verwendet wird.
Der Begriff Lärmmonitor, auch „Noise Monitoring Terminal“ (NMT) genannt, bezieht sich auf Geräte zur automatisierten kontinuierlichen Schallüberwachung, die die A-bewerteten Schalldruckpegel, ihre Spektren und alle relevanten meteorologischen Größen wie Windgeschwindigkeit, Windrichtung, Regen, Feuchtigkeit und atmosphärische Stabilität überwachen (siehe ISO 1996-2:2017).
Lärmüberwachungsgeräte der Klasse 1 sind mit Schallpegelmessern der Klasse 1 identisch, wenn es um die Erfüllung der Leistungskriterien der IEC 61672 geht. Da es keine spezifische Norm für Lärmüberwachungsgeräte gibt, sind die beiden Normen, die für den Bau von Lärmüberwachungsgeräten verwendet werden, IEC 61672-1 über die Fähigkeit des Geräts, Schallpegel zu messen, und ISO 1996-2 für Überwachungsanwendungen.
Im Folgenden sind die wesentlichen Leistungskriterien für Lärmüberwachungsgeräte aufgeführt, die in der IEC 61672-1 definiert sind: linearer Betriebsbereich, Richtcharakteristik, Frequenzgang und Temperaturbetriebsbereich.
Weitere Anforderungen beziehen sich auf die Messanwendung, einschließlich Langzeitstabilität, Robustheit gegenüber Umwelteinflüssen, Stromversorgung und Kommunikation. ISO 1996-2 enthält zusätzliche Kriterien wie GPS, Frequenzanalyse und Überwachung der Wetterbedingungen (Wind, Regen, Temperatur, Feuchtigkeit), die in diesem Artikel nicht behandelt werden.
Der Zweck eines Lärmmonitors besteht darin, Daten über den Lärmpegel an einem bestimmten Ort zu liefern, damit dieser mit den festgelegten Lärmgrenzwerten verglichen werden kann.
Ein Lärmmonitor kann zur Bewertung der Qualität verschiedener Lärmarten eingesetzt werden. Lärmmessgeräte entsprechen der Norm ISO 1996-2 und sind für die Messung der folgenden Hauptumgebungslärmquellen bestimmt: Straßenverkehr, Schienenverkehr, Flugverkehr und Industrieanlagen.
Umgebungslärmüberwachungsgeräte müssen die Anforderungen erfüllen, die mit der Messanwendung verbunden sind, einschließlich Langzeitstabilität, Robustheit gegenüber Umwelteinflüssen, Energieversorgung und Kommunikation. ISO 1996-2 enthält zusätzliche Kriterien wie GPS, Frequenzanalyse und Überwachung der Wetterbedingungen (Wind, Regen, Temperatur, Feuchtigkeit).
Lärmdosimeter, Schallpegelmesser oder Lärmmessstationen werden für Lärmmessungen in verschiedenen Bereichen eingesetzt. Je nachdem, wie lange die Messungen dauern, wird der Lärmpegel gemessen (kurz) oder überwacht (lang). Zur Überwachung des Lärmpegels in der Umwelt sollte die Lärmmessstation am Messort gemäß den ISO-Verfahren installiert werden. Die Bedeutung der Auswahl des Messortes wird in ISO 1996-2: 2017 betont, in der es heißt, dass die Standorte für Messmikrofone so gewählt werden sollen, dass die Auswirkungen des Restschalls von relevanten Schallquellen minimiert werden.
In Anlehnung an die ISO 1996-2 wird die Umweltüberwachung mit Lärmmessgeräten durchgeführt, die in einer Höhe von 4 m angebracht sind, um den Einfluss von Restschall aus nicht relevanten Schallquellen zu minimieren.
Die Lärmüberwachung wird in der Regel über einen längeren Zeitraum im Freien durchgeführt. Unbeaufsichtigte Überwachung bedeutet, dass der Lärmmonitor kontinuierlich Lärm aufzeichnet, ohne dass ein Mensch darauf achten muss.
Die Online-Lärmüberwachung wird immer wichtiger, da wir uns bemühen, nachhaltigere Städte zu schaffen und die Gesundheit und das Wohlbefinden der in städtischen Gebieten lebenden Menschen zu schützen. Die Lärmdaten werden per Fernübertragung an ein Datenerfassungszentrum gesendet. Websites wie SvanNET bieten Zugang zur Online-Lärmüberwachung.
In Anlehnung an die ISO 9612 wird das Mikrofon mit einem kleinen Schallpegelmesser, dem so genannten Lärmdosimeter, der etwa 10 cm vom Ohr entfernt angebracht wird, an den Schultern des Arbeitnehmers befestigt. Diese Art der Überwachung der Lärmbelastung wird als Lärmdosimetrie bezeichnet.
Ein Lärm-Monitoring sollte immer dann erfolgen, wenn die Gefahr besteht, dass diese Grenzwerte überschritten werden. Als Ergebnis von Studien über die Zusammenhänge zwischen Lärm und Gesundheit sowie von politischen Entscheidungsprozessen in verschiedenen Ländern haben die Regierungen nationale Grenzwerte und Vorschriften für Umgebungslärm festgelegt.
Je nach den örtlichen Vorschriften können die zulässigen dB-Grenzwerte für Umgebungslärm unterschiedlich sein. In der Regel liegt der zulässige dB-Grenzwert für den Tag bei 65 dBA und für die Nacht bei 55 dBA.
Bei der Überwachung der Lärmqualität werden die Lärmpegel in einer Umgebung kontinuierlich überwacht, um sicherzustellen, dass sie innerhalb der zulässigen Grenzen bleiben. Je nach Anwendung kann die Überwachung der Lärmqualität auf unterschiedliche Weise erfolgen. Für die Überwachung der Lärmqualität am Arbeitsplatz werden häufig Schallpegelmesser und Lärmdosimeter verwendet. Die Lärmmessgeräte werden für Umweltmessungen verwendet.
Mit dem Erscheinen der neuen Generation von MEMS-Mikrofonen im Jahr 2019 können diese nun auch in der Umweltüberwachung eingesetzt werden. Seit 2013 werden MEMS-Mikrofone in der Lärmdosimetrie eingesetzt. Bis vor kurzem hatten Lärmdosimeter mit MEMS-Mikrofonen einen linearen Messbereich von 55 dBA RMS ÷ 140,1 dBA Peak, was für die Umweltüberwachung unzureichend war.
MEMS-Mikrofone reduzieren die Kosten des Überwachungssystems ohne Leistungseinbußen. Die Verwendung von MEMS-Mikrofonen hat in Bezug auf Überwachungssysteme eine sehr ähnliche Wirkung wie die von klassischen Kondensatormikrofonen. Durch den Einsatz von MEMS-Mikrofonen wird sichergestellt, dass Parameter wie der lineare Arbeitsbereich, der Frequenzgang und der Temperaturarbeitsbereich der IEC 61672-1 entsprechen.
Das Erscheinen von MEMS-Mikrofonen hat die Preisschranke gesprengt und den Preis von Lärmüberwachungsgeräten im Durchschnitt halbiert. Zusätzlich zu den NMT-Kosteneinsparungen sind auch die Preise für den Reparaturservice gesunken. MEMS-Mikrofone sind immun gegen Hochfrequenzstörungen (RFI) und elektromagnetische Störungen (EMI) und widerstandsfähig gegenüber Umwelteinflüssen. Langfristige akustische Überwachungsanwendungen in rauen Wintern unter Null Grad und heißen, feuchten Sommern erfordern diese Widerstandsfähigkeit gegenüber wechselnden Umweltbedingungen, was besonders wichtig ist.
MEMS-Mikrofone (Micro Electrical Mechanical System) bestehen aus drei Hauptbestandteilen: MEMS, ASIC und Gehäuse. Das MEMS-Mikrofon und der ASIC sind zusammen in einem Hohlraum untergebracht, der von einem Substrat und einem Deckel umgeben ist. Ein Schalleinlass (akustische Öffnung) befindet sich entweder im Substrat oder im Deckel und ist meist direkt im MEMS-Hohlraum positioniert.
Der MEMS-Sensor ist ein Siliziumkondensator, der aus zwei elektrisch isolierten Oberflächen besteht. Eine Fläche, die so genannte Backplate, ist fest und wird von einer Elektrode bedeckt. Die andere Fläche, die so genannte Membran, ist beweglich und hat viele Löcher, d. h. akustische Löcher.
Die andere ist beweglich und wird als Membran bezeichnet. Eine Schallwelle, die durch die akustischen Löcher der Rückplatte dringt, setzt die Membran in Bewegung und erzeugt eine Kapazitätsänderung zwischen den beiden entsprechenden Oberflächen. Diese wird von der anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC) in ein elektrisches Signal umgewandelt.
Der ASIC liefert je nach Mikrofontyp einen analogen oder digitalen Ausgang. Bei analogen MEMS-Mikrofonen wird das elektrische Ausgangssignal vom ASIC an einen externen Vorverstärker gesendet, der auch für die Umwandlung des Ausgangssignals in ein Signal zuständig ist, das als Eingang einer akustischen Kette verwendet werden kann.
Bei digitalen MEMS-Mikrofonen wird das ASIC-Ausgangssignal an einen internen Analog-Digital-Wandler (ADC) gesendet, der ein digitales Signal liefert, entweder im pulsdichtemodulierten PDM-Format (1-Bit-Datenstrom mit hoher Abtastrate) oder im I2S-Format (wie bei PDM-Mikrofonen, jedoch mit einem Dezimierungsfilter und einem seriellen Anschluss zur Erzeugung einer Standard-Audioabtastrate).
Die Mikrofonklasse und die Schallpegelmesserklasse werden oft miteinander verwechselt. Obwohl das Mikrofon ein abnehmbares Teil ist (um die direkte Einspeisung von elektrischen Prüfsignalen zu ermöglichen), werden in der Norm IEC 61672-1 die Anforderungen an ein Mikrofon nicht gesondert festgelegt. Die Leistungsanforderungen der Klasse IEC 61672-1 werden auf einen Schallpegelmesser mit Mikrofon als Ganzes angewandt.
Im Folgenden wird davon ausgegangen, dass ein Lärmmessgerät die IEC 61672-1 als Gesamtgerät und als Schallpegelmesser mit Mikrofon erfüllt.
Die Zukunft des Lärm-Monitorings ändert sich schnell, da neue Technologien auftauchen, die genauere und effizientere Methoden zur Messung und Analyse von Lärmpegeln ermöglichen. Jüngste Entwicklungen in der Sensortechnologie haben beispielsweise die Entwicklung von Schallmessgeräten ermöglicht, die nicht nur Umgebungslärm erkennen, sondern auch Daten in Echtzeit aufzeichnen und detaillierte Analysen von Lärmentwicklungen im Zeitverlauf liefern können. Darüber hinaus werden Algorithmen des maschinellen Lernens eingesetzt, um anspruchsvollere Lärmprognosemodelle zu entwickeln, die dabei helfen können, potenzielle Quellen der Lärmbelästigung zu identifizieren und Strategien zur Lärmminderung zu empfehlen. Letztendlich werden diese und andere Fortschritte in der Lärmüberwachungstechnologie dazu beitragen, eine nachhaltigere und lebenswertere Welt für alle zu schaffen.
Aufgrund der geringen Kosten und der sehr guten Leistung sind NMT-Systeme, die auf MEMS-Mikrofonen basieren, die einzig richtige Wahl für die Mehrpunkt-Lärmüberwachung in der Zukunft. Die Leistung von Lärmmessstationen, die auf MEMS und klassischen Kondensatormikrofonen basieren, ist durchaus vergleichbar. Die Verwendung von MEMS-Mikrofonen in Lärmmonitoren gewährleistet daher, dass Parameter wie linearer Betriebsbereich, Frequenzgang, Richtcharakteristik und Temperaturbetriebsbereich der IEC 61672-1 entsprechen.
