Zeitmittelung und Zeitgewichtung sind in der Akustik und Vibration wichtig, da sie eine geglättete Darstellung der gemessenen Signale über einen festgelegten Zeitraum liefern. Oftmals legen Branchennormen Grenzwerte für Lärm und Vibrationen über bestimmte Zeitintervalle fest, beispielsweise 8-Stunden-Arbeitstage oder Nachtstunden. Um die Einhaltung dieser Grenzwerte festzustellen, ist eine Mittelwertbildung erforderlich.
Die Zeitmittelung ist eine Methode zur Verarbeitung und Analyse von Signalen, insbesondere wenn die Auswirkungen kurzzeitiger Schwankungen reduziert werden müssen. Die Idee besteht darin, den Durchschnittswert eines Signals über einen bestimmten Zeitraum zu berechnen, um eine glattere Darstellung der Signale zu erhalten. In der Praxis der Schall- und Vibrationsmessung erfolgt die zeitliche Mittelung entweder linear oder exponentiell. Die Zeitmittelung wird bei der Schallpegelmessung verwendet, um den Schalldruckpegel über einen längeren Zeitraum und nicht zu einem bestimmten Zeitpunkt zu bewerten.
Lineare Zeitmittelung: Mittelt Signalwerte über eine feste Fensterlänge und behandelt alle Datenpunkte in seinem Fenster gleich. Exponentielle Zeitmittelung: Mittelt Signalwerte, indem aktuellen Daten mehr Gewicht beigemessen wird, sodass schneller auf Signaländerungen reagiert werden kann.
Zeitgewichtung bezieht sich auf die Methode der exponentiellen Mittelung, mit der die Reaktion eines Messgeräts auf schwankende Signale im Laufe der Zeit angepasst wird. Bei der Zeitgewichtung wird im Wesentlichen ein „Filter“ auf das Signal angewendet, der bestimmte Aspekte des Signals basierend auf der gewählten Zeitkonstante betont oder abschwächt:
Bei der exponentiellen Mittelung handelt es sich um eine Technik, die die Akkumulation von Daten im Laufe der Zeit ermöglicht und dabei den neuesten Datenpunkten mehr Gewicht und den älteren weniger Gewicht verleiht. Exponentielle Mittelung ist ein leistungsstarkes Werkzeug in der Signalverarbeitung und Akustik, insbesondere beim Umgang mit schwankenden Schallpegeln. Der Parameter für die exponentielle Mittelung ist eine Zeitkonstante, deren Wahl sich darauf auswirkt, wie reaktionsschnell oder gleichmäßig die gemittelten Ergebnisse sein werden. Eine kleinere Zeitkonstante bedeutet, dass der Mittelungsprozess empfindlicher auf aktuelle Änderungen reagiert, während eine größere Zeitkonstante ein glatteres Ergebnis liefert, wenn man einen längeren Datenverlauf berücksichtigt. Beispielsweise reagieren die Ergebnisse der langsamen Mittelung langsamer auf Änderungen der SPL-Messwerte, während die Ergebnisse der schnellen Mittelung eher auf unmittelbare Änderungen reagieren.
Root Mean Square (RMS) ist eine Methode zum Ausdrücken eines Wechselstromwerts durch seinen äquivalenten Gleichstromwert. Dies ist nicht nur in der Akustik, sondern auch in der Elektrotechnik von grundlegender Bedeutung. Insbesondere in elektrischen Systemen gibt der RMS-Wert den Wert an, den ein Gleichstromsignal haben sollte, um über einen Zyklus hinweg die gleiche Energie- oder Leistungsmenge wie das Wechselstromsignal zu erzeugen. Der Effektivwert eines Wechselstromsignals, ob elektrisch oder akustisch, gibt Aufschluss über seine effektive Spannung im Hinblick auf die Energieübertragung. Dies macht RMS nicht nur für Schall- und Vibrationsmessungen von entscheidender Bedeutung, sondern auch für die elektrische Prüfung und Kalibrierung von Messgeräten, um genaue und aussagekräftige Messwerte in verschiedenen Anwendungen sicherzustellen.
Schall- und Vibrationsmessgeräte verwenden Wandler wie Mikrofone und Beschleunigungsmesser, um die physikalischen Phänomene von Schall oder Vibration in ein elektrisches Signal umzuwandeln. Durch die Bestimmung des RMS-Wertes (Root Mean Square) dieses elektrischen Spannungssignals können diese Messgeräte direkt die Energie messen, die durch das ursprüngliche akustische oder Vibrationssignal über einen bestimmten Zeitraum übertragen wird. Dieser RMS-basierte Ansatz stellt sicher, dass die gemittelten Messungen den Energieinhalt und die Intensität des beobachteten Schalls oder der beobachteten Vibration über die angegebene Dauer effektiv darstellen.
Wie werden Lärmdaten in Dezibel gemittelt?
Da es sich bei Dezibel um logarithmische Einheiten handelt, müssen die Geräuschdaten in dB zum Mitteln zunächst in ihre linearen Einheiten (Pascal) umgewandelt, dann gemittelt und schließlich wieder in dB umgewandelt werden.
RMS und LEQ – haben ihren Ursprung in unterschiedlichen konzeptionellen Rahmenwerken. RMS ist ein umfassendes Konzept, das in vielen Bereichen angewendet wird, nicht nur in der Akustik, während LEQ (Equivalent Continuous Sound Level) speziell eine akustische Metrik ist. RMS wird als Maß für die Stärke elektrischer Wechselstromsignale verwendet – die Momentanwerte des Signals werden quadriert und über die Zeit gemittelt, und die Quadratwurzel des Durchschnitts wird gezogen. Auch der LEQ wird über die Zeit gemittelt, dann aber logarithmiert, um einen Wert in Dezibel zu erhalten. In bestimmten Szenarien, insbesondere in Systemen mit linearer Mittelung, bei denen der Eingang direkt proportional zum Ausgang ist, kann der RMS-Wert eines Schalldruckpegels dem LEQ entsprechen, wenn für beide die gleiche Zeitdauer berücksichtigt wird.
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