{"id":47250,"date":"2020-11-27T11:22:06","date_gmt":"2020-11-27T11:22:06","guid":{"rendered":"https:\/\/www.dewetron.com\/news\/grundlagen-der-akustischen-messtechnik\/"},"modified":"2025-01-22T11:41:24","modified_gmt":"2025-01-22T11:41:24","slug":"grundlagen-der-akustischen-messtechnik","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.dewetron.com\/de\/news\/grundlagen-der-akustischen-messtechnik\/","title":{"rendered":"Grundlagen der akustischen Messtechnik"},"content":{"rendered":"
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Welche schallrelevanten Gr\u00f6\u00dfen gibt es eigentlich in der akustischen Messtechnik und was sagen diese aus? Wie funktioniert ein Messmikrofon? Und was ist eigentlich die omin\u00f6se Einheit Dezibel [dB]?
\nDiese Fragen haben Sie sich auch schon \u00f6fters gestellt? Dann haben wir hier nicht nur die dazugeh\u00f6rigen Antworten f\u00fcr Sie, sondern noch einiges mehr an Informationen zum Thema akustische Messtechnik!
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Welche schallrelevanten Gr\u00f6\u00dfen gibt es in der akustischen Messtechnik?<\/strong><\/h3>\n

Eine allgemeine Definition f\u00fcr den Begriff Schall<\/strong> besagt, dass Schall jene physikalische Erscheinung ist, die den Geh\u00f6rsinn erregt und dort Ton, Klang und Ger\u00e4uschempfindung ausl\u00f6st. Kurz gesagt \u2013 Schall ist alles, was wir h\u00f6ren. Das Medium, in dem sich Schall verbreitet, ist \u00fcblicherweise die Luft. Schall kann sich aber auch in anderen gasf\u00f6rmigen Medien oder beispielsweise ebenfalls in Wasser.<\/p>\n

Die Ausbreitung erfolgt wellenf\u00f6rmig, daher taucht in der akustischen Messtechnik immer wieder der Begriff Schallwellen<\/strong> auf. Jede Schallwelle kann man durch eine unendliche Summe an \u00fcberlagerten Sinuswellen mathematisch beschreiben. Dieser mathematische Ansatz ist allgemein als Fourier-Reihenentwicklung bekannt.<\/p>\n

Breitet sich Schall im Raum aus, ist die Schallgeschwindigkeit<\/strong> [m\/s] eine wichtige Gr\u00f6\u00dfe. Diese gibt an, wie lange es dauert, bis eine Schallwelle von Punkt A zu Punkt B gelangt. Wichtig ist hier zu wissen, dass die Schallgeschwindigkeit temperaturabh\u00e4ngig ist. Je w\u00e4rmer es ist, desto h\u00f6her ist auch die Schallgeschwindigkeit. Bei einem angenommenen Richtwert einer Schallgeschwindigkeit von 340 m\/s bewegt sich also eine Schallwelle in einer Sekunde 340 m weiter.<\/p>\n

Mit jemandem auf einer Wellenl\u00e4nge zu sein, das ist eine Sache. Wenn man von der Wellenl\u00e4nge<\/strong> in der Akustik spricht, meint man aber ganz was anderes. Hier beschreibt diese Gr\u00f6\u00dfe n\u00e4mlich die r\u00e4umliche L\u00e4nge einer Periode der Schallwelle und ist die Verkn\u00fcpfung der Schallwellen-Frequenz mit der Schallgeschwindigkeit. Gemessen wird die Wellenl\u00e4nge in Metern. Nicht nur in der akustischen Messtechnik braucht man die Berechnung der Wellenl\u00e4nge, auch in der Elektrotechnik ist sie eine wichtige Gr\u00f6\u00dfe. Um die Ausbreitung von Licht- oder Radiowellen zu messen, wird ebenfalls die Wellenl\u00e4nge verwendet, allerdings anhand der Lichtgeschwindigkeit statt der Schallgeschwindigkeit.<\/p>\n

Eine der wichtigsten Gr\u00f6\u00dfen in der Akustik ist der Schalldruck<\/strong>. Dieser ist genau die Gr\u00f6\u00dfe, die man mit einem Mikrofon messen kann. Schalldruck wird in Pascal gemessen und ist aufgeschl\u00fcsselt genau dasselbe wie die physikalische Gr\u00f6\u00dfe Druck und beschreibt die Kraft pro Fl\u00e4che.<\/p>\n

Neben dem Schalldruck gibt es auch noch den sogenannten Schalldruckpegel<\/strong>.<\/p>\n

Die sogenannte Schallschnelle<\/strong> beschreibt die Partikelgeschwindigkeit des Mediums, durch welches die Schallwelle \u00fcbertragen wird. Bildlich gesprochen beschreibt die Schallschnelle also die Geschwindigkeit, mit der ein Luftmolek\u00fcl um seine Ruheposition schwingt. Die Ruhegeschwindigkeit betr\u00e4gt dabei definitionsgem\u00e4\u00df 50 nm\/s. Die Schallleistung<\/strong> ist die Energie, die durch eine Schallwelle \u00fcbertragen wird. Mathematisch ist die Schalleistung P der Schalldruck multipliziert mit der Schallschnelle und einer fixen Oberfl\u00e4chengr\u00f6\u00dfe, durch die sich dieses Produkt bewegt.
\nAuch hier gibt es den sogenannten Schallleistungspegel<\/strong>.
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Beispiel: Unterschied zwischen Schalldruck und Schallleistung in der Akustik<\/strong><\/h3>\n

Wenn man sich einen Heizk\u00f6rper in einem Raum vorstellt, so hat dieser eine gewisse elektrische oder thermische Leistung. Diese sorgt daf\u00fcr, dass man im Raum eine gewisse Temperatur hat. Die Leistung des Heizk\u00f6rpers ist immer die gleiche und unabh\u00e4ngig vom Raum. Abh\u00e4ngig vom Raum \u00e4ndert sich dabei nur die Temperatur. Je weiter man allgemein vom Heizk\u00f6rper weg ist, desto geringer ist die Temperatur. \u00c4hnlich wie dieses Beispiel kann man sich auch den Zusammenhang zwischen Schalldruck und Schallleistung vorstellen. Die Schallleistung ist die Ursache des Schalldrucks. Zum Beispiel hat ein Staubsauger eine gewisse Schallleistung und gibt daher ein gewisses Ger\u00e4usch ab. Diese Leistung ist unabh\u00e4ngig vom Raum immer die gleiche. Auch hier gilt wieder \u2013 je weiter man von der Schallquelle weg ist, desto geringer ist der Schalldruck. Besonders bei Elektroger\u00e4ten ist Schallleistung ein Thema. Diese ist als Dezibel-Wert auf diversen Etiketten angegeben und spiegelt die Schallleistung wider.<\/p>\n

\"schalldruck-schallleistung-erkl\u00e4rung\"<\/p>\n

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Wie funktioniert ein Messmikrofon?<\/strong><\/h3>\n

Um in der Akustik etwas messen zu k\u00f6nnen, braucht man einen Sensor und um Schalldruck zu messen, ben\u00f6tigt man ein Messmikrofon. Die h\u00e4ufigste Bauform der Wandler-Arten bei Messmikrofonen ist die sogenannte IEPE (Integrated Electronics Piezo Electric) Wandler-Art. Als Wandler ist hier ein piezoelektrisches Material, wie z.B. Quarz oder Keramik, verbaut. IEPE-Wandler sind auch als ICP oder CCLD bekannt. Der Sinn eines Messmikrofons ist es, eine Schallwelle in eine elektrische Gr\u00f6\u00dfe umzuwandeln. Und wie funktioniert das? Wenn keine Ladung auf den Wandler trifft, sind alle Ladungen untereinander ausgeglichen. Wenn allerdings eine Kraft in Form von Schalldruck auf diesen Wandler wirkt, dann kommt es zu einer Ladungsverschiebung. Diese Ladungsverschiebung kann man als Spannung messen. Sie ist proportional zum Schalldruck und wird \u00fcber ein Kabel (meist BNC) an den Messeingang weitergeleitet.<\/p>\n

Ein Verst\u00e4rker, der im Sensor verbaut ist und die Ladungsdifferenz in eine Spannung umwandelt, muss mit Strom versorgt werden. Dieser Versorgungsstrom ist als sogenannter Excitation Current in den Datenbl\u00e4ttern angegeben und liegt meist zwischen 2 und 20 mA. Die Stromversorgung erfolgt direkt vom Messeingang \u00fcber die Signalleitung. Einige Vorteile von IEPE-Messmikrofonen sind ein hoher Dynamikumfang, sehr geringes Grundrauschen von lediglich 5 dB(A) und Schalldruckpegelmessungen bis zu 180 dB(A). Weiters haben diese Mikrofone einen linearen Frequenzgang und Kabell\u00e4ngen bis zu 100 m k\u00f6nnen problemlos realisiert werden.<\/p>\n

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Was ist der Unterschied zwischen dem erkl\u00e4rten Mikrofon und einem Konzertmikrofon?<\/strong><\/h3>\n

Zum einen besteht der Unterschied nat\u00fcrlich in der Gr\u00f6\u00dfe und Bauform. Das B\u00fchnenmikrofon muss gut in der Hand liegen, w\u00e4hrend das Messmikrofon so klein wie m\u00f6glich sein muss. Ebenso unterscheidet sich die Wandler-Art der beiden Typen. Im Messmikrofon sind meistens piezoelektrische Wandler verbaut. In einem Konzertmikrofon sind entweder dynamische Wandler oder Kondensator-Wandler im Einsatz, um den Schalldruck in ein elektrisches Signal umzuwandeln. Konzertmikrofone haben bewusst keinen linearen Frequenzgang, um ein nat\u00fcrlicheres Klangerlebnis zu erm\u00f6glichen.<\/p>\n

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Die Messeinheit Dezibel in der Akustik<\/strong><\/h3>\n

Die physikalische Einheit druck wird in Pascal [Pa] oder Bar [bar] gemessen, Schalldruck wird immer in Pascal [Pa] angegeben. Das menschliche Geh\u00f6r kann Schalldruck von ca. 20 \u00b5Pa bis 200 Pa wahrnehmen. Dabei handelt es sich um einen riesigen Dynamikbereich, der sich \u00fcber 7 Dekaden erstreckt. Um die \u00dcbersicht zwischen Nullen und Nachkommastellen \u00fcber den gesamten Dynamikbereich nicht zu verlieren, wurde Dezibel [dB] als Einheit eingef\u00fchrt. Der gesamte Dynamikbereich zwischen 20 \u00b5Pa und 200 Pa l\u00e4sst sich dadurch \u00fcberschaubar in 0 bis 140 dB abbilden. Sobald man nicht mehr nur vom Schalldruck, sondern vom Schalldruckpegel oder Schallleistungspegel statt Schallleistung spricht, liegen Werte immer in der Einheit dB vor.<\/p>\n

Unser Geh\u00f6r kann einen Frequenzbereich von etwa 20 Hz bis 20 kHz wahrnehmen. Mit einem Alter von etwa 20 Jahren wenn das Geh\u00f6r voll entwickelt ist, kann man eine Frequenz von bis zu 20 kHz wahrnehmen. Mit zunehmendem Alter nimmt die obere H\u00f6rschwelle mit etwa 2kHz pro Lebensjahrzehnt ab. Das Geh\u00f6r hat eine gewisse H\u00f6rschwelle unterhalb welcher der Schalldruckpegel nicht mehr wahrgenommen werden kann. Bei ca. 120 dB liegt die Schmerzgrenze des Geh\u00f6rs. Geh\u00f6rsch\u00e4den sind aber schon bei einer dauerhaften Belastung von ca. 85 dB m\u00f6glich, was in etwa der L\u00e4rmbelastung durch eine Hauptverkehrsstra\u00dfe entspricht.<\/p>\n

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\"Akustik_Geh\u00f6r_Frequenzbereich\"<\/p>\n

Und was ist nun dB(A)?<\/strong><\/h3>\n

Wenn man irgendwo die Einheit dB(A) liest, dann hat dies mit Frequenzgewichtung zu tun. Wozu braucht man diese Gewichtung und warum ist sie wichtig? Nicht alle Frequenzen werden vom Geh\u00f6r gleich laut wahrgenommen. Phonkurven beschreiben diese nicht lineare Eigenschaft des Geh\u00f6rs. Phon \u2013 die psychoakustische Einheit f\u00fcr Lautheit \u2013 beschreibt mit welchem Schalldruckpegel ein Schallereignis wiedergegeben werden muss, damit es \u00fcber den gesamten Frequenzbereich gleich laut wahrgenommen wird.<\/p>\n

Ein Beispiel dazu: Um einen 1-kHz-Ton und einen 50-Hz-Ton gleich laut mit 60 Phon wahrzunehmen, m\u00fcsste der 1-kHz-Ton mit 60 dB und der 50-Hz-Ton mit ca. 80 dB wiedergegeben werden.<\/p>\n

\"Akustik_Phonkurven\"<\/p>\n

Um das nicht lineare Verhalten des Geh\u00f6rs messtechnisch und akustisch besser ber\u00fccksichtigen zu k\u00f6nnen, wurden Frequenzbewertungskurven eingef\u00fchrt. Daf\u00fcr wurden einst vier unterschiedliche Kurven eingef\u00fchrt:<\/p>\n