Einleitung
Bei Geräuschmessungen, akustischen Prüfungen und der Bewertung von Maschinengeräuschen treten häufig drei Begriffe auf: Schalldruck, Schallintensität und Schallleistung.
Obwohl alle drei Größen mit Schallenergie zusammenhängen, beschreiben sie unterschiedliche physikalische Eigenschaften.
Vereinfacht ausgedrückt:
● Schalldruck beschreibt die durch eine Schallwelle verursachte Druckänderung an einem bestimmten Ort.
● Schallintensität beschreibt den Schallenergiefluss durch eine Flächeneinheit.
● Schallleistung beschreibt die gesamte Schallenergie, die eine Schallquelle pro Zeiteinheit abstrahlt.
Bei allgemeinen Geräuschmessungen wird meist der Schalldruckpegel mit einem Schallpegelmesser erfasst. Schallintensität und Schallleistung spielen insbesondere in der technischen Akustik, bei der Schallquellenanalyse und bei der Bewertung von Maschinen eine wichtige Rolle.
Das Wichtigste im Überblick
● Der Schalldruck wird in Pascal (Pa) angegeben und in der Praxis häufig als Schalldruckpegel in dB dargestellt.
● Die Schallintensität wird in W/m² angegeben und beschreibt den Schallenergiefluss pro Flächeneinheit.
● Die Schallleistung wird in Watt (W) angegeben und beschreibt die gesamte von einer Quelle abgestrahlte Schallenergie pro Zeiteinheit.
● Schalldruck und Schallintensität hängen von Messposition, Abstand, Reflexionen und der akustischen Umgebung ab.
● Die Schallleistung beschreibt die gesamte Schallabstrahlung einer Quelle und eignet sich daher besonders zum Vergleich unterschiedlicher Maschinen oder Produkte.
● Ein herkömmlicher Schallpegelmesser misst in erster Linie den Schalldruckpegel. Ein an einem einzelnen Punkt gemessener Schalldruckpegel darf nicht direkt als Schallleistungspegel interpretiert werden.
Was ist Schalldruck?
Der Schalldruck ist die durch eine Schallwelle verursachte kleine Druckschwankung gegenüber dem statischen Luftdruck.
Wenn ein Lautsprecher, Motor, Ventilator oder eine andere Schallquelle schwingt, entstehen in der umgebenden Luft abwechselnd Verdichtungen und Verdünnungen. Diese Druckänderungen werden als Schalldruck bezeichnet.
Der Schalldruck wird üblicherweise mit p bezeichnet und in folgender Einheit angegeben:
Pa (Pascal)
Da der vom menschlichen Gehör erfassbare Schalldruckbereich sehr groß ist, wird in der technischen Akustik meist nicht der Schalldruck selbst, sondern der logarithmische Schalldruckpegel verwendet.
Er wird üblicherweise wie folgt angegeben:
Lp = 20 log₁₀(p / p₀)
Dabei gilt:
● Lp: Schalldruckpegel in dB;
● p: gemessener Effektivwert des Schalldrucks;
● p₀: Bezugsschalldruck, in Luft üblicherweise 20 μPa.
Zeigt ein Schallpegelmesser beispielsweise 60 dB, 80 dB oder 100 dB an, handelt es sich daher in der Regel um den Schalldruckpegel am jeweiligen Messort und nicht um die Schallleistung der Quelle.
Was ist Schallintensität?
Die Schallintensität beschreibt die Schallenergie, die pro Zeiteinheit durch eine Flächeneinheit transportiert wird.
Ihre Einheit ist:
W/m² (Watt pro Quadratmeter)
Die Schallintensität enthält sowohl eine Größe als auch eine Richtung. Physikalisch betrachtet handelt es sich daher um eine gerichtete Größe.
Anschaulich beschreibt sie, wie viel Schallenergie pro Sekunde durch eine gedachte Fläche hindurchtritt.
Die Schallintensität wird üblicherweise mit I bezeichnet und kann ebenfalls logarithmisch als Schallintensitätspegel dargestellt werden:
LI = 10 log₁₀(I / I₀)
Dabei gilt:
● LI: Schallintensitätspegel in dB;
● I: Schallintensität in W/m²;
● I₀: Bezugsschallintensität, üblicherweise 10⁻¹² W/m².
Unter idealen Freifeldbedingungen und für ebene fortschreitende Wellen besteht zwischen Schalldruck und Schallintensität näherungsweise folgende Beziehung:
I = p²rms / (ρc)
Dabei bezeichnet ρ die Luftdichte und c die Schallgeschwindigkeit.
Diese Beziehung gilt jedoch nur unter geeigneten akustischen Bedingungen. Im Nahfeld von Maschinen, in stark reflektierenden Räumen oder in komplexen Schallfeldern kann die tatsächliche Schallintensität nicht zuverlässig aus einer einzelnen Schalldruckmessung abgeleitet werden.
Was ist Schallleistung?
Die Schallleistung beschreibt die gesamte Schallenergie, die eine Schallquelle pro Zeiteinheit abstrahlt.
Ihre Einheit ist:
W (Watt)
Ein laufender Elektromotor strahlt beispielsweise Schallenergie in seine Umgebung ab. Die gesamte pro Zeiteinheit in alle Richtungen abgegebene Schallenergie entspricht seiner Schallleistung.
Die Schallleistung wird üblicherweise mit W bezeichnet und kann als Schallleistungspegel angegeben werden:
LW = 10 log₁₀(W / W₀)
Dabei gilt:
● LW: Schallleistungspegel in dB;
● W: Schallleistung in Watt;
● W₀: Bezugsschallleistung, üblicherweise 10⁻¹² W.
Im Gegensatz zum Schalldruck an einem bestimmten Messpunkt beschreibt die Schallleistung die gesamte akustische Emission einer Quelle.
Deshalb eignet sich der Schallleistungspegel besonders für den Vergleich der Geräuschemission von Ventilatoren, Motoren, Kompressoren, Pumpen, HLK-Anlagen und anderen Maschinen.
Die wichtigsten Unterschiede zwischen Schalldruck, Schallintensität und Schallleistung
| Größe | Schalldruck | Schallintensität | Schallleistung |
|---|---|---|---|
| Symbol | p | I | W |
| Einheit | Pa | W/m² | W |
| Pegelgröße | Schalldruckpegel Lp | Schallintensitätspegel LI | Schallleistungspegel LW |
| Beschreibung | Druckschwankung an einem Punkt | Schallenergiefluss pro Fläche | gesamte Schallabstrahlung einer Quelle |
| Richtungsabhängig | Nein | Ja | üblicherweise als Gesamtgröße betrachtet |
| Abhängig vom Messabstand | Ja | Ja | Die Schallleistung der Quelle selbst ändert sich nicht allein durch den Messabstand |
| Einfluss von Reflexionen | Deutlich | Messung kann vom Schallfeld beeinflusst werden | Die Quellleistung selbst bleibt unverändert, die Bestimmung hängt jedoch von den Messbedingungen ab |
| Typische Anwendung | Umwelt- und Arbeitsplatzlärm | Schallquellenortung, Schallleistungsbestimmung | Vergleich von Maschinen und Produkten |
Vereinfacht lässt sich sagen:
Schalldruck beschreibt die Situation am Messpunkt, Schallintensität den Energiefluss durch eine Fläche und Schallleistung die gesamte akustische Abstrahlung der Quelle.
Warum messen Schallpegelmesser normalerweise den Schalldruck?
Ein digitaler Schallpegelmesser verwendet ein Mikrofon, das auf Druckschwankungen in der Luft reagiert.
Das Mikrofon wandelt diese Änderungen in ein elektrisches Signal um. Anschließend verarbeitet das Gerät das Signal unter anderem mit Frequenzbewertung und Zeitbewertung und zeigt das Ergebnis in Dezibel an.
Die primär gemessene Größe ist daher der:
Schalldruckpegel
Beispiele:
● LA bezeichnet einen A-bewerteten Schalldruckpegel;
● LC bezeichnet einen C-bewerteten Schalldruckpegel;
● LAF bezeichnet einen A-bewerteten Schalldruckpegel mit FAST-Zeitbewertung.
Zeigt ein Schallpegelmesser beispielsweise 85 dB(A) an, handelt es sich normalerweise um den A-bewerteten Schalldruckpegel am Messort und nicht um den Schallleistungspegel der Maschine.
Warum verändert sich der Schalldruck mit zunehmendem Abstand?
Während sich Schallenergie von einer Quelle weg ausbreitet, verteilt sie sich auf eine zunehmend größere Fläche. Dadurch nimmt die Schallenergie pro Flächeneinheit ab, und in der Regel sinkt auch der Schalldruck am Messpunkt.
Für eine näherungsweise punktförmige Quelle im idealen Freifeld gilt:
● Die Schallintensität nimmt ungefähr mit dem Quadrat des Abstands ab.
● Bei jeder Verdopplung des Abstands sinkt der Schalldruckpegel typischerweise um etwa 6 dB.
Beispiel unter idealisierten Bedingungen:
1 m: ca. 90 dB
2 m: ca. 84 dB
4 m: ca. 78 dB
In realen Umgebungen beeinflussen jedoch Reflexionen an Wänden, Böden, Decken, Maschinen und anderen Flächen das Schallfeld. Deshalb entspricht die tatsächliche Pegeländerung nicht immer exakt 6 dB pro Abstandsverdopplung.
Warum nimmt die Schallleistung nicht einfach mit dem Messabstand ab?
Die Schallleistung beschreibt die gesamte von einer Quelle pro Zeiteinheit abgestrahlte Schallenergie.
Bleibt der Betriebszustand der Quelle unverändert, bleibt auch ihre gesamte Schallleistung im Wesentlichen unverändert. Mit zunehmender Entfernung verteilt sich diese Energie lediglich auf eine größere Fläche.
Vereinfacht:
● Quelle unverändert → Schallleistung im Wesentlichen konstant;
● größerer Abstand → größere Verteilungsfläche;
● geringere Schallintensität pro Fläche;
● in der Regel geringerer Schalldruck am Messpunkt.
Ein in einem bestimmten Abstand gemessener Geräuschpegel darf deshalb nicht ohne Weiteres als Schallleistung einer Maschine betrachtet werden.
Wie hängen Schallintensität und Schallleistung zusammen?
Die Schallleistung kann durch Integration der Schallintensität über eine geschlossene Messfläche bestimmt werden, die die Quelle umgibt.
Konzeptionell gilt:
W = ∫ I · dS
Die durch die gesamte Hüllfläche hindurchtretende Schallintensität ergibt somit die insgesamt abgestrahlte Schallleistung.
Wäre die Schallintensität über die gesamte Fläche gleichmäßig verteilt und senkrecht zur Messfläche gerichtet, ließe sich vereinfacht schreiben:
Schallleistung ≈ Schallintensität × Fläche
Reale Maschinen strahlen Schall jedoch normalerweise nicht in alle Richtungen gleichmäßig ab. Professionelle Schallleistungsmessungen erfordern daher Messungen an mehreren Positionen oder spezielle Schallintensitätsmesstechnik.
Warum sind Schalldruckpegel und Schallleistungspegel trotz der Einheit dB nicht direkt vergleichbar?
Dies ist eine häufige Ursache für Missverständnisse.
Sowohl Schalldruckpegel als auch Schallleistungspegel werden in dB angegeben, beziehen sich jedoch auf unterschiedliche physikalische Größen und unterschiedliche Referenzwerte.
Der Bezugswert für den Schalldruckpegel beträgt:
20 μPa
Der Bezugswert für den Schallleistungspegel beträgt:
10⁻¹² W
Daher gilt:
● 80 dB SPL beschreibt einen Schalldruckpegel an einem bestimmten Ort.
● 80 dB Schallleistungspegel beschreibt die akustische Leistung einer Schallquelle.
Gleiche Zahlenwerte bedeuten somit nicht, dass beide Größen physikalisch gleich sind.
Der Schalldruckpegel einer Maschine kann sich je nach Messabstand, Raumakustik und Reflexionen deutlich verändern. Ihre Schallleistung sollte bei identischem Betriebszustand dagegen im Wesentlichen gleich bleiben.
Sollte Maschinengeräusch anhand von Schalldruck oder Schallleistung bewertet werden?
Das hängt vom Messziel ab.
Wenn beurteilt werden soll, welcher Schall an einem bestimmten Ort tatsächlich auftritt, ist der Schalldruckpegel normalerweise die relevantere Größe. Beispiele:
● Geräusch am Arbeitsplatz eines Bedieners;
● Bürogeräusche;
● Geräusche in Gebäuden;
● Maschinenlärm in einem festgelegten Abstand;
● berufliche Lärmexposition.
Soll dagegen die eigentliche Geräuschemission verschiedener Maschinen verglichen werden, ist der Schallleistungspegel in der Regel besser geeignet. Beispiele:
● Vergleich verschiedener Ventilatoren;
● Vergleich von Kompressormodellen;
● Geräuschangaben für HLK-Geräte;
● akustische Prüfung von Maschinen;
● Geräuschspezifikationen von Produkten.
Wenn zusätzlich die Richtung des Energieflusses bestimmt, eine dominante Schallquelle lokalisiert oder eine Schallleistung mit dem Intensitätsverfahren ermittelt werden soll, ist eine Schallintensitätsmessung erforderlich.
Werden für Schalldruck- und Schallintensitätsmessungen dieselben Geräte verwendet?
In der Regel nicht.
Ein konventioneller digitaler Schallpegelmesser arbeitet mit einem einzelnen Messmikrofon und ist hauptsächlich für die Erfassung des Schalldruckpegels ausgelegt.
Für Schallintensitätsmessungen wird normalerweise eine spezielle Schallintensitätssonde eingesetzt. Häufig kommen zwei Mikrofone mit definiertem Abstand zum Einsatz. Aus Schalldruck und Druckgradient wird anschließend die Größe und Richtung des Schallenergieflusses bestimmt.
Daher gilt:
● Schallpegelmesser messen hauptsächlich den Schalldruck.
● Schallintensitätsmessungen erfordern spezielle Messtechnik.
● Die Schallleistung wird üblicherweise mit festgelegten Verfahren aus Schalldruck-, Schallintensitäts- oder anderen akustischen Messgrößen bestimmt.
Warum muss bei einer dB-Angabe die genaue Messgröße genannt werden?
Die Angabe „Maschinengeräusch: 80 dB“ ist in technischen Unterlagen häufig nicht ausreichend.
Zusätzlich sollte angegeben werden:
● ob es sich um Schalldruckpegel oder Schallleistungspegel handelt;
● welche Frequenzbewertung verwendet wurde;
● in welchem Abstand gemessen wurde;
● an welcher Position gemessen wurde;
● welche Zeitbewertung oder Messgröße verwendet wurde;
● unter welchen akustischen Bedingungen gemessen wurde;
● in welchem Betriebszustand sich das Gerät befand.
Beispiel:
A-bewerteter Schalldruckpegel von 80 dB(A) in 1 m Abstand zum Gerät
ist nicht gleichbedeutend mit:
A-bewerteter Schallleistungspegel von 80 dB
Erst eine klare Angabe der akustischen Größe und der Messbedingungen ermöglicht einen fachlich sinnvollen Vergleich.
FAQ
F: Sind Schalldruck und Schallintensität dasselbe?
Nein. Der Schalldruck beschreibt Druckschwankungen in der Luft und wird in Pa angegeben. Die Schallintensität beschreibt den Schallenergiefluss pro Fläche und wird in W/m² angegeben. Unter bestimmten Freifeldbedingungen besteht ein direkter Zusammenhang, in komplexen Schallfeldern sind die Größen jedoch nicht austauschbar.
F: Misst ein Schallpegelmesser Schalldruck oder Schallleistung?
Ein herkömmlicher Schallpegelmesser misst in erster Linie den Schalldruckpegel. Die Schallleistung wird üblicherweise mithilfe eines definierten Messverfahrens aus mehreren Schalldruckmessungen oder Schallintensitätsmessungen bestimmt.
F: Nimmt der Schallleistungspegel mit zunehmendem Abstand ab?
Nicht allein aufgrund des Messabstands. Bleibt der Betriebszustand der Quelle unverändert, bleibt ihre gesamte Schallleistung im Wesentlichen gleich. Schalldruck und Schallintensität an einem bestimmten Ort nehmen mit zunehmender Entfernung dagegen normalerweise ab.
F: Können Schalldruckpegel und Schallleistungspegel beide in dB angegeben werden?
Ja. Sie beruhen jedoch auf unterschiedlichen Bezugsgrößen und beschreiben unterschiedliche physikalische Größen.
F: Warum zeigt dieselbe Maschine an verschiedenen Positionen unterschiedliche dB-Werte?
Der Schalldruckpegel wird unter anderem durch Abstand, Abstrahlrichtung, Reflexionen, Hintergrundgeräusche, Hindernisse und Raumakustik beeinflusst.
F: Welche Größe eignet sich besser, um zwei Maschinen hinsichtlich ihrer Geräuschemission zu vergleichen?
Für den Vergleich der gesamten akustischen Emission ist der Schallleistungspegel meist besser geeignet. Für die Bewertung des tatsächlich an einem bestimmten Ort auftretenden Geräuschs ist dagegen der Schalldruckpegel entscheidend.
Zusammenfassung
Schalldruck, Schallintensität und Schallleistung beschreiben unterschiedliche Aspekte eines Schallfeldes.
● Schalldruck beschreibt lokale Druckschwankungen durch Schallwellen und ist die wichtigste Messgröße eines herkömmlichen Schallpegelmessers.
● Schallintensität beschreibt den Schallenergiefluss pro Flächeneinheit und enthält zusätzlich Richtungsinformationen.
● Schallleistung beschreibt die gesamte von einer Quelle pro Zeiteinheit abgestrahlte Schallenergie und eignet sich besonders zum Vergleich der Geräuschemission unterschiedlicher Schallquellen.
Bei der praktischen Geräuschmessung sollte eine dB-Angabe daher niemals ohne Kenntnis der zugrunde liegenden Messgröße interpretiert werden. Erst wenn klar ist, ob es sich um Schalldruckpegel, Schallintensitätspegel oder Schallleistungspegel handelt und welche Messbedingungen vorlagen, lässt sich eine fundierte akustische Bewertung durchführen.
