Inbetriebnahme eines reflexionsarmen Halbraums für elektroakustische Messungen

Diplomarbeit von Sergej Ortmann

Einleitung:

Wie laut sind die Maschinen? Es ist nicht einfach, eine präzise Antwort auf diese Frage zu finden. Zur Charakterisierung des Geräusches einer Maschine, eines Fahrzeugs, eines Presslufthammers oder eines Haushaltsgerätes reicht es nicht aus, den Schalldruckpegel in einem bestimmten Abstand zur Quelle zu messen. Der gemessene Schalldruckpegel ist von der jeweiligen Richtcharakteristik der Quelle sowie auch von den akustischen Eigenschaften der Umgebung abhängig. Ein unzweideutiges Maß für die Lärmmenge, die von einer Quelle erzeugt wird, ist die Gesamtschallleistung, die von der Quelle abgestrahlt wird. Die Schallleistung einer Quelle ist die gesamte akustische Abstrahlung, z.B. in Watt. Sie lässt sich als Pegel in dB relativ zu einem Bezugspegel ausdrücken, genau wie man den Schalldruck als Schalldruckpegel ausdrückt.

Die meisten Schallleistungspegel, denen wir täglich begegnen, liegen zwischen 20 und 140 dB, bezogen auf 1 Picowatt.

Die Harmonisierung der Normen und Richtlinien auf dem europäischen und internationalen Absatzmarkt führt zu einer Flut von neuen Vorschriften und Normen. Maschinen und Fahrzeuge dürfen heute ohne Angaben über ihre Geräuschentwicklung nicht mehr hergestellt und auf den Markt gebracht werden. Hersteller und Anwender sind verpflichtet, im sogenannten Geräuschdatenblatt Angaben über die arbeitsplatzbezogenen Geräuschemissionen sowie den Schallleistungspegel der Geräte zu machen. Diese Angaben dienen einer besseren Vergleichbarkeit der einzelnen Maschinen. Die Käufer werden immer lärmbewusster und ruhige Produkte lassen sich leichter verkaufen. Daher steigt der Bedarf an Schallleistungsmessungen stetig. Auch bei der Fertigungskontrolle, z.B. von Staubsaugern, Nähmaschinen, Düsentriebwerken usw., sind Schallleistungsmessungen von Nutzen. In der HiFi-Technik dienen Schallleistungsmessungen zur Bestimmung des elektroakustischen Wirkungsgrades von Lautsprechern und ihren Richtwerten.

Alle gebräuchlichen Methoden zur Bestimmung von Schallleistung basieren auf der Messung des Schalldrucks, da dieser einfach und genau zu bestimmen ist. Der Schalldruckpegel einer Quelle variiert (mit Ausnahme isotroper Quellen), wenn man sich um die Quelle bewegt, d.h. jede Schallquelle hat eine spezielle Richtcharakteristik. Weiterhin ändert sich die Richtcharakteristik erheblich bei Veränderung der unmittelbarer Umgebung der Quelle, z.B. wenn sie von einem freien Feld (in einem reflexionsarmen Raum) auf einer harten, reflektierenden Oberfläche (eine Wand oder ein Fußboden) angebracht wird. Eine einzelne Schalldruckmessung reicht daher zur Bestimmung des Schallleistungspegels nicht aus. Stattdessen ist eine räumliche Mittelung des Schalldruckpegels notwendig. Ändert sich die Richtcharakteristik zeitlich, muss auch über die Zeit gemittelt werden. Einzelheiten dieser räumlichen und zeitlichen Mittelungen hängen sowohl von der Natur des emittierten Schalls als auch von der Prüfumgebung ab.

Als Beispiel für die Veränderung des Schalldruckpegels bei Ortsveränderung der Schallquelle sei ein Schalldruckpegel von 80 dB angenommen, der in einem Abstand von 2 m von der Breitbandschallquelle in einem reflexionsarmen Raum gemessen wurde. Wird diese Quelle mit Kugelcharakteristik in der Ecke eines großen Raums aufgestellt, so beträgt der gemessene Schalldruckpegel bei einem Abstand von 2 m 89 dB, obwohl die Schallleistungsabgabe unverändert war. Daher müssen die Schalldruckpegel-Messungen für die Schallleistungsbestimmung möglichst in einem reflexionsarmen Raum durchgeführt werden, wo es keine Reflexionen gibt (außer der reflektierenden Ebene in einem reflexionsarmen Halbraum).

Inhaltsverzeichnis:

Textprobe:

Kapitel 4.1, Verfahren zur Feststellung der Eignung der reflexionsarmen Räumen und Halbräumen: Die Verfahren zur Feststellung der Eignung (Einmessung) von reflexionsarmen Räumen und Halbräumen sind in ISO 3745 im Anhang A - ‚Verfahren zur Feststellung der generellen Eignung von reflexionsarmen Räumen und Halbräumen’, und Anhang B - ‚Verfahren zur Feststellung der Eignung zur Bestimmung der Schallleistungspegel von Geräuschquellen’ auf Seiten 22 bis 27 vorgeschrieben.

Kapitel 4.1.1, Verfahren zur Feststellung der generellen Eignung von reflexionsarmen Räumen und Halbräumen: Bei dem im Anhang A vorgeschriebenen Verfahren geht es um Bestimmung der Abweichung des von einer punktförmigen Quelle abgestrahlten Schalls von der Gleichmäßigkeit der Schalldruckabnahme mit dem Quadrat der Entfernung (Entfernungsgesetz). Theoretisch fällt der Schalldruck linear mit der Vergrößerung des Abstandes von der Schallquelle ab, d.h. bei jeder Verdoppelung um 6 dB. Es wird nun an von der Schallquelle verschieden entfernten Messpunkten der Schalldruck gemessen und mit für diese Messpunkte theoretisch berechneten Werten verglichen.

Anforderungen an die Messeinrichtung: Die Messeinrichtung einschließlich der Mikrofone und Zuleitung muss die Anforderungen an ein Messgerät der Klasse 1 nach IEC 61672 (Elektroakustik - Schallpegelmesser) erfüllen. Die verwendeten Filter müssen die Anforderungen an ein Messgerät der Klasse 1 nach IEC 61260 (Elektroakustik - Bandfilter für Oktaven und Bruchteile von Oktaven) erfüllen.

Prüfschallquelle: Als Prüfschallquelle muss ein elektroakustisches System verwendet werden, dessen Lautsprecher in der Raummitte (bei einem reflexionsarmen Vollraum) oder auf der reflektierenden Ebene (bei einem reflexionsarmen Halbraum) angeordnet werden müssen. Das Lautsprechersystem muss einen ausreichend hohen und konstanten Schalldruckpegel erzeugen und den Schall im Wesentlichen in alle Richtungen gleichmäßig abstrahlen. Für verschiedene Frequenzbereiche sollen verschiedene Lautsprechersysteme verwendet werden. - bis 400 Hz: Elektrodynamischer Lautsprecher mit maximal 25 cm Durchmesser (bei reflexionsarmen Halbräumen nicht mehr als 8 cm über der reflektierenden Ebene aufgestellt).

- 400 Hz bis 2000 Hz Zwei elektrodynamische Lautsprecher mit maximal 10 cm Durchmesser, deren Gehäuseringe gegeneinander so verschraubt sind, dass sie in einer Ebene liegen, und die elektrisch so miteinander verbunden sind, dass sie eine ‚atmende’ Monopolkugel ergeben. Als Alternative könnte auch eine kleinere Version des Lautsprechers für den Frequenzbereich bis 400 Hz verwendet werden (bei reflexionsarmen Halbräumen nicht mehr als 2 cm über der reflektierenden Ebene aufgestellt).

- über 2000 Hz Geschlossenes Lautsprechersystem mit einer engen Öffnung für den Schallaustritt (Durchmesser kleiner als 1 cm) (bei reflexionsarmen Halbräumen nicht mehr als 0,5 cm über der reflektierenden Ebene aufgestellt).

Anordnung der Prüfschallquelle: In reflexionsarmen Räumen ist die Prüfschallquelle so anzuordnen, dass ihr akustisches Zentrum identisch mit dem Mittelpunkt der kugelförmigen Messfläche ist, der vorzugsweise in der Raummitte liegt. In reflexionsarmen Halbräumen ist die Prüfschallquelle so auf der Ebene des reflektierenden Bodens anzuordnen, dass sich ihr akustisches Zentrum möglichst weniger als 0,1 Wellenlängen von der Ebene des reflektierenden Bodens entfernt befindet. Dazu wird empfohlen, die Prüfschallquelle entweder in einer Vertiefung in dem reflektierenden Boden aufzustellen oder sie unmittelbar über der Ebene des reflektierenden Bodens anzuordnen.

Mikrofonbahnen: Die Mikrofone sind auf mindestens fünf geraden Bahnen zu bewegen, die vom Zentrum der Prüfschallquelle ausgehend in verschiedene Richtungen verlaufen. Die Hauptmikrofonbahnen sind die Verbindungslinien zwischen der Schallquelle und den Raumecken. Bei einem reflexionsarmen Halbraum sind Bahnen sehr dicht und parallel zum reflektierenden Boden zu vermeiden.

Prüfschall: Die Prüfschallquelle muss Einzeltöne erzeugen, die im einzelnen Schritten den gesamten für die zu untersuchende Geräuschquelle interessierenden Frequenzbereich abdecken. Bei den Frequenzen unterhalb von 125 Hz und oberhalb von 4000 Hz sind Terzschritte zu verwenden, zwischen 125 Hz und 4000 Oktavschritte.

Messung des Schalldruckpegels: Für jede Frequenz ist das Mikrofon entlang der Mikrofonbahnen zu bewegen. Der Schalldruckpegel ist ab 0,5 m vom akustischen Zentrum des Lautsprechers bis zur kugel- oder halbkugelförmigen Messfläche zu messen. Die Schalldruckpegel werden in Abständen gemessen, die nicht größer als ein Viertel der Schallwellenlänge bei der jeweiligen Frequenz sind. Bei Frequenzen über 1000 Hz betragen die Messabstände jedoch etwa 0,1 m. Auf jeder Bahn ist an mindestens 10 Punkten zu messen.