Geräuschemission von Maschinen –Einfache näherungsweise Ermittlungder Umgebungskorrektur

baua: Bericht

Einfache näherungsweise Ermittlung der Umgebungskorrektur

baua: Bericht

Forschung Projekt F 2438

F. Heisterkamp I. Arendt

Geräuschemission von Maschinen – Einfache näherungsweise Ermittlung der Umgebungskorrektur

1. Auflage 2019 Dortmund/Berlin/Dresden

Diese Veröffentlichung ist der Abschlussbericht zum Projekt F 2438 „Geräuschemis- sion von Maschinen – Einfache näherungsweise Ermittlung der Umgebungskorrektur bei der Geräuschemissionsmessung“ der Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Ar- beitsmedizin. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt bei den Autorinnen und Autoren.

Autorinnen/Autoren: Dr. rer. nat. Fabian Heisterkamp M. Eng. Ilka Arendt

Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin Titelbild: Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin Umschlaggestaltung: Susanne Graul

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Nachdruck und sonstige Wiedergabe sowie Veröffentlichung, auch auszugsweise, nur mit vorheriger Zustimmung der Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin.

doi:10.21934/baua:bericht20190517 (online) www.baua.de/dok/8818618

Inhaltsverzeichnis

Seite

Kurzreferat 7

Abstract 8

1 Einführung 9

2 Physikalische Grundlage 12

2.1 Luftschall 12

2.2 Energietransport durch Luftschall 14

2.3 Hörschall und seine Wahrnehmung durch den Menschen 14 2.4 Schalldruckpegel als Maß für die wahrgenommene Lautstärke 15

2.4.1 Frequenzbewertung 16

2.4.2 Zeitbewertung 17

2.4.3 Emissions-Schalldruckpegel 18

2.5 Maschinen als Schallquellen: Schallleistungspegel 18

3 Verfahren zur Ermittlung der Schallleistung 20

3.1 Schallintensitätsmessverfahren 20

3.2 Hüllflächenschalldruckquadratverfahren 21

3.2.1 Fremdgeräuschkorrektur 22

3.2.2 Umgebungskorrektur 23

4 Verfahren der vereinfachten Umgebungskorrektur 26

4.1 Ermittlung des Referenzwertes im Freien 26

4.2 Kriterien für die Eignung von Maschinen als Ersatz-RSS 27 5 Messaufbau zur Untersuchung der vereinfachten

Umgebungskorrektur 29

5.1 Untersuchte Ersatz-RSS 29

5.2 Verwendete Referenzschallquelle 35

5.3 Überprüfung der Richtcharakteristik 35

5.4 Überprüfung der Stabilität und Reproduzierbarkeit des

Schallleistungspegels 36

5.5 Messaufbau zur Ermittlung der Umgebungskorrektur 38

6 Charakterisierung der Ersatz-RSS 40

6.1 Richtcharakteristik der Ersatz-RSS und der RSS 40

6.1.1 Richtcharakteristik des Kompressors 41

6.1.2 Richtcharakteristik des Industriestaubsaugers 42

6.1.3 Richtcharakteristik der Handkreissäge 43

6.1.4 Richtcharakteristik des Elektrohobels 44

6.1.5 Richtcharakteristik des Bluetooth-Lautsprechers in der Metallkiste 45 6.1.6 Richtcharakteristik der aerodynamischen RSS 46 6.1.7 Diskussion der Richtcharakteristik der untersuchten Schallquellen 46 6.2 Reproduzierbarkeit und Stabilität der Schallleistung 47 6.2.1 Reproduzierbarkeit und Stabilität der Schallleistung des Kompressors 48 6.2.2 Reproduzierbarkeit und Stabilität der Schallleistung des

Industriestaubsaugers 49

6.2.3 Reproduzierbarkeit und Stabilität der Schallleistung der Handkreissäge 50 6.2.4 Reproduzierbarkeit und Stabilität der Schallleistung des Elektrohobels 51 6.2.5 Reproduzierbarkeit und Stabilität der Schallleistung des Bluetooth-

Lautsprechers 52

6.2.6 Stabilität und Reproduzierbarkeit des Schallleistungspegels der RSS 53 6.2.7 Auswirkung der Netzspannung auf die Schallleistung der Ersatz-RSS 53 6.2.8 Vergleich der Standardabweichung der Schallleistungspegel der

untersuchten Ersatz-RSS als Funktion der Zeit 55 6.2.9 Diskussion der Stabilität und Reproduzierbarkeit des

Schallleistungspegels der untersuchten Schallquellen 57

6.3 Schallleistungsspektren der Ersatz-RSS 58

6.3.1 Diskussion der Schallleistungsspektren der untersuchten Schallquellen 61 6.4 Bewertung der Eignung der untersuchten Ersatz-RSS 62 7 Ermittlung der Umgebungskorrektur mittels Ersatz-RSS 64 7.1 Ermittlung des Referenzwertes für die Schallleistung im Freien 64 7.2 Ermittlung des Referenzwertes im reflexionsarmen Halbraum 67

7.3 Vergleich der Referenzwerte 70

7.4 Ermittlung der Umgebungskorrektur in verschiedenen Räumen 74

7.4.1 Raum 1 – Ein Pausenbereich 74

7.4.2 Raum 2 – Eine kleine Halle 79

7.4.3 Raum 3 – Große Halle 84

7.4.4 Raum 4 – Kubischer Raum, leicht verzerrt 90

7.4.5 Abhängigkeit der Umgebungskorrektur von der Größe der Messfläche 94 7.5 Erzielte Genauigkeit des vereinfachten Verfahrens 96 8 Anleitung zur Bestimmung der Umgebungskorrektur mittels Ersatz-

RSS 100

9 Mögliche Einflussfaktoren bei der Ermittlung der

Umgebungskorrektur 103

9.1 Windgeräusche 103

9.2 Meteorologische Bedingungen 103

9.3 Fremdgeräusch 103

10 Zusammenfassung und Ausblick 104

Literaturverzeichnis 106

Tabellenverzeichnis 108

Abbildungsverzeichnis 111

Danksagung 116

Geräuschemission von Maschinen – Einfache nähe- rungsweise Ermittlung der Umgebungskorrektur

Kurzreferat

Die NOMAD-Studie (2012) hat gezeigt, dass etwa 80 % der nach europäischen Richtlinien erforderlichen Geräuschemissionsangaben zu Maschinen nicht belastbar sind. Als Ursachen wurden unter anderem die Komplexität der normativen Messver- fahren und der damit verbundene Aufwand für die Ermittlung der Geräuschemissi- onswerte identifiziert. Für kleine und mittelständische Unternehmen (KMU) wären in den eigenen Betriebsräumen selbst durchgeführte Messungen ein praktikabler und kostengünstiger Weg. Allerdings ist die dazu nötige Ermittlung der Umgebungskor- rektur des Raumes, in dem diese Messungen durchgeführt werden sollen, problema- tisch. Im Rahmen dieses Projekts wird deshalb ein einfaches, für KMU praktikables Verfahren zur Ermittlung der Umgebungskorrektur entwickelt.

Ein mögliches Verfahren zur Qualifizierung der Messumgebung arbeitet mit Hilfe ei- ner Referenzschallquelle (RSS). Die Idee des Projekts besteht darin, dieses Verfah- ren für Betriebsräume des Maschinenherstellers einfach anwendbar zu machen, in- dem diese teure RSS durch eine in jeder Firma vorhandene, transportable, laute Ma- schine (z.B. Industriestaubsauger, Druckluftkompressor) ersetzt wird. Von dieser Maschine, die als Ersatz-RSS dient, wird zuerst die Schallleistung durch Messungen nach Norm im akustischen Freifeld, angenähert durch einen freien Platz mit schall- hartem Untergrund bei geringem Umgebungslärm, bestimmt. Anschließend wird die Schallleistung dieser Ersatz-RSS in dem Raum bestimmt, der zur Messung der Ge- räuschemission neu hergestellter Maschinen dienen soll. Da der dort ermittelte Schallleistungspegel wegen der Schallreflexionen im Raum höher ausfällt, ergibt sich aus der Differenz der beiden Schallleistungspegel näherungsweise die Umgebungs- korrektur für diesen Raum und die verwendete Messfläche. Dabei müssen allerdings gewisse Anforderungen an die Ersatz-RSS erfüllt und die Grenzen der Genauigkeit des Verfahrens beachtet werden.

Schlagwörter:

Umgebungskorrektur, Hüllflächen-Schalldruckquadratverfahren, Messflächenschall- druckpegel, Schallleistungspegel

Noise emission from machines – Simple approximate determination of the environmental correction

Abstract

According to the NOMAD study (2012) 80 % of the noise emission declarations of machines, demanded by European directives, were not reliable. Possible causes are, among other things, the high costs and the complexity of the normative measuring methods for the noise emission characteristics. For small and medium-sized enter- prises (SMEs), self-performed measurements in their own premises would be a cost- effective alternative. These partly fail due to the necessary determination of the envi- ronmental correction of the room in which these measurements are to be carried out.

Within the framework of the project outlined, a simple method for determining the en- vironmental correction, which is practicable for SMEs, is to be developed.

A possible method for qualifying the measurement environment works with the help of a reference sound source (RSS). The idea of the project is to replace this expen- sive RSS with a small, portable machine (e.g. industrial vacuum cleaner, air com- pressor), available in every company, and to determine its sound power according to a noise test code in the acoustic free field, approximated by a free, sound-reflecting surface outside at low background noise. Subsequently, this substitute RSS is brought into the room, in which the newly manufactured machines will be measured, and its sound power is measured there again. Since the sound power level deter- mined there is higher because of sound reflections in the room, the environmental correction for this room and the measurement surface used is obtained from the dif- ference between the two sound power levels. However, certain requirements for the substitute RSS must be met and the limits of the accuracy of the method must be observed.

Key words:

environmental correction, determination of sound power levels using sound pressure, sound pressure level on the measurement surface, sound power level

1 Einführung

Im Jahr 2016 war Lärmschwerhörigkeit in der Statistik der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung (DGUV) mit 6.850 Fällen die am häufigsten anerkannte Berufs- krankheit [DGUV 2018], sodass die Lärmminderung im Bereich gehörschädigender Pegel, vor allem in Industrie und Handwerk, von grundlegender Bedeutung für den Arbeitsschutz ist. Gehörschädigender Lärm entsteht in der betrieblichen Praxis überwiegend durch die Geräuschemissionen von Maschinen.

Ein wichtiger Beitrag zur Lärmminderung soll durch den Einkauf leiserer Maschinen, d. h. Maschinen, die sich neben den für ihren Einsatzzweck passenden Kenndaten auch durch eine möglichst geringe Geräuschemission auszeichnen, im Sinne des

„Buy-Quiet“-Konzeptes erfolgen [BAuA 2011]. Dazu muss bei den Käufern ein Be- wusstsein für die Vorteile „leiser Maschinen“ bzw. die versteckten Kosten „lauter Ma- schinen“ geschaffen werden. Gleichzeitig müssen die Maschinenhersteller vergleich- bare und belastbare Geräuschemissionsangaben zur Verfügung stellen. Denn Ma- schinenkäufer und betriebliche Arbeitsschutzakteure können nur dann gezielt leisere Maschinen auswählen, wenn der Markt hinsichtlich der Geräuschemissionen trans- parent ist.

Allerdings gibt es begründete Zweifel an der Belastbarkeit von Geräuschemissions- angaben der Hersteller. Im Rahmen der Noise MAchinery Directive^a (NOMAD)- Studie (2012) [Châtillon 2013] wurde aufgedeckt, dass bei 80 % der Maschinen die Geräuschemissionsangaben nicht belastbar oder sogar überhaupt nicht vorhanden sind.

Diese von der BAuA in Kooperation mit anderen europäischen Arbeitsschutzbehör- den erstellte Studie deckte aber nicht nur Defizite auf, sondern enthielt auch konkrete Handlungsempfehlungen, an deren Umsetzung die BAuA aktiv beteiligt war. Bei- spielsweise wurde zur Unterstützung von Maschinenherstellern im Rahmen der eu- ropäischen Zusammenarbeit in der NOMAD Task Force ein 6-sprachiger Leitfaden zur richtlinienkonformen Geräuschemissionsangabe [BAuA 2017] veröffentlicht. Die Mehrheit der Hersteller benötigt weitere Unterstützung bei der Ermittlung der Ge- räuschemissionen und der sachgerechten Information ihrer Kunden.

Der Maschinenrichtlinie 2006/42/EG liegt das Konzept des „New Approach“ zugrun- de [Pelkmans 1987]: Die grundlegende Idee ist es einen freien, europäischen Bin- nenmarkt im Sinne des Artikels 114 des Vertrags von Lissabon zu schaffen. Dazu werden bei Binnenmarkt-Richtlinien wie der Maschinenrichtlinie Schutzziele festge- legt. Das Erreichen dieser Schutzziele für eine konkrete Maschine können die Her- steller dann am einfachsten durch Einhaltung von einer oder mehreren unter dieser Richtlinie harmonisierten Normen nachweisen. Sie profitieren dann von der soge- nannten Konformitätsvermutung, d.h., dass bei Einhaltung der entsprechenden Nor- men von einer Erfüllung der in der Richtlinie vorgegebenen Schutzziele ausgegan- gen wird.

a NOMAD ist eine auf Initiative der Koordinierungsgruppe der Marktüberwachung zur Maschinenricht- linie (ADCO Maschinen) gegründete Arbeitsgruppe mit Vertretern aus verschiedenen EU- Mitgliedsstaaten.

Auch zur Ermittlung der Geräuschemissionsangaben gibt es harmonisierte Normen.

Allerdings sind die dort festgeschriebenen Messungen im reflexionsarmen Halbraum technisch und finanziell aufwendig. Dies führt teilweise dazu, dass diese Messungen nicht oder nicht korrekt durchgeführt werden, was sich dann wiederum in nicht vor- handenen oder nicht belastbaren Geräuschemissionsangaben bemerkbar macht.

Die wichtigste Norm zur Ermittlung des Schallleistungspegels, die DIN EN ISO 3744 [DIN EN ISO 3744:2011], sieht jedoch auch sog. in situ-Messungen, d.h., Messun- gen außerhalb eines akustischen Messraumes, vor. Diese sind in der Regel kosten- günstiger, aber erfordern die Ermittlung einer Umgebungskorrektur (𝐾𝐾_2A) sowie ggf.

einer Fremdgeräuschkorrektur (𝐾𝐾_1A).

In einer früheren Untersuchung [Arendt 2017] der Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin (BAuA) zeigte sich, dass von den fünf Verfahren zur Ermittlung der Umgebungskorrektur in der DIN EN ISO 3744 die als bevorzugtes Verfahren be- zeichnete Absolutvergleichsmessung [DIN EN ISO 3744:2011] die genauesten Er- gebnisse liefert.

Zudem setzt sie weniger Fachkenntnisse voraus als die anderen Verfahren, die dar- über hinaus auch nicht alle gleichermaßen für jeden „Raumtyp“ geeignet sind.

In diesem Projekt sollte erprobt werden, inwieweit die bei der Absolutvergleichsmes- sung normativ vorgegebene Referenzschallquelle (RSS entsprechend der Norm [DIN EN ISO 6926:2016]) durch eine kleine, transportable, im Idealfall im Betrieb bereits vorhandene Maschine ersetzt werden kann. Diese sogenannte Ersatz-RSS muss zunächst im akustischen Freifeld vermessen werden, das aus praktischen Gründen durch eine möglichst große, freie Fläche im Freien mit schallhartem Boden (z.B. ei- nen freien Parkplatz) angenähert wird.

In Kapitel 2 werden zunächst die wichtigsten physikalischen Grundlagen erläutert, die zum Verständnis der in Kapitel 3 beschriebenen Verfahren zur Ermittlung der Schallleistung benötigt werden. Diese setzen teilweise die Ermittlung einer Umge- bungskorrektur zur Überprüfung der Eignung der akustischen Umgebung voraus.

In Kapitel 4 wird nun das vereinfachte Verfahren zur Ermittlung dieser Umgebungs- korrektur vorgestellt.Die Ersatz-RSS sollen dabei anhand von in Kapitel 4 vorgestell- ten Kriterien ausgewählt werden.

In Kapitel 5 werden die zur Ermittlung der Umgebungskorrektur im Rahmen dieses Projektes verwendeten Ersatz-RSS sowie die Messaufbauten zur Untersuchung der Kriterien für die Eignung als Ersatz-RSS und zur Untersuchung des vereinfachten Verfahrens beschrieben.

Wie gut die einzelnen Ersatz-RSS die Kriterien erfüllen, wird anhand der in Kapitel 6 vorgestellten Messergebnisse diskutiert, während die Ersatz-RSS in Kapitel 7 bei der Ermittlung der Umgebungskorrektur in verschiedenen Räumen erprobt werden.

Kapitel 8 ist eine konkrete Handlungsanleitung zur Durchführung des Verfahrens.

Mögliche Einflüsse auf die Genauigkeit der ermittelten Umgebungskorrektur werden in Kapitel 9 diskutiert. In Kapitel 10 werden die Ergebnisse dieses Projektes zusam-

mengefasst und ein Ausblick auf die weitere Forschung der BAuA auf dem Gebiet der Geräuschemissionsmessverfahren gegeben.

2 Physikalische Grundlage

2.1 Luftschall

Im Gegensatz zu elektromagnetischen Wellen, wie z. B. sichtbarem Licht oder auch Radiowellen, setzen Schallwellen zu ihrer Ausbreitung ein elastisches Medium vo- raus.

In Luft – einem Gasgemisch – und in Gasen im Allgemeinen breitet sich Schall als vergleichsweise geringe Störung des statischen Luftdruckes aus. Diese kann auf verschiedene Weise erzeugt werden, z.B. wie in Abb. 2.1 dargestellt durch eine Trompete. Dabei ist die Schallentstehung in der Trompete, wie in den meisten Fällen, mit mechanischen Schwingungen oder Vibrationen verknüpft [Kuttruff 2004].

Mechanische Schwingungen eines Körpers führen zu Dichteschwankungen in der ihn umgebenden Luft. Diese sind wiederum mit Druckschwankungen verknüpft [Kuttruff 2004], da Regionen höherer Dichte mit einem höheren Druck verbunden sind und umgekehrt, sodass der statische Luftdruck gestört wird. Darüber hinaus drücken (höherer Druck) diese Regionen auf oder „ziehen“ an (geringerer Druck) be- nachbarten Regionen, wodurch sich diese Störung mit der Zeit in der Luft ausbreitet.

Es handelt sich bei Schallwellen in Gasen um Longitudinalwellen, d.h. in Ausbrei- tungsrichtung der Schallwelle liegen abwechselnd Druckminima und Druckmaxima bzw. Dichteminima und Dichtemaxima vor.

Der Wechsel zwischen Druckminima und -maxima erfolgt aufgrund der Ausbreitung der Schallwelle an einem festen Ort als Funktion der Zeit. Lässt man also die Ab- Abb. 2.1 „Sinuston“ einer Trompete als Funktion des Abstandes. Man beachte die

geringe Amplitude von 0,2 Pa im Vergleich zum statischen Luftdruck von ca. 100 000 Pa. Aus [BAuA 2011].

nahme der Amplitude mit der Entfernung von der Schallquelle außer Acht, so handelt es sich bei Schallwellen um ein räumlich und zeitlich periodisches Phänomen.

Hierbei ist wichtig, dass sowohl die Druckerhöhung als auch die Druckminderung eine relevante Störung des statischen Luftdrucks darstellen.

In der Realität hat der zeitliche Verlauf der Störung des statischen Luftdrucks (Schallwechseldruckamplitude als Funktion der Zeit) allerdings nur in den seltensten Fällen die in Abb. 2.1 gezeigte Idealform eines reinen Tones, sondern häufig liegt ein Tongemisch oder gar ein Rauschsignal (vgl. Abb. 2.2) vor. Deshalb muss zur Ermitt- lung eines aussagekräftigen Wertes die Schallwechseldruckamplitude zeitlich gemit- telt werden.

Erfolgte dies in Form eines arithmetischen Mittels, so mittelten sich die Druckminde- rung und Druckerhöhung selbst bei einem Rauschsignal bei hinreichend langer Messzeit zu null. Deshalb wird die Schallwechseldruckamplitude zunächst quadriert und dann gemittelt. Anschließend wird zur Korrektur des durch das Quadrieren er- höhten Wertes die Wurzel gezogen:

𝑝𝑝RMS=�𝑝𝑝���² (2.1)

Man spricht entweder vom Root Mean Square (RMS) oder vom Effektivwert der Schallwechseldruckamplitude.

Bei den im Folgenden in diesem Bericht angegebenen Drücken handelt es sich im- mer um Effektivwerte.

Dr uck, p

Zeit, t p

_stat

Abb. 2.2 Druckverlauf eines Rauschsignals als Funktion der Zeit. Man beachte, dass sowohl eine Erhöhung als auch eine Minderung des statischen Luft- druckes 𝒑𝒑_{𝐬𝐬𝐬𝐬𝐬𝐬𝐬𝐬} erfolgt.

2.2 Energietransport durch Luftschall

Wichtig zum Verständnis des Energietransports durch Luftschall ist die Tatsache, dass Schallenergie sich nicht nur in Form von Druckschwankungen erfassen lässt, sondern bei der Ausbreitung von Schall immer eine Umwandlung von potentieller Energie (Druckmaxima und Druckminima) in kinetische Energie (Bewegung der Gasteilchen) und umgekehrt erfolgt (vergleichbar einer mechanischen Schwingung,

„Masse-Feder-System“). Die lokalen Druck- bzw. Dichteunterschiede des Mediums (hier: Luft) sind also mit lokalen Bewegungen der Gasteilchen verbunden [Möser 2003]. Die rein von der Schallausbreitung herrührende Komponente der Geschwin- digkeit 𝑢𝑢 wird dabei als Schnelle bezeichnet.

Die Energiedichte des Schallfeldes ist in Analogie zu [Möser 2003] über folgende Gleichung gegeben:

𝐸𝐸 = 1 2� 𝑝𝑝²

𝜌𝜌0𝑐𝑐²+𝜌𝜌𝑢𝑢²� (2.2)

Dabei sind 𝜌𝜌₀ die Dichte von Luft und 𝑐𝑐 die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Luft- schall unter Normalbedingungen. Der erste Term beschreibt demzufolge die in Form von Druckschwankungen (Schallwechseldruck 𝑝𝑝) in einem kleinen Volumenelement Δ𝑉𝑉 vorliegende potentielle Energie, während der zweite Term mit der „tatsächlich“ in diesem Volumenelement vorherrschenden Dichte 𝜌𝜌 und dem Quadrat der Schnelle 𝑢𝑢�⃗

von der kinetischen Energie des Volumenelementes Δ𝑉𝑉 (analog der kinetischen Energie eines Teilchens der Masse 𝑚𝑚: 𝐸𝐸_kin =¹₂𝑚𝑚𝑣𝑣², hier 𝑚𝑚= 𝜌𝜌Δ𝑉𝑉,𝑣𝑣= 𝑢𝑢) herrührt.

Aus Gleichung (2.2) wird ersichtlich, dass neben dem Schallwechseldruck bzw. dem Effektivwert der Schallwechseldruckamplitude zur vollständigen Beschreibung des Schallfeldes auch die Schnelle 𝑢𝑢�⃗ benötigt wird.

2.3 Hörschall und seine Wahrnehmung durch den Menschen

Das menschliche Gehör ist in der Lage die zeitliche Änderung des statischen Luft- druckes im Gehörgang, den Schallwechseldruck, im Frequenzbereich von ca. 16 Hz bis 16 kHz wahrzunehmen. Dabei folgt das Hören genauso wie das Sehen dem We- ber-Fechnerschen Gesetz. Beide Sinne sind im Laufe der Evolution für das Überle- ben sehr wichtig gewesen. Während man selbst in der Dämmerung bei sehr wenig Licht noch sehen kann (Reizschwelle 𝑅𝑅0), wird man auch im hellen Sonnenlicht, so- fern man nicht direkt in die Sonne schaut, nicht so stark geblendet, dass man nichts mehr sehen kann [Möser 2003]. Dies kann man damit erklären, dass die Sinnes- wahrnehmung ab einer gewissen, relativ geringen Reizschwelle 𝑅𝑅₀ beginnt, aber für eine Steigerung der Empfindungsstärke 𝐸𝐸 eine überproportionale Steigerung der Reizstärke 𝑅𝑅 erforderlich ist (vgl. die qualitative Darstellung in Abb. 2.3).

Durch den Zusammenhang 𝐸𝐸 =𝐶𝐶 ⋅log�𝑅𝑅

𝑅𝑅0� (2.3)

zwischen Reizstärke 𝑅𝑅 und Empfindungsstärke 𝐸𝐸 gibt es bei der Sinneswahrneh- mung eine Art „Überlastungsschutz“. Dabei ist 𝐶𝐶 eine Konstante.

In ganz ähnlicher Weise erfolgt die Wahrnehmung von Schall: Ab einer gewissen, sehr geringen Schallwechseldruckamplitude (bei einer Frequenz von 1 kHz im Durchschnitt bei 20 µPa, Reizschwelle) setzt die Wahrnehmung ein, während die Schmerzschwelle erst bei einer um sieben Größenordnungen höheren Schallwech- seldruckamplitude von ca. 200 Pa liegt.

2.4 Schalldruckpegel als Maß für die wahrgenommene Lautstärke

Physikalische Größen lassen sich als Pegel 𝐿𝐿 (vom englischen „level“) darstellen [DIN 5493:2013]:

𝐿𝐿= log�𝑋𝑋

𝑋𝑋₀� Bel (2.4)

𝑋𝑋 und 𝑋𝑋0 sind Energiegrößen, wobei 𝑋𝑋₀ die Bezugsgröße ist. Der Pegel wird also in Bezug auf diese Größe 𝑋𝑋₀ angegeben. Das Kennwort „Bel“ kennzeichnet dabei ledig- lich die Pegeldarstellung, stellt aber keine physikalische Einheit dar.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 0

1 2 3 4

Reizstärke, R/R

₀

Em pf indungs st är ke, E/ E

0

Schwellreiz R

₀

E

₀

≡ E(R=2R

₀

)

Abb. 2.3 Graphische Darstellung des durch Gleichung (2.1) beschriebenen Zu- sammenhangs von Reizstärke und Empfindungsstärke.

In Analogie zu [Möser 2003].

Mithilfe dieser Darstellung kann man den Schalldruckpegel, der Bezug auf die Schallwechseldruckamplitude 𝑝𝑝₀ = 20 µPa an der Hörschwelle bei 1 kHz nimmt, defi- nieren:

𝐿𝐿_𝑝𝑝 = 10 log�𝑝𝑝²

𝑝𝑝₀²� dB (2.5)

Die Angabe als Schalldruckpegel gibt dabei den durch das Weber-Fechnersche Ge- setz (vgl. Gleichung (2.1)) beschriebenen Zusammenhang von Reizstärke (= Schall- wechseldruckamplitude) und Empfindungsstärke (= wahrgenommene Lautstärke) wieder, wobei eine Änderung des Schalldruckpegels um ein „dB = deziBel = 10∗Bel“

in etwa der Lautstärkeänderung entspricht, die man unter Laborbedingungen gerade noch wahrnehmen kann.

2.4.1 Frequenzbewertung

Der Schalldruckpegel ist zwar schon ein gutes Maß für die wahrgenommene Laut- stärke, aber in Gleichung (2.4) ist die Abhängigkeit der empfundenen Lautstärke von der Tonhöhe noch nicht berücksichtigt worden. So liegt die Hörschwelle bei sehr niedrigen Frequenzen und sehr hohen Frequenzen bei deutlich höheren Pegeln.

Dieser Unterschied wird jedoch mit steigendem Schalldruckpegel deutlich geringer.

Darüber hinaus müsste man sogar noch die Bandbreite eines Schallereignisses im Frequenzbereich erfassen, um die subjektiv wahrgenommene Lautstärke korrekt zu beschreiben [Möser 2003].

Vereinfacht erfasst und damit praktisch nachgebildet wird die Empfindlichkeit des Gehörs in Abhängigkeit von der Frequenz durch die A-Bewertungskurve, die in etwa der invertierten Kurve gleicher empfundener Lautstärke (Isophone) bei einem Schall- druckpegel von 30 dB bei einer Frequenz von 1 kHz entspricht [Möser 2003].

Eine erste Möglichkeit verschiedene Schallsignale mit ähnlichem Schalldruckpegel aber unterschiedlicher Frequenzzusammensetzung zu vergleichen, stellt die Mes- sung der Frequenzzusammensetzung von Schallsignalen mit Filtern dar [Möser 2003]. Diese elektronisch, oder heutzutage auch häufig rein digital realisierten Filter lassen (fast) nur Signale innerhalb eines bestimmten Frequenzintervalls mit einer unteren Durchlassgrenzfrequenz 𝑓𝑓₁ und einer oberen Durchlassgrenzfrequenz 𝑓𝑓₂ passieren, wobei das Wort „fast“ den steilen, aber endlichen Abfall der Übertragung von Signalen am Rand des durch 𝑓𝑓₁ und 𝑓𝑓2 festgelegten Intervalls berücksichtigen soll. Die Differenz ∆𝑓𝑓 =𝑓𝑓2− 𝑓𝑓1 ist die sogenannte Bandbreite des Filters. Um die Frequenzzusammensetzung eines Signales zu messen, müssen mehrere, verschie- dene Filter verwendete werden. Dabei werden in der Akustik in der Regel Filter kon- stanter relativer Bandbreite (englische Bezeichnung: „Constant Percentile Bandwidth (CPB)“) eingesetzt, deren Mittenfrequenz 𝑓𝑓₀ durch die folgende Gleichung festgelegt ist [Möser 2003]:

𝑓𝑓₀ = �𝑓𝑓₁⋅ 𝑓𝑓₂ (2.6)

Filter konstanter relativer Bandbreite werden durch das Verhältnis der beiden Fre- quenzen 𝑓𝑓₁ und 𝑓𝑓₂ festgelegt. Bei den in der für die akustische Messtechnik relevan- ten Norm [DIN EN 61260-1:2014] festgelegten Filtern handelt es sich um Oktav-

(𝑓𝑓₂⁄𝑓𝑓1 = 2,𝑓𝑓0 =√2⋅ 𝑓𝑓1,Δ𝑓𝑓 =𝑓𝑓0⁄√2) und Terzfilter (𝑓𝑓₂⁄𝑓𝑓1 = √2³ ,𝑓𝑓0 = √2⁶ ⋅ 𝑓𝑓1, Δ𝑓𝑓= 0,26⋅ 𝑓𝑓₁) .

Bei einem in Terzpegeln 𝐿𝐿_Terz gemessenen Spektrum kann durch Anwendung von Pegelzuschlägen oder –abschlägen Δ𝐿𝐿(𝑓𝑓₀) für die jeweilige Mittenfrequenz (vgl. Abb.

2.4) ein A-bewerteter Schalldruckpegel berechnet werden [vgl. Henn 2008, Seite 195]:

𝐿𝐿_𝑝𝑝A = 10 log��10^{0,1(𝐿𝐿Terz(𝑓𝑓0)−Δ𝐿𝐿(𝑓𝑓0))}� dB (2.7)

Die A-Bewertung führt dazu, dass Signalanteile bei tiefen Frequenzen (< 1000 Hz) und sehr hohen Frequenzen (> 5000 Hz) weniger stark bei der Berechnung des Ge- samtpegels ins Gewicht fallen. Gleichzeitig gibt es Pegelzuschläge (Δ𝐿𝐿(𝑓𝑓₀) > 0) im Bereich von 1250 Hz bis 5000 Hz, die der höheren Lautstärkeempfindung des Gehörs in diesem, vor allem auch für die Wahrnehmung von Sprache wichtigen Bereich Rechnung tragen.

2.4.2 Zeitbewertung

Die in Abschnitt 2.1 angesprochene zeitliche Mittelung zur Ermittlung eines belastba- ren Wertes für die Schallwechseldruckamplitude (z. B. RMS-Wert) erfolgt in der Pra- xis in Form eines gleitenden Mittelwertes, wie in der folgenden Formel dargestellt:

100 1000 10000

-35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5

∆ L (d B)

Frequenz, f (Hz)

Abb. 2.4 Skizze der A-Bewertungskurve im Bereich von 𝟓𝟓𝟓𝟓 𝐇𝐇𝐇𝐇 bis 𝟏𝟏𝟓𝟓 𝐤𝐤𝐇𝐇𝐇𝐇, erstellt anhand der Dämpfungspegel der A-Bewertung aus [Henn 2008, Seite 196].

𝐿𝐿_𝑝𝑝 = 10 log�_{𝑇𝑇→∞}lim 1 𝑇𝑇 �

𝑝𝑝²(𝑡𝑡) 𝑝𝑝�₀² 𝑑𝑑𝑡𝑡

𝑇𝑇 0

� dB (2.8)

Nun können bei diesem gleitenden Mittelwert verschiedene Zeitkonstanten 𝜏𝜏 ver- wendet werden, um den vom Messgerät erfassten Verlauf eines Schallereignisses, z. B. wie in Abb. 2.2, unterschiedlich stark zu „glätten“.

Tab. 2.1 Verschiedene Zeitkonstanten zur Bestimmung des Schalldruckpegels [Maue 2003; DIN EN 61672-1:2014]

Zeitbewertung Abkürzung Zeitkonstante

„Slow“ langsam S 1 s

„Fast“ schnell F 125 ms

„Impulse“ Impuls I Anstieg: 35 ms Abfall: 1,5 s

„Peak“ Spitze peak 50 µs (Spitzenwert wird gehalten)

Tab. 2.1 zeigt die Zeitkonstanten verschiedener Zeitbewertungen. Dabei ist zu be- achten, dass es sich bei der Impulsbewertung um eine asymmetrische Zeitbewertung handelt und bei der Peak-Bewertung der Spitzenwert gehalten wird.

2.4.3 Emissions-Schalldruckpegel

Der Emissions-Schalldruckpegel einer Maschine wird für den ihr zugeordneten Ar- beitsplatz (sofern vorhanden) angegeben. Da es sich um eine reine Emissionsgröße handelt, ist aus Sicht des Maschinenbetreibers zu berücksichtigen, dass der Immis- sionsschalldruckpegel am Arbeitsplatz, der für die Gefährdungsbeurteilung maßgeb- lich ist, in der Regel höher sein wird. Dies liegt darin begründet, dass der Immissi- onsschalldruckpegel alle an einem Raumpunkt einlaufenden Schallwellen erfasst und somit noch reflektierter Schall von den Wänden und der Decke des Raumes, in dem die Maschine betrieben wird, sowie der von anderen Maschinen in diesen Raum emittierte Schall hinzukommen.

Hinweis zur Verwendung des Schalldruckpegels:

Die Angabe eines Wertes in „Dezibel“ allein hat noch keine große Aussagekraft. Es ist darauf zu achten, dass die Entfernung von der Schallquelle sowie die verwendete Zeit- und Frequenzbewertung angegeben werden. Darüber hinaus ist es sehr wichtig zwischen Emissions- und Immissionsgrößen zu unterscheiden.

2.5 Maschinen als Schallquellen: Schallleistungspegel

Die Schallleistung

𝑃𝑃

eignet sich in besonderer Weise, um die Geräuschemission ver- schiedener Quellen zu vergleichen, da sie weitgehend unabhängig von der Umge- bung der Maschine ist und die Fähigkeit einer Maschine charakterisiert Schall zu er- zeugen. Darüber hinaus ist diese Angabe eine Pflichtangabe für Maschinen im Gel- tungsbereich der „Outdoor-Richtlinie“ (2000/14/EG) sowie für Maschinen, die der EU-

Maschinenrichtlinie 2006/42/EG unterliegen und deren Emissions-Schalldruckpegel am Arbeitsplatz einen Wert von 80 dB(A) übersteigt.

Der Schallleistungspegel ist in Analogie zum Schalldruckpegel wie folgt definiert:

𝐿𝐿_W = 10 log�𝑃𝑃

𝑃𝑃₀� dB (2.9)

Dabei hat die Bezugsgröße 𝑃𝑃₀ den Wert 1 pW. Der Schallleistungspegel kann mess- technisch u. a. mit dem Hüllflächenschalldruckquadratverfahren [DIN EN ISO 3744:2011] oder mit dem Schallintensitätsverfahren (DIN EN ISO 9614er Reihe, vgl.

Kapitel 3) ermittelt werden. Für die Zielgruppen dieses Berichtes, insbesondere klei- ne und mittelständische Unternehmen (KMU), ist eher das Hüllflächenschall- druckquadratverfahren geeignet, da Schallintensitätsmessgeräte eine relativ große Investition darstellen.

3 Verfahren zur Ermittlung der Schallleistung

Zur Übersicht aller genormten Verfahren zur Ermittlung der Schallleistung sei die DIN EN ISO 3740 [DIN EN ISO 3740:2001] empfohlen.

Die in diesem Bericht vorgestellten Verfahren zur Ermittlung der Schallleistung einer Maschine zielen darauf ab, die von der Maschine pro Zeit in den Raum abgestrahlte Schallenergie durch Messungen von Schallfeldgrößen (Effektivwert des Schallwech- seldruckes und/oder der Schnelle) auf einer die Maschine umgebenden, gedachten Fläche, der sog. Messfläche zu ermitteln.

Dazu wird die Schallleistung 𝑃𝑃 als Produkt von Intensität (Leistung pro Fläche) und Messfläche ausgedrückt

𝑃𝑃= 𝐼𝐼 ⋅ 𝑆𝑆 (3.1)

und ggf. aus auf Teilflächen ermittelten Teilintensitäten berechnet.

Aus einer „Dimensionsbetrachtung“ lässt sich die Darstellung der Schallintensität durch die beiden Feldgrößen Schallwechseldruck und Schnelle motivieren:

𝐼𝐼= 𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝑡𝑡𝑢𝑢𝐿𝐿𝐿𝐿

𝐹𝐹𝐹𝐹ä𝑐𝑐ℎ𝐿𝐿 = 𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐿𝐿𝐿𝐿𝑡𝑡

𝐹𝐹𝐹𝐹ä𝑐𝑐ℎ𝐿𝐿 ∙ 𝑍𝑍𝐿𝐿𝐿𝐿𝑡𝑡 =𝐾𝐾𝐴𝐴𝐾𝐾𝑓𝑓𝑡𝑡 ⋅ 𝑊𝑊𝐿𝐿𝐿𝐿

𝐹𝐹𝐹𝐹ä𝑐𝑐ℎ𝐿𝐿 ⋅ 𝑍𝑍𝐿𝐿𝐿𝐿𝑡𝑡 =𝐷𝐷𝐴𝐴𝑢𝑢𝑐𝑐𝐷𝐷 ⋅ 𝑆𝑆𝑐𝑐ℎ𝐿𝐿𝐿𝐿𝐹𝐹𝐹𝐹𝐿𝐿

⇒ 𝐼𝐼⃗=𝑝𝑝 ⋅ 𝑢𝑢�⃗ (3.2)

Dabei wurden die folgenden Relationen benutzt 𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝑡𝑡𝑢𝑢𝐿𝐿𝐿𝐿= 𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐿𝐿𝐿𝐿𝑡𝑡

𝑍𝑍𝐿𝐿𝐿𝐿𝑡𝑡 ; 𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐿𝐿𝐿𝐿𝑡𝑡= 𝐾𝐾𝐴𝐴𝐾𝐾𝑓𝑓𝑡𝑡 ⋅ 𝑊𝑊𝐿𝐿𝐿𝐿; 𝐷𝐷𝐴𝐴𝑢𝑢𝑐𝑐𝐷𝐷= 𝐾𝐾𝐴𝐴𝐾𝐾𝑓𝑓𝑡𝑡

𝐹𝐹𝐹𝐹ä𝑐𝑐ℎ𝐿𝐿;𝑆𝑆𝑐𝑐ℎ𝐿𝐿𝐿𝐿𝐹𝐹𝐹𝐹𝐿𝐿= 𝑊𝑊𝐿𝐿𝐿𝐿 𝑍𝑍𝐿𝐿𝐿𝐿𝑡𝑡 und im letzten Schritt berücksichtigt, dass es sich bei der Schnelle und damit auch bei der Intensität um vektorielle Größen handelt.

Für die vollständige Herleitung sei auf Seite 32 ff. in [Möser 2003] verwiesen.

Zur Ermittlung der Schallleistung muss die Intensität noch über die gesamte Messflä- che integriert werden:

𝑃𝑃 =� 𝐼𝐼⃗ d𝑆𝑆⃗ (3.3)

Diese Gleichung lässt sich unter der Annahme, dass das Flächenelement d𝑆𝑆⃗ stets in Schallausbreitungsrichtung zeigt, folgendermaßen vereinfachen:

𝑃𝑃 =� 𝐼𝐼 d𝑆𝑆 (3.4)

3.1 Schallintensitätsmessverfahren

Bei diesem Verfahren wird „direkt“ der Schallintensitätsvektor ermittelt, wobei die Schnelle nicht direkt gemessen, sondern mittels einer Schallintensitätssonde mit

zwei Mikrofonen (entsprechend zwei Schallwechseldrücken 𝑝𝑝₁ und 𝑝𝑝₂) in einem ge- wissen Abstand Δ𝐴𝐴 aus dem durch lineare Näherung bestimmten Druckgradienten ermittelt wird (siehe Seite 140ff. in [Henn 2008])

𝑢𝑢�⃗= −1 𝜌𝜌 �

d𝑝𝑝(𝑡𝑡)

d𝐴𝐴 ⋅d𝑡𝑡 ≈ − 1

𝜌𝜌Δ𝐴𝐴 �(𝑝𝑝₂− 𝑝𝑝₁)⋅d𝑡𝑡, (3.5)

dabei ist 𝜌𝜌 die Dichte der Luft/des Mediums (siehe auch Abschnitt 2.2).

Mit dem Mittelwert der beiden Schalldrücke 𝑝𝑝= (𝑝𝑝₁+𝑝𝑝₂)/2 erhält man durch Einset- zen in Gleichung (3.2) die Schallintensität 𝐼𝐼⃗:

𝐼𝐼⃗=−𝑝𝑝₁+𝑝𝑝₂

2𝜌𝜌Δ𝐴𝐴 �(𝑝𝑝₂− 𝑝𝑝1)d𝑡𝑡 (3.6)

Dieses Verfahren hat viele Vorteile, aber auch zum Teil gravierende Nachteile.

So ist die Schallintensitätsmessung zwar gut für die in situ-Schallleistungsermittlung geeignet, da man ohne Umgebungskorrektur (𝐾𝐾_2A-Wert) auskommt. Jedoch stellen die benötigten Messgeräte, Schallintensitätsmesssonde und Schallintensitätsanaly- sator, eine erhebliche Investition dar. Darüber hinaus erfordert die korrekte Durchfüh- rung von Schallintensitätsmessungen ein hohes Maß an Fachkenntnissen.

Die beschriebenen Nachteile sind insbesondere für KMU, die die Schallleistung ihrer Maschinen selbst ermitteln möchten, nicht vernachlässigbar. Das im folgenden Ab- schnitt beschriebene Hüllflächenschalldruckquadratverfahren besitzt hingegen das Potenzial, mit kostengünstigen Messgeräten (im Minimalfall: ein Schallpegelmesser und ein Kalibrator) und bei moderaten Anforderungen bezüglich der Fachkenntnisse Messungen mit hinreichender Genauigkeit in den eigenen Betriebsräumen durchzu- führen. Dabei mangelt es bislang noch an einem einfachen und hinreichend genauen Verfahren zur Ermittlung der bei nicht idealen, akustischen Bedingungen benötigten Umgebungskorrektur. Ein solches Verfahren soll im Rahmen dieses Projektes entwi- ckelt werden.

3.2 Hüllflächenschalldruckquadratverfahren

Den Ausgangspunkt zur Ermittlung der Schallleistung bilden die Gleichungen (3.2) und (3.4), wobei bei diesem Verfahren der Vektorcharakter der Schallintensität ver- nachlässigt werden soll.

Für ebene, fortschreitende Wellen (also im akustischen Freifeld und in großer Entfer- nung von der Quelle) und unter Normbedingungen (bezüglich Luftdruck und Tempe- ratur) kann man davon ausgehen, dass lokal die folgende Beziehung gilt (vgl. Seite 34 in [Möser 2003]):

𝑢𝑢= 𝑝𝑝

𝜌𝜌₀𝑐𝑐 (3.7)

Dabei sind 𝜌𝜌₀ die Dichte von Luft und 𝑐𝑐 die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Luft- schall unter Normalbedingungen (siehe auch Abschnitt 2.2).

Durch Einsetzen von Gleichung (3.2) und Gleichung (3.7) in Gleichung (3.4) erhält man für die Schallleistung 𝑃𝑃:

𝑃𝑃= � 𝑝𝑝²

𝜌𝜌0𝑐𝑐d𝑆𝑆 (3.8)

Dividiert man nun durch die Bezugsgröße 𝑃𝑃₀ =^𝑝𝑝_𝜌𝜌^02𝑆𝑆0

0𝑐𝑐 für den Schallleistungspegel (𝑆𝑆₀ = 1 m²) , so erhält man in Analogie zu Seite 352 in [Henn 2008]:

𝑃𝑃 𝑃𝑃0 = 𝑆𝑆

𝑆𝑆0

1 𝑆𝑆 �

𝑝𝑝²

𝑝𝑝₀²d𝑆𝑆 (3.9)

Durch Logarithmieren dieser Gleichung ergibt sich 10lg�𝑃𝑃

𝑃𝑃0�dB = 10lg�1 𝑆𝑆 �

𝑝𝑝²

𝑝𝑝₀²d𝑆𝑆�dB + 10lg�𝑆𝑆

𝑆𝑆0�dB = 𝐿𝐿𝑊𝑊 (3.10) Beim Hüllflächenschalldruckquadratverfahren wird mit diskreten Messpunkten gear- beitet, so dass das Integral über die Messfläche durch eine endliche Summe (𝐿𝐿 Messpunkte) über die Messfläche (Hüllfläche) angenähert wird:

𝐿𝐿_𝑊𝑊 ≈10lg�1 𝑆𝑆 �

𝑝𝑝_𝑖𝑖² 𝑝𝑝₀²⋅ Δ𝑆𝑆_𝑖𝑖

𝑛𝑛 𝑖𝑖=1

�dB + 10lg�𝑆𝑆

𝑆𝑆₀�dB (3.11)

Dabei sind 𝑝𝑝_𝑖𝑖 die an den Messpunkten ermittelten Effektivwerte des Schallwechsel- druckes und Δ𝑆𝑆_𝑖𝑖 die zugehörigen Teilflächen der gesamten Messfläche 𝑆𝑆.

Mit der Definition des Schalldruckpegels aus Gleichung (2.4) erhält man:

𝐿𝐿_𝑊𝑊 = 10lg�1

𝑆𝑆 �10^{0,1𝐿𝐿𝑝𝑝,𝑖𝑖}⋅ Δ𝑆𝑆_𝑖𝑖

𝑛𝑛 𝑖𝑖=1

�dB + 10lg�𝑆𝑆

𝑆𝑆₀�dB (3.12)

Für gleichgroße Teilflächen vereinfacht sich die Gleichung zu:

𝐿𝐿_𝑊𝑊 = 10lg��10^{0,1𝐿𝐿𝑝𝑝,𝑖𝑖}

𝑛𝑛 𝑖𝑖=1

�dB + 10lg�𝑆𝑆

𝑆𝑆₀�dB =𝐿𝐿���_𝑝𝑝+𝐿𝐿_𝑆𝑆 (3.13) Hierbei ist 𝐿𝐿���_𝑝𝑝 der mittlere Messflächenschalldruckpegel und 𝐿𝐿_𝑆𝑆 das sog. Messflä- chenmaß.

In Analogie zu den Gleichungen (3.12) und (3.13) erhält man bei der Messung von A- bewerteten Schalldruckpegeln 𝐿𝐿_{𝑝𝑝A,𝑖𝑖} den A-bewerteten Schallleistungspegel 𝐿𝐿_𝑊𝑊A:

𝐿𝐿_𝑊𝑊A= 𝐿𝐿�����_𝑝𝑝A+𝐿𝐿_𝑆𝑆 (3.14)

Die bisherigen Überlegungen gelten nur für ideale Freifeldbedingungen – nur der Boden, auf dem die Maschine steht, reflektiert Schall – und ohne Fremdgeräusche.

Bei nicht-idealen Bedingungen, wie sie innerhalb geschlossener Räume bezüglich der Freifeldbedingungen und eventuell auch bezüglich des Fremdgeräusches auftre- ten, kommen in der Gleichung (3.14) noch zwei Korrekturterme hinzu:

𝐿𝐿_𝑊𝑊A= 𝐿𝐿�����_𝑝𝑝A+𝐿𝐿_𝑆𝑆− 𝐾𝐾_1A− 𝐾𝐾_2A (3.15)

3.2.1 Fremdgeräuschkorrektur

Der Korrekturterm 𝐾𝐾_1A korrigiert die Erhöhung des mittleren, A-bewerteten Messflä- chenschalldruckpegels 𝐿𝐿�����𝑝𝑝A durch Fremdgeräusche. Allerdings kann diese Korrektur nur dann angewendet werden, wenn das Fremdgeräusch während der Messungen hinreichend konstant ist.

Um zu ermitteln, ob diese Korrektur nötig ist (vgl. Abschnitt 4.2 in [DIN EN ISO 3744:2011]), wird der mittlere Schalldruckpegel während des Betriebs der zu ver- messenden Schallquelle 𝐿𝐿���������^′_{𝑝𝑝A(ST)} („ST“ = Source under Test, übersetzt: zu untersu- chende Schallquelle) bestimmt und mit dem mit derselben Messfläche ermittelten mittleren Fremdgeräuschpegel 𝐿𝐿��������_𝑝𝑝A(B) („B“ = Background, übersetzt: Hintergrund) auf der Hüllfläche verglichen. Man berechnet dazu die Differenz dieser beiden Pegel:

∆𝐿𝐿𝑝𝑝A =𝐿𝐿��������� − 𝐿𝐿^′_{𝑝𝑝A(ST)} ��������𝑝𝑝A(B) (3.16)

Vom Wert dieser Differenz hängt es ab, ob eine Fremdgeräuschkorrektur durchzu- führen ist [DIN EN ISO 3744:2011]:

∆𝐿𝐿_𝑝𝑝A =� > 15 dB, keine Fremdgeräuschkorrektur, 𝐾𝐾1A = 0

6 dB≤ ∆𝐿𝐿_𝑝𝑝A≤ 15 dB, Fremdgeräuschkorrektur gemäß Gl. (3.18)

< 6 dB, Kriterien der DIN EN ISO 3744 eventuell nicht erfüllt. (3.17) Für den Fall, dass eine Fremdgeräuschkorrektur durchzuführen ist, so wird diese gemäß der folgenden Gleichung berechnet:

𝐾𝐾_1A =−10lg�1−10^{−0,1∆𝐿𝐿𝑝𝑝A}�dB (3.18)

3.2.2 Umgebungskorrektur

Das Hauptziel dieses Projektes ist eine einfachere Ermittlung des zweiten Korrek- turfaktors in Gleichung (3.15), der sog. Umgebungskorrektur 𝐾𝐾_2A. Diese wird ermit- telt, um eine Erhöhung oder Verringerung des mittleren Schalldruckpegels auf der Messfläche durch Abweichungen von idealen Freifeldbedingungen, d. h. z. B. durch reflektierten Schall von der Decke, den Wänden und anderen Gegenständen im Raum oder durch Schallabsorption innerhalb der Messfläche (absorbierender Bo- den), zu korrigieren.

Die wichtigste Grundnorm zur Ermittlung des Schallleistungspegels mittels des Hüll- flächenschalldruckverfahrens, die [DIN EN ISO 3744:2011], sieht dabei fünf ver- schiedene Verfahren vor. Die Genauigkeit und Anwendbarkeit der Verfahren wurden von der BAuA bereits untersucht [Arendt 2017].

Absolutvergleichsmessung – bevorzugtes Verfahren

Die Absolutvergleichsmessung ist das bevorzugte Verfahren gemäß [DIN EN ISO 3744:2011] und hat auch im Rahmen der Untersuchung in [Arendt 2017] die besten Ergebnisse geliefert.

Hierbei wird der Schallleistungspegel 𝐿𝐿^∗_𝑊𝑊A einer sog. Referenzschallquelle (im Fol- genden kurz: RSS von Englisch: Reference Sound Source) mit bekanntem Schall- leistungspegel 𝐿𝐿_{𝑊𝑊A,RSS} im selben Raum wie die Maschine, deren Schallleistung ermit- telt werden soll, ermittelt. Die Umgebungskorrektur ergibt sich dann aus der Differenz der beiden Schallleistungspegel:

𝐾𝐾2A =𝐿𝐿^∗_𝑊𝑊A− 𝐿𝐿𝑊𝑊A,RSS (3.19)

Allerdings führt die Beschreibung der zu verwendenden Mikrofonanordnung bzw.

Hüllfläche in [DIN EN ISO 3744:2011] häufig zu Missverständnissen:

„Bei Verwendung einer halbkugelförmigen Messfläche für die Messung von Ge- räuschquellen ist in der Messumgebung eine Vergleichsschallquelle, die die Forde- rungen von ISO 6926 erfüllt, praktisch am gleichen Ort wie die zu untersuchende Ge- räuschquelle aufzustellen. Der Schallleistungspegel der Vergleichsschallquelle ist nach dem Verfahren in Abschnitt 8 ohne die Umgebungskorrektur 𝐾𝐾₂ zu ermitteln (d. h., es wird zunächst unterstellt, dass 𝐾𝐾₂ gleich Null ist). Es ist die gleiche Messflä- che wie bei den Messungen an der zu untersuchenden Geräuschquelle zu verwen- den.“

Also schreibt die Norm (siehe auch [Arendt 2017]) die Verwendung einer halbkugel- förmigen Messfläche zur Ermittlung der Umgebungskorrektur vor, aber es ist nicht ganz klar formuliert, ob die eigentliche Schallquelle dann auch nur mit einer halbku- gelförmigen Messfläche vermessen werden darf. Dies ist zwar insofern sinnvoll, als dass der Referenzwert des Schallleistungspegels der RSS mit einer halbkugelförmi- gen Messfläche ermittelt wird, aber gemäß der Norm DIN EN ISO 6926 [DIN EN ISO 6926:2016] kann der Schallleistungspegel 𝐿𝐿_{𝑊𝑊A,RSS} einer RSS auch mittels spiralför- miger Abtastung auf einer Halbkugeloberfläche ermittelt werden. Gemäß [DIN EN ISO 3744:2011] hingegen wird der Schallleistungspegel mit 10 oder 20 festen Mess- punkten auf der Halbkugeloberfläche ermittelt. Dieser Unterschied im Messverfahren kann bereits zu geringen, aber in der Praxis meist vernachlässigbaren Unterschieden beim Schallleistungspegel führen (weniger als 1 dB(A)).

Eine wesentliche Erleichterung für die Praxis wäre es, wenn man die Umgebungskor- rektur auch für quaderförmige Messflächen mittels der relativ genauen und ohne be- sondere Fachkenntnisse durchführbaren Absolutvergleichsmessung ermitteln kann (siehe auch die Diskussion in [Arendt 2017]). In diesem Projekt wird deshalb entge- gen der Vorgaben zur Absolutvergleichsmessung in der [DIN EN ISO 3744:2011] mit quaderförmigen Messflächen gearbeitet.

Durch die Verwendung von Quaderhüllflächen kommt man häufig mit weniger Mikro- fonpositionen aus und die korrekte Positionierung der Mikrofone wird erleichtert.

Darüber hinaus wird eine Wiederaufnahme der Absolutvergleichsmessung mit Qua- derhüllflächen zurzeit in der Normung diskutiert, da sie in der praktischen Anwen- dung durchaus wünschenswert wäre.

Ermittlung aus der äquivalenten Absorptionsfläche 𝐴𝐴

Die anderen Verfahren zur Ermittlung der Umgebungskorrektur basieren auf der Er- mittlung der Raumabsorption in Form der äquivalenten Absorptionsfläche 𝐴𝐴 des Raumes. Die gesuchte Umgebungskorrektur wird dann anhand folgender Gleichung berechnet:

𝐾𝐾2 = 10lg�1 +4𝑆𝑆

𝐴𝐴 � (3.20)

Dabei ist 𝑆𝑆 die Größe der Messfläche zur Ermittlung des Schallleistungspegels.

Die Gleichung (3.20) basiert im Wesentlichen auf der empirischen Formel für die Nachhallzeit (siehe auch Gleichung (3.22)) von Sabine [Sabine 1900; Arendt 2017], so dass implizit vorausgesetzt wird, dass der zu qualifizierende Raum würfelförmig und nahezu leer (Schallabsorption nur an den Wänden und der Decke) ist. Zusätzlich wird angenommen, dass für den mittleren Absorptionsgrad 𝛼𝛼� gilt:

𝛼𝛼� ≤0,2 (3.21) Für die Ermittlung der äquivalenten Absorptionsfläche sind dabei in [DIN EN ISO 3744:2011] verschiedene Verfahren vorgesehen. Die Genauigkeit dieser Verfahren wurde in [Arendt 2017] untersucht und diskutiert. Dabei hat sich gezeigt, dass diese Verfahren gerade in typischen Industrieumgebungen ungenaue Ergebnisse liefern.

1. Nachhallverfahren:

Aus der gemessenen Nachhallzeit 𝑇𝑇 wird mit Hilfe der empirischen Formel nach Sa- bine [Sabine 1900] die äquivalente Absorptionsfläche berechnet:

𝐴𝐴= 0,16𝑉𝑉

𝑇𝑇 (3.22)

Dabei sind das Raumvolumen 𝑉𝑉 in m³ und die Nachhallzeit 𝑇𝑇 in 𝐿𝐿 einzusetzen.

2. Zwei-Flächen-Verfahren:

Das Verfahren ist auf die Anwendung in Räumen mit einer Umgebungskorrektur 𝐾𝐾2 ≤2 dB beschränkt. Dabei wird der mittlere Schalldruckpegel 𝐿𝐿����_𝑝𝑝1 auf der eigentli- chen Messfläche 𝑆𝑆₁ und zusätzlich noch der mittlere Schalldruckpegel 𝐿𝐿����_𝑝𝑝2 auf einer größeren, zur Fläche 𝑆𝑆₁ symmetrischen Messfläche 𝑆𝑆₂ bestimmt. Anhand der folgen- den Formel [DIN EN ISO 3744:2011] lässt sich aus diesen Größen die äquivalente Absorptionsfläche 𝐴𝐴 berechnen:

𝐴𝐴= 𝑆𝑆₁ 4(𝑀𝑀 −1)

1− 𝑀𝑀 𝑆𝑆₁⁄𝑆𝑆₂, 𝑀𝑀 = 10^{0,1�𝐿𝐿�����−𝐿𝐿𝑝𝑝1 ������𝑝𝑝2} (3.23) 3. Bestimmung der äquivalenten Absorptionsfläche mittels einer RSS

Beim sog. Direktverfahren wird der von einer RSS mit bekanntem Schallleistungs- pegel 𝐿𝐿_𝑊𝑊,RSS auf einer halbkugelförmigen Messfläche 𝑆𝑆 erzeugte, mittlere und bezüg- lich des Fremdgeräusches korrigierte Schalldruckpegel 𝐿𝐿�����������𝑝𝑝(ın sıtu) zur Berechnung der äquivalenten Absorptionsfläche herangezogen [DIN EN ISO 3744:2011]:

𝐴𝐴= 4𝑆𝑆

(𝑆𝑆 𝑆𝑆⁄ ₀) × 10^{0,1�𝐿𝐿}��������������−𝐿𝐿𝑝𝑝(ın sıtu) _𝑊𝑊,RSS�−1, 𝑆𝑆₀ = 1 m² (3.24) 4. Näherungsverfahren für Messungen mit A-Bewertung

Bei diesem Verfahren wird anhand der in Tabelle A.1 in [DIN EN ISO 3744:2011] an- gegebenen mittleren Schallabsorptionsgrade für A-bewertete Größen für verschiede- ne Arten von Räumen sowie des Flächeninhalts der Begrenzungsflächen des Rau- mes, in dem die Messung durchgeführt wird, die äquivalente Absorptionsfläche ab- geschätzt:

𝐴𝐴= 𝛼𝛼 ⋅ 𝑆𝑆𝑉𝑉 (3.25)

4 Verfahren der vereinfachten Umgebungskorrektur

Das in der Rahmenmessnorm zur Schallleistungsermittlung [DIN EN ISO 3744:2011]

festgelegte und in Abschnitt 3.2 beschriebene Hüllflächenschalldruckquadratverfah- ren gehört zu den am häufigsten verwendeten Verfahren zur Ermittlung des Schall- leistungspegels. Es erlaubt zwar die Durchführung von in situ-Messungen, d.h. Mes- sungen außerhalb eines akustischen Messraumes, z. B. direkt in den Räumen eines Maschinenherstellers, aber diese erfordern die Ermittlung der Umgebungskorrektur 𝐾𝐾2A (vgl. Gl. (3.15)) zur Qualifizierung der akustischen Umgebung und zur Korrektur des Einflusses der Messumgebung auf den ermittelten Schallleistungspegel.

Wie in Abschnitt 3.2 diskutiert und in [Arendt 2017] untersucht, liefert die Absolutver- gleichsmessung [DIN EN ISO 3744:2011] zur Ermittlung der Umgebungskorrektur unter Einsatz einer Referenzschallquelle (RSS) die genausten Ergebnisse in typi- schen industriellen Umgebungen und stellt dazu noch vergleichsweise geringe An- forderungen an die Fachkenntnisse.

Allerdings stellt eben diese RSS für kleine und mittlere Unternehmen (KMU) eine ho- he Investition dar. Daher soll die RSS durch eine transportable, hinreichend laute und im Idealfall im Betrieb bereits vorhandene Maschine ersetzt werden. Allerdings ist der Schallleistungspegel dieser sog. Ersatz-RSS aufgrund der Ergebnisse der NOMAD-Studie [Châtillon 2013] und der häufig mit einer großen Unsicherheit verse- henen Herstellerangaben im Gegensatz zu dem einer RSS als unbekannt anzuse- hen. Deshalb muss zunächst wie im folgenden Abschnitt beschrieben der Schallleis- tungspegel 𝐿𝐿𝑊𝑊A,ref der Ersatz-RSS unter Freifeldbedingungen als Referenzwert er- mittelt werden.

Das vereinfachte Verfahren ist in Kapitel 8 als knappe Handlungsanleitung auf zwei Seiten zusammengefasst.

4.1 Ermittlung des Referenzwertes im Freien

Zur Verringerung des messtechnischen Aufwands soll auch die Ermittlung des Refe- renzwertes für den Schallleistungspegel im akustischen Freifeld ohne einen speziel- len akustischen Messraum erfolgen. Eine hinreichend große Fläche im Freien mit schallhartem Boden stellt ein geeignetes akustisches Freifeld dar.

Allerdings können Wind und eventuell vorhandene Fremdgeräusche das Mess- ergebnis verfälschen (siehe Liste möglicher Einflussfaktoren/Fehlerquellen in Kapitel 9). Bezüglich der Fremdgeräusche kann korrigiert werden, sofern sie zeitlich zumin- dest im Mittel konstant sind und das Relativkriterium für das Fremdgeräusch gemäß [DIN EN ISO 3744:2011] erfüllt ist (vgl. Gl. (3.17)).

Der Referenzwert 𝐿𝐿𝑊𝑊A,ref wird idealerweise bei möglichst geringem Umgebungslärm, nur geringem Wind (möglichst Windschirme verwenden) und meteorologischen Be- dingungen, die den Normbedingungen einer Lufttemperatur von 23,0 °C und einem statischen Luftdruck von 101,325 kPa [DIN EN ISO 3744:2011] möglichst nahe kommen, ermittelt.

Zur Abschätzung der Stabilität und Reproduzierbarkeit des Schallleistungspegels (siehe auch Diskussion der Kriterien in Abschnitt 4.2) sollte der Referenzwert für den Schallleistungspegel 𝐿𝐿_{𝑊𝑊A,ref} mindestens an zwei Messtagen bestimmt werden.

4.2 Kriterien für die Eignung von Maschinen als Ersatz-RSS

Die folgenden Kriterien sind der Publikation [Heisterkamp 2018] entnommen und be- schreiben zum größten Teil qualitativ, wie eine Ersatz-RSS ausgewählt werden soll- te. Darüber hinaus wurden sie für die im Projekt untersuchten Ersatz-RSS, soweit möglich, auch durch Messungen überprüft (siehe Kapitel 6).

Omnidirektional abstrahlend

Die Schallabstrahlung der Ersatz-RSS sollte möglichst omnidirektional erfolgen, da- mit die Schallreflektionen von allen Wänden und der Decke des zu qualifizierenden Raumes und ihr Einfluss auf die Schallleistungsermittlung in hinreichendem Maße berücksichtigt werden.

Zeitlich konstanter Schallleistungspegel

Der Schallleistungspegel der Maschine sollte möglichst konstant sein (konstanter Pegel). Zwar wäre die Ermittlung der Umgebungskorrektur auch mit Maschinen mit periodisch variierendem Betriebsgeräusch möglich, aber dies würde die benötigte Integrationszeit stark verlängern, insbesondere bei Verwendung eines Handschall- pegelmessers.

Reproduzierbarkeit des Schallleistungspegels

Bei wiederholten Messungen sollte der Schallleistungspegel im Rahmen der Genau- igkeit des Verfahrens konstant bleiben (Reproduzierbarkeit), da die Ersatz-RSS wie zuvor beschrieben im Freien vermessen werden muss (Ermittlung von 𝐿𝐿_{𝑊𝑊A,ref}) und ihr Schallleistungspegel bei weiteren Messungen in den zu qualifizierenden Räumen möglichst noch denselben Wert haben sollte. Darüber hinaus ist dieses Kriterium auch bei häufiger Verwendung der Ersatz-RSS, z. B. zum Überprüfen einer Mikro- fonanordnung, wichtig.

Ausreichende Schallleistung

Der Schallleistungspegel der Maschine sollte ausreichend groß sein (𝐿𝐿_𝑊𝑊A> 80 dB), damit auch in größeren Räumen die Erhöhung des Schallleistungspegels durch Schallreflektionen messbar bleibt und somit die Raumrückwirkung auf zukünftige Schallleistungsmessungen korrekt erfasst wird. Zusätzlich ist für genaue Messungen ein ausreichend großer Pegelabstand zum Fremdgeräuschpegel erforderlich (vgl.

Gleichungen (3.16) und (3.17) sowie Abschnitt 8.2.3 in [DIN EN ISO 3744:2011]).

Breitbandiges Spektrum

Das Spektrum des Betriebsgeräusches der Maschine sollte möglichst breitbandig sein (breitbandiges Spektrum), damit bei der Bestimmung der Umgebungskorrektur möglichst alle Raummoden angeregt werden und der Raum zur Bestimmung der Schallleistung von Maschinen mit verschiedenen Geräuschspektren qualifiziert wer-

den kann. Darüber hinaus ist auch die Absorption der Objekte (Helmholtzresonato- ren, etc.) und Oberflächen in einem Raum oft frequenzabhängig.

Kompakt und transportabel

Zur einfachen Durchführung der Ermittlung des Referenzwertes (𝐿𝐿_{𝑊𝑊A,ref}) und der Qualifikation von Räumen (𝐾𝐾_2A) sollte es sich zudem um eine kleine, transportable Maschine handeln.

5 Messaufbau zur Untersuchung der vereinfachten Umgebungskorrektur

5.1 Untersuchte Ersatz-RSS

Im Folgenden werden die anhand der Kriterien ausgewählten und im Rahmen dieses Projektes untersuchten fünf Ersatz-RSS vorgestellt. Die gemessenen Schallleis- tungspegel wurden für alle untersuchten Schallquellen, wie in Abschnitt 5.4 be- schrieben, ermittelt. Der angegebene Wert der gemessenen Schallleistung entspricht dem in Abschnitt 6.2 ermittelten Mittelwert nach einer Betriebszeit von 15 min.

Druckluftkompressor

Abb. 5.1 zeigt den untersuchten Druckluftkompressor. Durch einen angeschlosse- nen, am Ende offenen Druckluftschlauch sollte ein Druckaufbau im Tank des Kom- pressors vermieden und somit eine möglichst konstante Schallemission erreicht wer- den. Das offene Ende des Schlauches lag bei allen Messungen außerhalb der Hüll- fläche.

Abb. 5.1 Untersuchter Druckluftkompressor. Dieser ist mit einem Schallleistungspegel von 98 dB(A) gekennzeichnet.

Tab. 5.1 Technische Daten des Kompressors

Ansaugleistung 235 l⋅min⁻¹

Drehzahl 2850 min⁻¹

Motorleistung 1,5 kW

Abmessungen (Herstellerangabe)

Länge x Breite x Höhe 675 mm × 355 mm × 645 mm

Gewicht 25,5 kg

Schalldruckpegel in 1 m max.

(Herstellerangabe) (87 ± 3)dB(A)

Schallleistungspegel (Herstellerangabe) maximal: 98 dB(A)

Schallleistungspegel (gemessen) (91,5 ± 0,1) dB(A)

Industriestaubsauger

Es wurde ein handelsüblicher, preisgünstiger Industriestaubsauger (siehe Abb. 5.2) aufgrund seiner Schallleistung und der Tatsache, dass der Schlauch abnehmbar ist, ausgewählt. So konnte die Schallabstrahlung des Schlauches vermieden werden, wodurch eine bessere Reproduzierbarkeit erzielt werden sollte. Der Staubsauger wurde zur Sicherstellung einer möglichst konstant bleibenden Schallleistung während des gesamten Projektes nicht im Sinne seiner eigentlichen Funktion (zum Staubsau- gen) verwendet.

Tab. 5.2 zeigt die wesentlichen technischen Angaben (Herstellerangaben: Leistung, Volumen).

Tab. 5.2 Technische Daten des Industriestaubsaugers

Leistung (maximal) 2000 W

Volumen 30 l

Abmessungen

Länge x Breite x Höhe 360 mm × 380 mm × 590 mm

Schallleistungspegel (gemessen) (91,4 ± 0,2) dB(A)

Abb. 5.2 Untersuchter Industriestaubsauger. Er wurde bei den Messungen, wie auf dem Foto gezeigt, ohne Schlauch betrieben.

Handkreissäge

Es wurde eine handelsübliche Handkreissäge aufgrund ihrer angenommenen hohen Verfügbarkeit in Betrieben und ihres hohen Schallleistungspegels ausgewählt. Sie wurde für die Messungen in Bodennähe aufgehängt und im Leerlauf betrieben.

Tab. 5.3 Technische Daten der untersuchten Handkreissäge

Leistung 1050 W

Leerlaufdrehzahl 5600 min⁻¹

Gewicht 3,6 kg

Abmessungen

Länge x Breite x Höhe 310 mm × 220 mm × 170 mm

Schallleistungspegel (Herstellerangabe) (107 ± 3) dB(A) Schallleistungspegel (gemessen) (102,6 ± 0,2) dB(A) Abb. 5.3 Untersuchte Handkreissäge (Motorseite). Für die Messungen wurde die

Säge knapp über dem Boden aufgehängt. Die Schutzklappe über dem Sägeblatt war bei jeder Messung geschlossen.

Hobel

Es wurde ein handelsüblicher Elektrohobel aufgrund seines Schallleistungspegels und seiner angenommenen hohen Verfügbarkeit ausgewählt. Er wurde ebenso wie die Handkreissäge in Bodennähe aufgehängt und im Leerlauf betrieben.

Tab. 5.4 Technische Daten des untersuchten Elektrohobels

Leistung 710 W

Leerlaufdrehzahl 16500 min⁻¹

Gewicht 2,6 kg

Abmessungen

Länge x Breite x Höhe 280 mm × 160 mm × 170 mm

Schallleistungspegel (Herstellerangabe) (95 ± 3) dB(A)

Schallleistungspegel (gemessen) (91,2 ± 0,4) dB(A)

Abb. 5.4 Untersuchter Elektrohobel. Der Motor befindet sich auf der gegenüberlie- genden Seite.

Bluetooth-Lautsprecher in Metallkiste

Der Bluetooth-Lautsprecher wurde aufgrund einer vermuteten, konstanten Schallleis- tung ausgewählt. Die auf einer SD-Karte gespeicherte Tonaufzeichnung mit Rosa- Rauschen wurde in Dauerschleife abgespielt. Für eine möglichst konstante Schall- leistung wurde das Kabel des mitgelieferten Netzteils in die Box geführt und der Lautsprecher quasi mit einer Versorgung aus dem Stromnetz betrieben. Allerdings wurde festgestellt, dass die Schallleistung trotz angeschlossenem Netzteil vom La- dezustand des Akkus abhängt.

Tab. 5.5 Technische Daten zu Bluetooth-Lautsprecher und Metallkiste

Ausgangsleistung des Netzteils 24 W

Gewicht (Bluetooth-Lautsprecher) 1,1 kg

Abmessungen (Bluetooth-Lautsprecher)

Länge x Breite x Höhe 202 mm × 115 mm × 57 mm

Abmessungen (Metallkiste)

Länge x Breite x Höhe 650 mm × 460 mm × 360 mm

Schallleistungspegel (gemessen, ge- schlossene Kiste, Rosa-Rauschen, ma-

ximale Lautstärke eingestellt) (79,6 ± 1,1) dB(A)

Abb. 5.5 Untersuchter Ersatz-RSS-Aufbau aus Bluetoothlautsprecher (SD-Karte mit Rosa-Rauschen) in einer Metallkiste.

5.2 Verwendete Referenzschallquelle

Als Vergleichsobjekt („Benchmark“) bei der Prüfung der Ersatz-RSS gegen die Krite- rien sowie zur Ermittlung eines Referenzwertes für die Umgebungskorrektur („wahrer Wert“) wurde eine aerodynamische Referenzschallquelle verwendet.

Tab. 5.6 Technische Daten der verwendeten Referenzschallquelle

Leistung 500 W

Gewicht 21 kg

Abmessungen (Zylinder) Durchmesser: 300 mm Höhe: 300 mm

Schallleistungspegel (Herstellerangabe) 91 dB(A)

Schallleistungspegel (gemessen, ande- res Messverfahren als bei der Kalibrie-

rung) (91,6 ± 0,1) dB(A)

5.3 Überprüfung der Richtcharakteristik

Die Abb. 5.7 zeigt den verwendeten Aufbau zur Überprüfung der Richtcharakteristik der Ersatz-RSS. Der gezeigte Halbkreisbogen hat einen Radius 𝐴𝐴= 2,2 m und Boh- rungen zur Aufnahme von Mikrofonhalterungen im Abstand von ca. 10° des Poldis- tanzwinkels. Bedingt durch die Länge der Halterungen und der Mikrophone sind die Messpunkte auf einem Halbkreis mit einem Radius 𝐴𝐴= 2 m angeordnet. Der Mess- punkt 1 befindet sich beim Poldistanzwinkel 𝜃𝜃 ≅175°. Die Messpunkte 2-9 auf der rechten Seite des Halbbogens sind bei Poldistanzwinkeln 165°; 155°; 145°; 135°;

Abb. 5.6 Aerodynamische Referenzschallquelle (RSS).

125°; 115°; 105° und 96° positioniert. Auf der linken Seite des Halbkreisbogens fol- gen die Messpunkte 10-18 bei den Winkeln 𝜃𝜃 ≅85°; 80°; 70°; 60°; 50°; 40°; 30°; 20°;

und 10°.

Zur Ermittlung der Richtcharakteristik wurde diese Mikrofonanordnung in 30°- Schritten (Polarwinkel 𝜑𝜑) um die Maschine gedreht. Dabei wurde der Schalldruckpe- gel 𝐿𝐿_𝑝𝑝,eq an jeder Position für 120 s gemittelt. Es wurden jeweils zwei Messreihen für jede der zu untersuchenden Maschinen durchgeführt. Die Messungen erfolgten im reflexionsarmen Halbraum der BAuA in Dortmund (Halbfreifeldeigenschaften qualifi- ziert gemäß [DIN EN ISO 3745:2017] in einem Radius 𝐴𝐴 ≤4 m im Frequenzbereich von 63 Hz bis 12 500 Hz (auf den geprüften Messpfaden)).

5.4 Überprüfung der Stabilität und Reproduzierbarkeit des Schall- leistungspegels

Abb. 5.8 zeigt den Messaufbau zur Überprüfung der Stabilität und Reproduzierbar- keit des Schallleistungspegels. 19 Mikrophone wurden auf einer Halbkugeloberfläche mit dem Radius r = 2 m gemäß der Norm [DIN EN ISO 3744:2011] positioniert. Dar- aus resultieren im Ergebnis 20 Messpunkte, da dem Mikrofon direkt über der Ma- schine in der Mitte der Halbkugel die doppelte Teilfläche (entsprechend 2 Messpunk- ten) zugeordnet wird.

Die Mikrofonanordnung auf der Halbkugel wurde aufgrund des zu vermutenden ge- ringen Winkelfehlers und der hohen Abtastungsdichte (geringer Endlichkeitsfehler durch hohe Anzahl an Messpunkten, siehe z.B. [Hübner 2004]) ausgewählt.

Die Abb. 5.9 skizziert die Position der Messpunkte und der zu untersuchenden Schallquelle.

Abb. 5.7 Halbbogenaufbau zur Ermittlung der Richtcharakteristik der untersuchten Ersatz-RSS. Der Messpunkt 1 befindet sich unten rechts beim Poldistan- zwinkel 𝜽𝜽 ≅ 𝟏𝟏𝟏𝟏𝟓𝟓° (𝜽𝜽= 𝟓𝟓° unten links). Bei der Maschine im Bild handelt es sich um den untersuchten Industriestaubsauger.

𝜃𝜃

Poldistanzwinkel 𝜃𝜃

180°

0°

270° 90°

Erläuterung:

Boden: Polarwinkel 𝜑𝜑 0°

Zur Minimierung von externen Einflüssen auf die Stabilität und Reproduzierbarkeit des Schallleistungspegels 𝐿𝐿𝑊𝑊A wurden die Quellen an einer stabilisierten Span- nungsversorgung (geregelt auf eine Spannung 𝑈𝑈_eff = 230 V bei einer Frequenz 𝑓𝑓 = 50 Hz) betrieben.

Zur Abschätzung des Effektes von Netzschwankungen in der Praxis und bei der Er- mittlung der Umgebungskorrektur wurden einige Ersatz-RSS zusätzlich noch bei den stabilisierten Spannungen von 𝑈𝑈_eff = 220 V und 𝑈𝑈_eff = 240 V gemessen (vgl. Ab- schnitt 6.2.7).

Abb. 5.8 Mikrofonanordnung auf einer Halbkugeloberfläche (20 Messpunkte) zur Überprüfung der Stabilität und Wiederholbarkeit der Schallleistung.

Abb. 5.9 Skizze zur Position der Messpunkte auf der Projektion der Halbkugelober- fläche auf eine Kreisfläche.