AKUSTISCHE MESSTECHNIK

Dieses Online-Seminar bietet gebündelte Informationen zu den Grundlagen der akustischen Messtechnik. Nach einer Übersicht der in der Akustik häufig verwendeten Mess- größen und Sensoren werden Methoden der akustischen Messtechnik, beispielsweise FFT-Analysen, Spektrogramme und darauf aufbauende Algorithmen wie Modalanalyse und Schallquellenortung (z.B. akustische Kamera) behandelt.

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Mit akustischen Messgeräten können eigentlich nur zwei grundsätzliche Messgrößen direkt erfasst werden: die Schallschnelle und der Schalldruck.

Die Schallschnelle beschreibt, wie schnell die Luftmoleküle in der Atmosphäre hin- und her schwingen. Je schneller sie schwingen, desto größer ist die gemessene Schallschnelle. Nachdem die Teilchen ja in eine bestimmte Richtung schwingen, ist es möglich, eine Schwingrichtung anzugeben. Deshalb kann die Schallschnelle als Vektor gesehen werden.

Der Schalldruck ist hingegen eine skalare Größe. Der bei uns am Erdboden vorherrschende Luftdruck wird, wenn eine Schallquelle (z.B. Stimmbänder, Trommel, Auspuff) vibriert, von kleinen Druckschwankungen überlagert, die sich durch die Luft ausbreiten, bis sie bei unseren Ohren eintreffen und wahrgenommen werden. Wir hören die Schallquelle. Je weiter sich die Druckschwankungen durch die Atmosphäre ausbreiten, desto schwächer wird der Schalldruck – das Geräusch wird leiser wahrgenommen, wenn die Schallquelle weiter weg ist. Die meisten Messgeräte erfassen den Schalldruck.

Vergleichen wir zum besseren Verständnis der Akustik die Schallausbreitung mit der Ausbreitung von Licht:

Stellen Sie sich eine leuchtende Glühlampe vor. Wenn Sie Ihre Hand in 1 m Entfernung von der Glühlampe halten spüren sie eine gewisse Wärme. Wenn Sie die Hand näher an die Glühlampe heranbringen werden sie immer mehr Wärme spüren, bis Sie sich im Nahbereich der Lampe Ihre Finger verbrennen.

Im übertragenen Sinn entspricht die gespürte Wärme der Glühlampe dem Schalldruck einer Schallquelle, den Sie mit einem Schallmessgerät messen können.

Die Glühlampe selbst ist z.B. mit 100 W beschriftet. D. h. sie emittiert eine Licht- und Wärmeleistung von 100 W. Die Leistung ist also ist eine fest definierte Größe für eine bestimmte Glühlampe. Im übertragenen Sinn ist die Schallleistung einer Schallquelle eine fest definierte Größe für eine bestimmte Quellstärke der Schallquelle. Je höher die Schallleistung einer Schallquelle ist, desto lauter ist sie.

Aus der Schallleistung heraus kann ein Schalldruck in einer bestimmten Entfernung berechnet werden. Die Schallleistung verteilt sich bei kugelförmiger Schallausbreitung auf der jeweiligen Kugeloberfläche, die sich durch die Entfernung von der Schallquelle ergibt. D. h. bei größeren Abständen von der Schallquelle nimmt der Schalldruck natürlich ab, weil die Oberfläche, auf der sich die Schallleistung verteilt bei größerer Kugeloberfläche größer wird.

Wir Menschen können sowohl sehr leise Signale hören, und trotzdem zerreißen bei lauten Signalen nicht gleich unsere Trommelfelle. Wir können Schalldrücke von 0,00002 Pa (Hörschwelle) bis 20 Pa (Schmerzgrenze) wahrnehmen. Um diese große Spannweite abzudecken verwenden wir für die Beschreibung des Schalldrucks die logarithmische Größe des Schalldruckpegels.

Als Bezugswert wird die Hörschwelle hergenommen. Damit entspricht die Hörschwelle einen Schalldruckpegel von 0 dB und die Schmerzgrenze einem Schalldruckpegel von 120 dB.

So wird für uns ein bestimmter Schalldruckpegel von beispielsweise 50 dB deutlich einfacher vorstellbar, als wenn wir den Schallwechseldruck von 0,0063 Pa angeben würden.

Auch die Schallleistung wird über die logarithmische Größe des Schallleistungspegels dargestellt. Der Bezugswert des Schallleistungspegels ist 10E-12 Watt.

Fassen wir also noch einmal kurz zusammen: Direkt messen können wir Drücke und Geschwindigkeiten in der Luft sowie Beschleunigungen und Schwinggeschwindigkeiten von Festkörpern. Die entsprechenden Messungen erfolgen mit sogenannten Sensoren.

Beispielsweise ist ein Mikrofon Sensor für den Schalldruck in der Luft. Je höher die Schalldrücke in der Luft sind, desto weiter schlägt die Mikrofonmembran aus und führt zu größeren Spannungsschwankungen im Messsystem. Ein höherer Schalldruck wird vom Messgerät angezeigt.

Die Beschleunigung auf einen Festkörper, beispielsweise auf einer Autotür, kann mit einem Piezo-Beschleunigungssensor ermittelt werden. Doch dazu später.

Aus den angeführten Feldgrößen können dann über einfach formale Zusammenhänge die Leistungsgrößen „Intensität“ und „Leistung“ einer Schallquelle berechnet werden.

Der wesentliche Nutzen eines Schallmessgeräts besteht darin, dass wir die Eigenschaften einer Schallwelle auf einer Anzeige erkennen können. Dazu müssen die Eigenschaften der Schallwelle (Schalldruck oder Schallschnelle) mit einem Mikrofon in ein elektrisches Signal umgewandelt werden. Dieses elektrische Signal wird dann in einer elektronischen Schaltung weiterverarbeitet und logarithmisch umgerechnet. Auf der Anzeige des Messgeräts wird uns sodann der Schalldruckpegel angezeigt.

Natürlich wollen wir auf der Anzeige des Schallmessgeräts ausschließlich die interessierende Messgröße, also den Schalldruckpegel, angezeigt bekommen. Eine Beeinflussung durch andere Größen, wie z.B. die Umgebungstemperatur, ist absolut unerwünscht, da sie zu einer Fehlmessung führt. Beispielsweise wird die Beeinflussung vom Wind durch das Aufsetzen eines Windschutzes auf das Mikrofon verringert.

Von großem Vorteil ist ein möglichst großer Dynamikbereich des Messgeräts. Wir wollen oft von der Hörschwelle (0 dB) bis über die Schmerzgrenze (120 dB) hinaus akustische Messungen durchführen. Der gewünschte Dynamikbereich des Messgeräts wäre dann mehr als 120 dB.

Die am häufigsten in der Akustik verwendeten Sensoren sind Kondensatormikrofone. In einem Kondensatormikrofon wird eine dünne Metallmembran durch die eintreffenden kleinen Druckschwankungen der Luft (also durch das eintreffende Geräusch) zum Schwingen angeregt. Dadurch ergeben sich kleine Spannungsschwankungen die von einer Elektronik ausgewertet und in einen Schalldruckpegel umgerechnet werden. Der Schalldruckpegel wird dann auf der Anzeige des Messgeräts angezeigt.

Kondensatormikrofone zeigen eine sehr hohe Signalqualität. Deswegen werden sie häufig als Studiomikrofone und als hochpräzise Messmikrofone eingesetzt.

Am Markt werden in den letzten Jahren vermehrt digitale Mikrofone, sogenannte MEMS-Mikrofone, angeboten.

Die am häufigsten eingesetzten Schwingungssensoren sind Beschleunigungssensoren die nach dem Piezo-Prinzip funktionieren. D. h. im Sensor ist eine kleine Schwingmasse auf einem Piezokristall befestigt.

Wenn eine Schwingung auf den Beschleunigungssensor einwirkt beginnt diese kleine Masse im Sensor zu schwingen und verbiegt durch die Massenträgheit den Piezokristall. Durch die Verbiegung des Kristalls entstehen kleine elektrische Ladungen, die durch eine Elektronik in eine Spannung umgewandelt werden. Über die Elektronik des Messgeräts können dann auf einer Anzeige die Körperschall-Schwingungen angezeigt werden.

Die Messungen der Beschleunigung erfolgen oftmals in eine Raumrichtung , weil zumeist nur ein Piezokristall im Sensor eingebaut ist. Einige Beschleunigungssensoren haben jedoch auch drei zueinander orthogonale Piezokristalle installiert. Dann ist mit einem an einem Ort befestigten Beschleunigungssensor die gleichzeitige Messung in gleich drei Raumrichtungen (x, y und z) möglich.

Die Messung des über einen bestimmten Zeitraum gemittelten Schalldruckpegels liefert in vielen Fällen zu wenige Informationen, um ein Geräusch hinreichend genau beurteilen zu können. Deshalb gibt es zahlreiche Möglichkeiten, ein Geräusch hinsichtlich seiner akustischen Kriterien zu bewerten.

Oft ist es erwünscht, den Verlauf des Schalldruckpegels oder des Schwingungspegels über den gesamten Zeitraum der Messung zu betrachten. So können die Pegelschwankungen, auffällige Spitzen oder  Hintergrundgeräusche gut erkannt und beurteilt werden.

Die Frequenzzusammensetzung von Geräuschen gibt eine Aussage über den entstehenden Geräuscheindruck. Aus der Frequenzcharakteristik kann beispielsweise ersehen werden, ob ein Geräusch viele tieffrequente Anteile aufweist oder eher hochfrequent ist.Dies weist dann wiederum auf die psychoakustische Wirkung des Geräuschs hin.

Die Darstellung der Frequenzzusammensetzung kann eher rudimentär in Form von Oktavbändern oder genauer in Form von Terzbändern erfolgen. Sehr genaue Aussagen über die Frequenzcharakteristik liefert eine FFT (Fast Fourier Transformation) des untersuchten Geräuschs. Dieser Rechenalgorithmus übersetzt das Geräusch in seine genauen Frequenzanteile. So können höchst genaue Auflösungen, beispielsweise bis 0,1 Hz erzielt werden. Damit wird es möglich, akustische Effekte sehr exakt zu beschreiben und Ursachen von störenden Geräuschen zu finden. Außerdem ist die FFT Basis für viele weiterführende Berechnungsmethoden, beispielsweise Modalanalysen, Betriebsschwingungsanalysen oder die akustische Kamera.

Nachdem der über einen Messzeitraum gemittelte Schalldruckpegel oft nicht alle für die Lösung eines Problems gewünschten Informationen liefert, ist es oft sinnvoll, sich den Verlauf des Schalldruckpegels über die Messzeit genauer anzusehen. Damit können die im Messzeitraum auftretenden Schallpegelspitzen, aber auch das dauernd vorhandene Grundgeräusch gut ausgewertet werden.

Beispielsweise wäre es möglich, aus dem Pegel-Zeitverlauf Hundegebell herauszufiltern und die tatsächliche akustische Wirkung des Gebells (z.B. Maximalpegel) festzustellen.

Um Hintergrundgeräusche, die nicht gemessen werden sollen aus der Gesamtbetrachtung auszuschließen, ist es in vielen Fällen möglich, diese Schallereignisse mit Hilfe der Analyse-Software zu exkludieren.

Wie schon beschrieben ist die alleinige Angabe eines Schalldruckpegels oft nicht hinreichend genau, um ein Geräusch gut beschreiben zu können. Deswegen ist es häufig von Vorteil, die Frequenzverteilung des Geräusches darzustellen.

Die einfachste und oft ausreichend genaue Methode ist die Angabe der Frequenzverteilung in Terzen oder Oktaven. Die Angabe in Terzen ist dreimal so genau wie die Angabe in Oktaven. Deswegen wird in vielen Fällen "einfach" eine Terzbandanalyse durchgeführt.

Das menschliche Gehör nimmt tiefe und hohe Frequenzen weniger deutlich wahr als mittlere Frequenzen. Um diese hoch- und tieffreqente "Schwerhörigkeit" des Menschen mit dem Messgerät nachzuahmen werden deshalb tiefe und hohe Frequenzen von einem Filter gedämpft. Dieser Berechnungs-Algorithmus nennt sich A-Bewertung. Durch die A-Bewertung können Geräusche deshalb „ohrengerecht“ dargestellt werden.

Die rudimentär auflösende Oktavbandanalyse gibt einen grundsätzlichen Eindruck der Frequenzverteilung eines Geräusches. In vielen Fällen wird die Oktavanalyse bei Verkehrslärmmessungen eingesetzt, da durch die gröbere Mitteilung eine bessere Übersicht gewährleistet wird. Auch im Rahmen von Messungen der Bau- und Raumakustik, z.B. der Nachhallzeit, wird meist die Oktavanalyse eingesetzt.

Die Terzanalyse ergibt bessere Frequenzauflösungen. Dies rührt daher, dass eine Oktav aus drei Terzen besteht. Mittels Terzanalyse können somit einzelne Frequenzen wesentlich besser aus dem gesamten Geräuschkontinuum heraus gelesen werden als mit einer Oktavanalyse. Oftmals wird auch gesagt, dass die menschlichen Ohren in Terzen hören.

Aus diesen Gründen ist es in vielen Fällen durchaus sinnvoll, Geräuschoptimierungen von Maschinen und Anlagen auf Basis von Terzanalysen durchzuführen. Auch störende Schallquellen können auf Grundlage von Terzanalysen „entlarvt“ werden und darauf aufbauend technische Maßnahmen zur effizienten Lärmminderung entwickelt werden.

Die FFT, also die Fast Fourier Transformation, bietet viele hervorragende Möglichkeiten, einzelne Frequenzen präzise aus dem Geräuschkontinuum "herauszuschälen". Bei der FFT sind keine elektronischen Filter erforderlich, sondern die Berechnung der Geräuschzusammensetzung erfolgt aus dem Zeitsignal heraus auf Basis eines ausgeklügelten Rechenalgorithmus.

Eine wesentliche Bedingung des FFT-Algorithus ist, dass für höhere Frequenzauflösungen immer längere Messzeiten erforderlich sind. Bei hinreichend langer Messzeit und einem in diesem Messzeitraum möglichst konstantem Geräusch ist es jedoch möglich, Auflösungen von 1 Hz, manchmal auch sogar 0,1 Hz zu erzielen.

Damit können Geräuschquellen sehr genau spezifiziert bzw. identifiziert werden. Aus diesem Grund eignen sich FFT-Analysen hervorragend für akustische Untersuchungen lauter Maschinen, insbesondere für Luftschall oder Körperschall.

Durch die Anwendung einer FFT-Analyse auf ein Geräusch wird es möglich, einzelne Frequenzanteile höchst genau zu erkennen. Dies zeigt sich durch das Auftreten von Spitzen im Spektrum.

Der FFT-Algorithmus erlaubt es weiters, bis in den sehr tiefen Frequenzbereich hinunter zu messen. Aber auch extrem hohe Frequenzen (Ultraschall) können exakt erfasst werden.

Somit ergibt sich ein sehr flexibles und höchst präzises Werkzeug, um die akustischen Eigenschaften verschiedener  Geräusche zu ergründen und eventuelle Schallquellen oder Störwirkungen zu erkennen.

Die FFT-Analyse eines Signals ergibt eine Mittelung über den gesamten Messzeitraum. Gibt es einen Lösungsvorschlag, wenn wir ein stark veränderliches Geräusch untersuchen und dennoch die Frequenzanteile genau betrachten wollen? Zu jeder Zeit den jeweiligen Geräuschcharakter erkennen?

Die Lösung ergibt sich durch die Erstellung eines so genannten Spektrogramms. Ein Spektrogramm stellt den Frequenzcharakter eines Geräusches über der Zeit dar.

Damit können über die Messzeit stark veränderliche Signale, beispielsweise ein Maschinenhochlauf, ein vorbeifahrendes Fahrzeug oder sogar ein Pistolenknall messtechnisch sehr gut erfasst und dargestellt werden.

Die Darstellung der bei in einem bestimmten Frequenzband vorhandenen „Lautstärke“ erfolgt durch entsprechende Farben. Die Frequenzauflösung kann meist frei gewählt werden: Von einer einfachen Terzbanduntersuchung bis zu einer hochauflösenden FFT-Analyse sind oftmals alle Analysemethodiken möglich.

Oft wirkt die ergänzende Darstellung von Spitzen zusätzlich zu den Farben als noch intuitiver, um das Geräusch gut darstellen zu können.

Im dargestellten Beispiel ist auf der Achse nach rechts die Frequenzverteilung aufgetragen, nach links hinten der Zeitverlauf. Gut zu erkennen ist, dass zu bestimmten Zeiten verschiedene Frequenzbänder im Bereich unter 200 Hz sehr deutlich hörbar bzw. messbar werden.

Wie dargestellt kennzeichnen blaue Farbecodierungen das Hintergrundgeräusch, den sogenannten Noise-Floor. Wird ein Geräuschanteil sehr deutlich, äußert sich dies durch eine hohe Pegelspitze bzw. rote Farben in den Pegelspitzen (Dieses Spektrogramm wurde mit DeweSoft X3 erstellt. Detaillierte Informationen finden sich auf der DeweSoft Webseite https://dewesoft.com/de/applikationen/akustik).

Um Schwingungen von Strukturen gut darstellen zu können bedient man sich in der Akustik oft bildgebender Verfahren. Eines davon ist die Modalanalyse. Bei der Modalanalyse wird die zu untersuchende Struktur, beispielsweise der Kotflügel eines Fahrzeuges oder sogar ein Hochhaus zu Schwingungen angeregt und die Reaktion auf die Schwingungsanregungen an vielen einzelnen Punkten der Struktur gemessen.

Dies geschieht in vielen Fällen durch das Aufkleben von Beschleunigungsaufnehmern an definierten Messpunkten.

Die Schwingungsanregung der Struktur erfolgt entweder durch einen Hammerschlag oder mittels so genannter hydraulischer oder elektrodynamischer Exciter.

Beide Anregungen wirken sehr breitbandig, d. h. von tiefen bis zu hohen Frequenzen. Aus den Schwingungsreaktionen der zu untersuchenden Struktur können die typischen Schwingungsformen berechnet werden. Diese absolut strukturtypischen Schwingformen nennt man Eigenschwingungen.

Ist beispielsweise eine Traktorkabine bei einer bestimmten Frequenz sehr laut, kann die Modalanalyse zu einer Aufklärung der lauten Komponente beitragen. Dazu werden viele Beschleunigungsaufnehmer an regelmäßig verteilten Positionen des Kotflügels und der Kabine aufgeklebt und der gesamte Traktor mit einem elektrodynamischen Shaker zum Schwingen angeregt.

Durch den Vergleich der an den einzelnen Messpositionen auftretenden Beschleunigungen wird mittels eines Rechenalgorithmus auf die gesamte Fahrzeugschwingung zurückgeschlossen. Im dargestellten Bild schwingt der Kotflügel bei der störenden Frequenz sehr stark. Eine Bedämpfung des Kotflügels in seinem unteren Bereich würde somit zu einer Verringerung des spezifisch störenden Geräuschs in der Traktorkabine führen.

Als Messsensoren können Beschleunigungsaufnehmer verwendet werden. Wesentlich einfacher ist jedoch die Verwendung von Laser-Vibrometern. Bei dieser Technologie wird die zu untersuchende Struktur mit einem bewegten Laserstrahl abgetastet und die Schwiggeschwindigkeiten der Oberfläche mittels Dopplereffekt ermittelt. Ein Aufkleben von Beschleunigungsaufnehmern ist nicht erforderlich. Damit können in sehr kurzer Messzeit aussagekräftige Schwingungs-Untersuchungen durchgeführt werden.

Eine in den letzten Jahren stark an Bedeutung gewinnende Methode zur akustischen Beurteilung von Schallquellen ist die Schallquellenortung.

Das Ergebnis einer solchen Untersuchung ist ein Bild, bei dem die geräuscherzeugende Struktur auf einem Foto in Farben dargestellt wird.

Je lauter eine Region der Struktur ist, desto rötlicher wird die Farbe dieser Region auf dem Foto. Dies ist zur Vereinfachung mit den Ergebnissen einer Wärmebildkamera vergleichbar, bei der beispielsweise jene Bereiche eines Hauses rot dargestellt werden, die hohe Wärmeemissionen aufweisen.

Mithilfe der Schallquellenortung ist es deshalb möglich, laute Schallquellen in Betrieben laute Komponenten von Anlagen, Motoren oder Maschinen auf einfache Art und Weise farblich sichtbar zu machen. Auf Basis der dadurch generierten Informationen können beispielsweise technische Maßnahmen zur Lärmminderung geplant werden.

Ein häufig verwendetes Werkzeug zur Schallquellenortung ist die Intensitätssonde. Im Rahmen der Messungen mit einer Intensitätssonde wird das Messobjekt in viele einzelne kleine Segmente unterteilt und die Schallabstrahlung jedes einzelnen Segments über z.B. 10 Sekunden gemessen.

Über eine Software werden die Messergebnisse verknüpft. Durch Hinterlegung eines realistischen Fotos kann dann die Schallabstrahlung in Form von Farben dargestellt werden.

Das Beispiel zeigt eine Trennwand, durch die Schall dringt. Auf der anderen Seite der Trennwand wurde eine mit rosa Rauschen beaufschlagte Lautsprecherbox positioniert und das Eindringen des Rauschens in den Raum gemessen. Gut sichtbar ist, dass in der linken oberen Ecke eine sogenannte akustische Schwachtelle besteht.

Die Intensitätssonde ist sehr gut für stationäre Geräusche geeignet, da ja alle zu untersuchenden Messpunkte zeitlich hintereinander abgetastet werden müssen. Instationäre, also zeitlich veränderliche Geräusche können mit der Intensitätssonde nur schwierig untersucht werden. Deshalb wurde die akustische Kamera entwickelt.

Bei einer akustischen Kamera besteht die Sonde aus einer Anzahl vieler Mikrofone. Jedes einzelne Mikrofon nimmt den Schalldruckpegel und die Phasenlage des eindringenden Geräusches auf. Mithilfe der Kamera-Software werden die einzelnen Schalldruckpegel und die Phasenlagen verglichen und durch Hinterlegung eines realistischen Fotos ein akustisches Bild generiert.

Damit können sowohl instationäre Geräusche aufgezeichnet werden, als auch die Geräusche bewegter Quellen lokalisiert werden. Mehr dazu findet sich auf unserer Homepage unter unserem speziell der akustischen Kamera gewidmeten Link.