Schalldruckpegel SPL
Der Schalldruckpegel (SPL), ausgedrückt in Dezibel (dB), wird üblicherweise in der Akustik verwendet. Es kann in der Luft mit einem Mikrofon und im Wasser mit einem Hydrophon gemessen werden.
Der Schalldruckpegel (SPL), ausgedrückt in Dezibel (dB), wird üblicherweise in der Akustik verwendet. Es kann in der Luft mit einem Mikrofon und im Wasser mit einem Hydrophon gemessen werden.
Gut zu wissen
Der Schalldruckpegel ist ein logarithmisches Maß für den effektiven Schalldruck relativ zu einem Referenzwert, definiert in dB (Dezibel). Der üblicherweise verwendete Referenzschalldruck in Luft beträgt 20 μPa, was oft als die Schwelle des menschlichen Gehörs angesehen wird. Die untere Grenze der Hörbarkeit wird als SPL von 0 dB definiert. Die größte Druckschwankung, die eine unverzerrte Schallwelle in der Erdatmosphäre haben kann, beträgt 1 atm (194 dB Spitze oder 191 dB SPL).
Der Schalldruck ist die durch eine Schallwelle verursachte örtliche Abweichung vom atmosphärischen Umgebungsdruck. Es kann in der Luft mit einem Mikrofon und im Wasser mit einem Hydrophon gemessen werden. Der Schalldruck wird in Pascal (Pa) gemessen. Die mathematische Definition des Schalldrucks ist der Gesamtdruck, der gleich statischem Druck plus dynamischem Druck ist (Schallwechseldruck). Die komplementäre Variable zum Schalldruck in einer Schallwelle ist die Teilchengeschwindigkeit, die zusammen die Schallintensität der Welle bestimmt.
SPL-Messungen können auf mögliche Hörschäden hinweisen. Schalldruckpegel über 85 dB über einen längeren Zeitraum können Gehörschäden verursachen, während Schalldruckpegel über 120 dB sofortige und dauerhafte Gehörschäden verursachen können. Daher ist es wichtig, SPL-Pegel zu messen und geeignete Maßnahmen zu ergreifen, um sich vor lauter Lärmbelastung zu schützen, wie z. B. das Tragen von Ohrstöpseln oder Ohrenschützern.
Die Schallfrequenz beeinflusst SPL-Messungen, da das menschliche Ohr auf unterschiedliche Frequenzen unterschiedlich empfindlich reagiert. Daher verwenden Schallpegelmesser Frequenzbewertungsfilter wie die A-, B- und C-Bewertungsfilter, um die SPL-Messungen so anzupassen, dass sie der Empfindlichkeit des menschlichen Ohrs bei verschiedenen Frequenzen entsprechen. A-bewertete Filter werden üblicherweise zur Messung von Umgebungsgeräuschen verwendet, da sie die Empfindlichkeit des menschlichen Ohrs für mittelfrequente Geräusche am besten abbilden. B-bewertete Filter betonen höhere Frequenzen, während C-bewertete Filter tiefe Frequenzen betonen.
Um den SPL zu berechnen, nehmen Sie das Verhältnis des Schalldrucks zum Referenzpegel des Schalldrucks und nehmen dann den Logarithmus (Basis 10) dieses Verhältnisses und multiplizieren es dann mit 20. Dies ergibt den SPL in Dezibel (dB).
Wenn der Schalldruck beispielsweise 20 µPa beträgt, dann ist das Verhältnis des RMS-Schalldrucks zum Referenzpegel des Schalldrucks 20/20 = 1. Logarithmieren (zur Basis 10) dieses Verhältnisses ergibt 0 und multiplizieren mit 20 ergibt einen SPL von 0 dB. Dies ist der niedrigstmögliche SPL, der der Hörschwelle entspricht.
Wenn andererseits der Schalldruck 200 µPa beträgt, dann ist das Verhältnis des RMS-Schalldrucks zum Referenzschalldruckpegel 200/20 = 10. Die Logarithmierung (Basis 10) dieses Verhältnisses ergibt 1, und Multiplizieren mit 20 ergibt einen SPL von 20 dB. Das ist deutlich lauter als die Hörschwelle, aber immer noch relativ leise.
Mit zunehmendem Schalldruck steigt auch der SPL. Bei einem SPL von 120 dB gilt der Schall als an der Schmerzgrenze, jeder lautere Schall kann zu bleibenden Hörschäden führen.
Bei der Messung des Schalldrucks in Pa entspricht das Hinzufügen von 20 dB zum dB-Pegel einer Multiplikation des Schalldrucks mit 10. Beispielsweise entsprechen 200 µPa 20 dB (re 20 µPa), während 2000 µPa 40 dB entsprechen.
Der Referenzwert für SPL (Sound Pressure Level) ist der minimale vom menschlichen Ohr wahrnehmbare Schalldruckpegel, der 0 dB SPL entspricht. Dies entspricht einem Schalldruck von 20 µPa (Mikropascal), der auch als Hörschwelle bezeichnet wird. Mit dem Referenzwert wird die Differenz der Schalldruckpegel zwischen dem gemessenen Schalldruck und dem minimal hörbaren Schalldruck berechnet. Die Schalldruckpegel werden in dB SPL ausgedrückt, was ein logarithmisches Maß für den Schalldruckpegel relativ zum Referenzwert ist.
ISO 1999 definiert den Schalldruckpegel (Lp) durch die folgende Formel:
Lp=10lg (p/p0)2
wobei p der Schalldruck in Pascal und der Referenzschalldruck p0 20 μPa gemäß ISO 1683 ist.
Der A-bewertete Schalldruckpegel LpA
LpA=10lg (pA/p0)2
wobei pA der A-bewertete Schalldruck in Pascal ist.
Der Mensch nimmt Schalldruckpegel auf einer logarithmischen Dezibelskala wahr, was dem niedrigsten für den Menschen hörbaren Schalldruck von etwa 20 μPa (20 Mikropascal) entspricht, der auch als 0 dB bezeichnet wird. Der niedrigste Schalldruckpegel, den Menschen hören können, liegt typischerweise zwischen 3000 und 4000 Hz. Ein Schalldruck von etwa 60 Pa kann im normalen menschlichen Ohr Schmerzen verursachen.
Aufgrund großer Änderungen der Schalldruckamplitude wird der Schalldruckpegel in Dezibel (Lp) und nicht in Pascal-Einheiten verwendet. Unter Verwendung der Formel Lp=10lg (p/p0)2, wobei p der Schalldruck in Pascal und p0 der Referenzschalldruck von 20 μPa ist. Diese Formel drückt den Schalldruckpegel als logarithmische Funktion des Verhältnisses des Schalldrucks zum Referenzdruck aus. Eine Verdoppelung des Schalldrucks in Pascal erhöht den Schalldruckpegel in Dezibel um 6 dB.
Auf der Dezibelskala reichen hörbare Geräusche von 0 dB, der Hörschwelle, bis über 130 dB, der Schmerzschwelle. Eine Verdopplung des Schalldrucks entspricht zwar einer Erhöhung um 6 dB, jedoch dauert es etwa 10 dB Erhöhung, bis der Schall subjektiv doppelt so laut erscheint. Die kleinste für Menschen hörbare Änderung beträgt etwa 3 dB.
Der Schalldruckpegel (SPL) kann subjektiv anhand der Dezibel (dB)-Skala beschrieben werden. Ein Bereich von 0 bis 40 dB gilt als leise bis sehr leise, während 60 bis 80 dB allgemein als laut bezeichnet werden. Ein Schalldruckpegel von 100 dB wird als sehr laut empfunden, Werte über 120 dB sind unerträglich.
Die Empfindlichkeit des menschlichen Ohrs gegenüber verschiedenen Frequenzen ist nicht gleich, wobei der empfindlichste Bereich zwischen 2 kHz und 5 kHz liegt. Das bedeutet, dass die subjektive Lautstärke eines Schalls nicht allein durch seinen Schalldruckpegel bestimmt wird, sondern auch durch andere komplexe Faktoren. Außerdem ist dieser Unterschied in der Frequenzempfindlichkeit bei niedrigen Schalldruckpegeln ausgeprägter als bei hohen. Die Konturen gleicher Lautstärke in der Abbildung zeigen den Schalldruckpegel, der bei einer beliebigen Frequenz erforderlich ist, um die gleiche scheinbare Lautstärke wie ein 1-kHz-Ton zu erzeugen. Beispielsweise muss ein 50-Hz-Ton 15 dB höher sein als ein 1-kHz-Ton mit einem Pegel von 70 dB, um die gleiche subjektive Lautstärke zu haben.
Impulsgeräusche hingegen stellen eine Herausforderung bei der Bewertung der Lautstärke dar. Ein Impulston ist ein Ton, der weniger als eine Sekunde dauert. Das Ohr ist aufgrund ihrer kurzen Dauer weniger empfindlich für die Wahrnehmung der Lautstärke solcher Geräusche. Beispielsweise sind Schreibmaschinen- und Hämmergeräusche Beispiele für Impulsgeräusche. Forscher sind sich im Allgemeinen einig, dass Geräusche, die kürzer als 70 Millisekunden sind, eine geringere wahrgenommene Lautstärke haben als Geräusche von längerer Dauer mit dem gleichen Schalldruckpegel.
Der Schalldruckpegel einiger Quellen kann je nach Entfernung zwischen Quelle und Zuhörer variieren. Die Werte in dieser Tabelle dienen als allgemeine Richtlinie:
| Quelle | Schalldruckpegel (dB) |
|---|---|
Hörschwelle | 0 |
Raschelnde Blätter | 20 |
| Leises Flüstern (1 m) | 30 |
| Ruhiges Büro | 40 |
| Normales Gespräch bei 1 m | 60 |
In einem Auto | 65-80 |
| Lauter Gesang | 70 |
| Staubsauger (3m) | 75 |
| Busse, Diesel-Lkw, Motorräder (15 m) | 80 |
| Presslufthammer (15 m) | 90 |
| U-Bahn (innen) | 94 |
| Rasenmäher (1 m) | 107 |
| Ohrenbetäubende, menschliche Schmerzgrenze | 120 |
| Düsenflugzeug (30 m) | 130 |
Schmerzgrenze | 140 |
| Militärjet-Start (30 m) | 150 |
| Große militärische Waffen | 180 |
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Der SPL-Schalldruckpegel wird normalerweise mit einem Schallpegelmesser gemessen. Der Schallpegelmesser umfasst ein Mikrofon, einen Verarbeitungseinheit und eine Anzeige.
Schalldruckwellen versetzen eine Mikrofonmembran in Bewegungen, die vom Schallpegelmesser in elektrische Signale umgewandelt werden. Als nächstes wandelt der SLM elektrische Signale in digitale um, damit sie in Dezibel angezeigt werden können.
Zur Berechnung des A-bewerteten Schalldruckpegels (LpA) verwendet der SLM Frequenzbewertungsfilter, die den Schalldruckmesswert so anpassen, dass er der Empfindlichkeit des menschlichen Ohrs gegenüber verschiedenen Frequenzen entspricht. Der A-Bewertungsfilter legt mehr Gewicht auf die Frequenzen, die der Mensch am besten hören kann.
Der SLM kann auch den Schalldruck über die Zeit in Form des äquivalenten kontinuierlichen Schallpegels (Leq) integrieren, der die durchschnittliche Schallenergie über einen bestimmten Zeitraum darstellt.
Bei der Schallmessung ist es wichtig, die Schwankungen des Schalldruckpegels, der schnell schwanken kann, genau zu erfassen. In der Vergangenheit konnten analoge Schallpegelmesser mit diesen Schwankungen nicht Schritt halten, was zu unregelmäßigen Messwerten führte. Um dieses Problem anzugehen, wurden zwei Ansprechcharakteristiken des Detektors standardisiert: Fast (F) und Slow (S).
Die schnelle Detektorreaktion Fast hat eine Zeitkonstante von 125 Millisekunden, was eine schnell reagierende Anzeigereaktion ermöglicht, die nicht zu schnell schwankende Schallpegel genau messen kann. Andererseits hat die langsame Detektorreaktion Slow eine Zeitkonstante von 1 Sekunde, was eine langsamere Reaktion ergibt, die dazu beiträgt, die Anzeigeschwankungen auf einem analogen Messgerät auszugleichen.
Moderne Schallpegelmesser mit digitaler Anzeige überwinden das Problem schwankender Anzeigen. Sie verwenden jedoch immer noch schnelle und langsame Detektoren, da sie oft durch den Standard vorgeschrieben sind, auf dem die Messungen basieren sollen.
Die langsame Zeitbewertung wird gelegentlich zur Messung von Schallpegeln an Arbeitsplätzen verwendet, die schnelle Zeitbewertung wird bei der Umgebungslärmüberwachung verwendet. Die Impulszeitbewertung wird zur Messung von Impulsgeräuschen verwendet, beispielsweise von Maschinen, Schüssen oder Explosionen, da sie den Spitzenpegel des Schalls erfasst.
A-, C- und Z-Bewertungen sind Frequenzbewertungen, die in Schallpegelmessern verwendet werden, um den gemessenen Schalldruckpegel (SPL) so anzupassen, dass er z.B. besser der menschlichen Wahrnehmung von Schall entspricht.
Die A-Bewertungskurve zeigt, wie das menschliche Ohr auf unterschiedliche Schalldruckpegel reagiert, und wird häufig zur Messung von Lärm in der Umwelt und in der Industrie verwendet. Die A-Bewertungskurve dämpft nieder- und hochfrequente Schalldruckpegel und gibt Frequenzen zwischen 500 Hz und 10 kHz mehr Gewicht, wo das menschliche Gehör am empfindlichsten ist.
Die C-Bewertungskurve misst den Gesamtschalldruckpegel über alle Frequenzen ohne Dämpfung. Es wird zur Schallmessung in lauten Umgebungen wie Rockkonzerten oder Start- und Landebahnen von Flughäfen verwendet.
Die Z-Bewertungskurve wird auch als „lineare“ oder „flache“ Bewertung bezeichnet und wendet keine Frequenzbewertung auf die SPL-Messung an. Es misst den Schalldruckpegel über alle Frequenzen und wird für wissenschaftliche Messungen oder die Kalibrierung von Instrumenten verwendet.
LAF und LAS sind häufig verwendete gewichtete Schalldruckpegel in modernen Akustikstandards wie IEC 61672. LAF steht für „A-gewichteter Schallpegel, schnelle Zeitbewertung“, was ein Maß für den Schalldruckpegel ist, der angepasst wird, um zu berücksichtigen die Empfindlichkeit des menschlichen Ohrs gegenüber verschiedenen Frequenzen. LAS steht für „A-gewichteter Schallpegel, schnelle Zeitbewertung“, was ähnlich wie LAF ist, aber eine langsame Zeitbewertung verwendet. Sowohl LAF als auch LAS werden häufig bei Messungen der Lärmbelastung am Arbeitsplatz und bei Bewertungen von Umgebungslärm verwendet. Insgesamt besteht die Beziehung zwischen SPL, LAF und LAS darin, dass LAF und LAS zwei verschiedene Arten sind, SPL zu messen, wobei spezifische A-gewichtete Frequenzgewichtungen verwendet werden.
Ein Geräusch ist eine Form von Energie, und das Ausmaß des Gehörschadens, der durch die Einwirkung einer lauten Umgebung verursacht wird, hängt sowohl vom Pegel als auch von der Dauer der Einwirkung ab. Um herauszufinden, ob ein Geräusch das menschliche Gehör beeinflusst, ist es erforderlich, den Schallpegel und seine Dauer zu messen. Der äquivalente Dauerschallpegel (LEQ) gibt Auskunft darüber, wie viel Energie eine Person ausgesetzt war. LEQ-Messungen werden für viele Arten von akustischen Messungen verwendet, einschließlich Bauakustik, Umgebungslärm und Berufslärm.
Der LEQ ist ein linearer Mittelwert des quadratischen Schalldrucks über einen bestimmten Zeitraum und verwendet keine Zeitgewichtung. Der Leq ist nützlich, um einen äquivalenten Schallenergiepegel über die Zeit darzustellen, und wird häufig verwendet, um Lärmexpositionspegel an Arbeitsplätzen und anderen Umgebungen darzustellen.
LEQ-Messungen können über jeden geeigneten Zeitraum durchgeführt werden, der als Integrationszeit bezeichnet wird, während SPL ein Maß für den momentanen Schalldruckpegel zu einem bestimmten Zeitpunkt ist. Schallpegelmesser von Svantek zeichnen sowohl Schalldruckpegel als auch LEQ in Form aufeinanderfolgender Integrationszeiten in einer Zeitverlaufs-Loggerdatei auf.
In der Akustik sind Lautstärke und Intensität andere Messwerte als SPL (Sound Pressure Level). SPL ist ein Maß für den Druckpegel einer Schallwelle relativ zu einem Referenzpegel, der normalerweise in Dezibel (dB) angegeben wird. Sie ist ein Maß für die physikalische Stärke einer Schallwelle.
Die Intensität hingegen ist ein Maß für die Menge an Schallenergie, die in einer bestimmten Zeit einen bestimmten Bereich durchdringt. Sie wird üblicherweise in Watt pro Quadratmeter (W/m2) gemessen. Die Intensität ist ein Maß für die Energie, die eine Schallwelle trägt.
Lautheit ist eine subjektive Wahrnehmung, wie intensiv ein Geräusch ist. Sie wird von vielen Faktoren beeinflusst, darunter SPL und Frequenz sowie die Empfindlichkeit des menschlichen Ohrs. Lautheit wird normalerweise in Einheiten gemessen, die Phon genannt werden.
Der Schalldruckpegel (SPL) einer Schallwelle nimmt mit zunehmender Entfernung von der Quelle ab. Dies liegt daran, dass sich Schallwellen in alle Richtungen ausbreiten, wenn sie sich von der Quelle entfernen, und die Energie in der Welle auf eine immer größere Fläche verteilt wird. Die Abnahme des SPL mit der Entfernung wird als Schalldämpfung bezeichnet.
Die Schalldämpfungsrate hängt von vielen Dingen ab, wie der Frequenz der Schallwelle, der Größe und Form der Quelle und der Umgebung, in der sich der Schall ausbreitet. Als allgemeine Regel gilt jedoch, dass der SPL um 6 Dezibel (dB) bei jeder Verdopplung des Abstands von der Quelle abnimmt.
Wenn beispielsweise der SPL einer Schallwelle in einem Abstand von 1 Meter 80 dB beträgt, beträgt er in einem Abstand von 2 Metern 74 dB, in einem Abstand von 4 Metern 68 dB und so weiter. Wie laut ein Ton zu sein scheint, hängt also stark davon ab, wie nahe Sie sich an der Quelle befinden. Bei der Messung und Kontrolle von Lärmpegeln an verschiedenen Orten ist es wichtig, dies zu berücksichtigen.
Der Schalldruckpegel (SPL) hat verschiedene Anwendungen, darunter einige:
Im Zusammenhang mit Audio wird der SPL verwendet, um die Lautstärke von Audiosignalen zu beschreiben. SPL wird beim Design und Testen von Audiogeräten wie Lautsprechern und Kopfhörern verwendet, um sicherzustellen, dass sie Ton mit sicheren und angemessenen Pegeln erzeugen. Es wird auch in Aufnahmestudios und Live-Sound-Umgebungen verwendet, um die Lautstärke von Audiosignalen zu überwachen und Gehörschäden bei Künstlern und Zuhörern zu vermeiden.
Eine Kalibrierung ist notwendig, um sicherzustellen, dass Schallpegelmesser genaue und präzise Messungen liefern. Um einen Schallpegelmesser zu kalibrieren, wird ein tragbarer akustischer Kalibrator über dem Mikrofon platziert. Die Kalibratoren liefern einen definierten Schalldruckpegel, auf den der Schallpegelmesser justiert werden kann. Die typischen Schalldruckpegel, die für die Kalibrierung verwendet werden, sind 94 dB oder 114 dB (die Wahl hängt vom akustischen Hintergrund ab).
Zusammenfassung
Schalldruckpegel (SPL) wichtigste Erkenntnisse:
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