Einleitung
Ein digitales Schallpegelmessgerät ist ein elektronisches Messgerät zur Erfassung des Schalldruckpegels in einer Umgebung. Es wird unter anderem in Industrieanlagen, auf Baustellen, bei Umweltmessungen, in der Instandhaltung, bei Verkehrslärmmessungen sowie an Arbeitsplätzen eingesetzt.
Bei der Anwendung genügt es in der Regel, das Gerät einzuschalten, das Mikrofon korrekt zu positionieren und den in Dezibel angezeigten Messwert abzulesen. Zwischen dem Eintreffen des Schalls am Mikrofon und der Anzeige des Messwertes finden jedoch mehrere Verarbeitungsschritte statt: akustisch-elektrische Wandlung, Signalverstärkung, Frequenzbewertung, Zeitbewertung, Analog-Digital-Wandlung und digitale Berechnung.
Das Verständnis dieser Vorgänge erleichtert die korrekte Anwendung und erklärt, warum unterschiedliche Frequenz- und Zeitbewertungen zu unterschiedlichen Messergebnissen führen können.
Das Wichtigste im Überblick
● Ein digitales Schallpegelmessgerät erfasst grundsätzlich Schalldruckschwankungen.
● Das Mikrofon wandelt diese Schalldruckschwankungen in elektrische Signale um.
● Das Signal wird verstärkt und anschließend frequenz- und zeitbewertet sowie digital verarbeitet.
● A- und C-Bewertung besitzen unterschiedliche Frequenzcharakteristiken und können deshalb unterschiedliche Messwerte ergeben.
● FAST und SLOW bestimmen, wie schnell das Messgerät auf Änderungen des Schallpegels reagiert.
● Ergebnisse werden typischerweise in dB, dBA oder dBC angezeigt.
● Messposition, Reflexionen, Wind, Hintergrundgeräusche und Gerätezustand können das Messergebnis beeinflussen.
Was misst ein digitales Schallpegelmessgerät tatsächlich?
Schall ist eine mechanische Schwingung, die sich in einem Medium ausbreitet. Ein schwingendes Objekt erzeugt Druckschwankungen in der umgebenden Luft, die sich als Schallwellen ausbreiten.
Das Mikrofon eines Schallpegelmessgeräts erfasst diese sehr kleinen Druckschwankungen gegenüber dem statischen Umgebungsdruck.
Der Schalldruck wird in Pascal (Pa) angegeben. Da der vom menschlichen Gehör wahrnehmbare Schalldruckbereich sehr groß ist, wäre eine direkte Darstellung in Pascal für viele praktische Anwendungen unhandlich. In der Akustik wird daher der logarithmische Schalldruckpegel verwendet, dessen Einheit Dezibel (dB) ist.
Der Schalldruckpegel wird berechnet als:
Lp = 20 log₁₀ (p / p₀)
Dabei gilt:
● Lp: Schalldruckpegel in dB;
● p: Effektivwert des gemessenen Schalldrucks;
● p₀: Bezugsschalldruck, bei Luftschall üblicherweise 20 μPa.
Der auf dem Display angezeigte Dezibelwert entspricht somit nicht unmittelbar dem Ausgangssignal des Mikrofons, sondern ist das Ergebnis einer definierten Messung, Signalverarbeitung und logarithmischen Berechnung.
Grundlegender Messablauf
Die typische Signalkette lässt sich vereinfacht wie folgt darstellen:
Schall → Mikrofon → Vorverstärker → Frequenzbewertung → Zeitbewertung / Signalverarbeitung → A/D-Wandlung → digitale Berechnung → dB-Anzeige
Die konkrete interne Architektur kann je nach Gerät variieren. Bei modernen digitalen Messgeräten kann die A/D-Wandlung beispielsweise früher erfolgen, sodass Filter- und Bewertungsfunktionen anschließend digital realisiert werden. Das grundlegende Messprinzip bleibt jedoch vergleichbar.
● Schall trifft auf das Mikrofon: Luftdruckschwankungen wirken auf die Mikrofonmembran.
● Umwandlung in ein elektrisches Signal: Das Mikrofon wandelt die Druckschwankungen in ein entsprechendes elektrisches Signal um.
● Signalaufbereitung und Verstärkung: Das schwache Signal wird verstärkt und bei Bedarf gefiltert.
● Frequenzbewertung: Frequenzanteile werden entsprechend der A-, C- oder einer anderen definierten Bewertung verarbeitet.
● Zeitbewertung: FAST, SLOW oder andere Zeitbewertungen bestimmen die Reaktion auf zeitliche Pegeländerungen.
● A/D-Wandlung: Das analoge Signal wird für die weitere Verarbeitung digitalisiert.
● Digitale Berechnung: Der Prozessor berechnet den Schalldruckpegel und gegebenenfalls weitere Messgrößen wie Maximal- und Minimalwerte.
● Anzeige: Das Ergebnis wird beispielsweise in dB, dBA oder dBC dargestellt.
Wie wandelt das Mikrofon Schall in ein elektrisches Signal um?
Das Mikrofon gehört zu den wichtigsten Sensorelementen eines Schallpegelmessgeräts und bildet den ersten Teil der Messkette.
Treffen Schallwellen auf das Mikrofon, versetzen die Luftdruckschwankungen die Membran in sehr kleine Bewegungen. Diese mechanischen Bewegungen werden in ein entsprechendes elektrisches Signal umgewandelt.
In Schallpegelmessgeräten kommen häufig für akustische Messungen geeignete Kondensator- oder Elektret-Kondensatormikrofone zum Einsatz. Je nach Geräteklasse und Anwendung unterscheiden sich die Anforderungen an Empfindlichkeit, Frequenzgang, Stabilität und Dynamikbereich.
Da das Mikrofon die gesamte nachfolgende Messkette beeinflusst, sollte es vor Staub, Flüssigkeiten, starken mechanischen Belastungen und ungeeigneten Lagerbedingungen geschützt werden.
Warum muss das Mikrofonsignal verstärkt werden?
Das vom Mikrofon erzeugte elektrische Signal ist in der Regel sehr schwach und muss für eine zuverlässige weitere Verarbeitung entsprechend aufbereitet werden.
Ein Vorverstärker erhöht den Signalpegel, während die für die akustische Messung relevanten Informationen möglichst unverändert erhalten bleiben. Gleichzeitig müssen Eigenrauschen und Verzerrungen der Elektronik gering gehalten werden.
Bei Schallpegelmessgeräten mit einem großen Messbereich muss die Eingangsstufe zudem über einen ausreichenden Dynamikbereich verfügen. Überschreitet der Schallpegel den zulässigen Messbereich, kann es zu einer Übersteuerung kommen. Bei sehr niedrigen Pegeln kann dagegen das Eigenrauschen des Geräts einen relevanten Einfluss haben.
Messungen sollten deshalb innerhalb des spezifizierten Messbereichs des Geräts durchgeführt werden.
Wie funktioniert die Frequenzbewertung?
Das menschliche Gehör ist nicht bei allen Frequenzen gleich empfindlich. Bei gleichem physikalischem Schalldruck werden bestimmte mittlere Frequenzen stärker wahrgenommen als sehr tiefe oder sehr hohe Frequenzen.
Für unterschiedliche akustische Bewertungsaufgaben werden daher definierte Frequenzbewertungen verwendet.
Zu den gebräuchlichsten gehören:
● A-Bewertung (dBA): Berücksichtigt Frequenzen entsprechend einer definierten Bewertungskurve und wird häufig bei Umwelt-, Arbeitsplatz- und allgemeinen Geräuschmessungen eingesetzt.
● C-Bewertung (dBC): Besitzt einen vergleichsweise flacheren Frequenzgang und dämpft tiefe Frequenzen deutlich weniger als die A-Bewertung. Sie eignet sich unter anderem für hohe Schallpegel oder Geräusche mit ausgeprägten tieffrequenten Anteilen.
Bei einem Geräusch mit hohem Tieffrequenzanteil können A- und C-Bewertung daher deutlich unterschiedliche Ergebnisse liefern. Dies ist kein Messfehler, sondern eine Folge der unterschiedlichen Bewertungskennlinien.
Beim Vergleich von Messergebnissen muss deshalb immer berücksichtigt werden, welche Frequenzbewertung verwendet wurde.
Welche Funktion haben FAST und SLOW?
Reale Geräusche sind selten konstant. Maschinenstarts, vorbeifahrende Fahrzeuge, Sprache oder Schlaggeräusche können schnelle Pegeländerungen verursachen. Würden sämtliche momentanen Änderungen unmittelbar angezeigt, wäre die Anzeige häufig schwer ablesbar.
Schallpegelmessgeräte verwenden deshalb definierte Zeitbewertungen, um das zeitliche Ansprechverhalten festzulegen.
● FAST: Reagiert vergleichsweise schnell und folgt Pegeländerungen zügiger. Diese Einstellung eignet sich zur Beobachtung stärker schwankender Geräusche.
● SLOW: Reagiert langsamer und sorgt dadurch für eine ruhigere Anzeige.
Gemäß den in der Normenreihe IEC 61672 gebräuchlichen Definitionen beträgt die nominelle Zeitkonstante für FAST 125 ms und für SLOW 1 s.
FAST und SLOW sind nicht einfach unterschiedliche Abtastraten, sondern definierte Zeitbewertungscharakteristiken der Schallpegelmessung. Ein schnell schwankendes Geräusch kann daher je nach Einstellung ein unterschiedliches Anzeigeverhalten zeigen.
Wie wird das analoge Schallsignal digitalisiert?
Nach der analogen Signalaufbereitung liegt zunächst weiterhin ein kontinuierliches elektrisches Signal vor. Ein digitales Schallpegelmessgerät verwendet einen Analog-Digital-Wandler (ADC), um dieses Signal in digitale Daten umzuwandeln.
Der ADC tastet das Signal ab und erzeugt daraus digitale Werte. Anschließend können Mikroprozessor oder digitaler Signalprozessor Filterung, Effektivwertberechnung, Bewertung und Berechnung des Schalldruckpegels durchführen.
Digitale Signalverarbeitung ermöglicht außerdem Zusatzfunktionen wie:
● Maximalwert MAX;
● Minimalwert MIN;
● Data Hold;
● Datenaufzeichnung;
● Aufzeichnung von Schallpegelverläufen;
● Bluetooth oder andere Datenübertragungsfunktionen.
Diese Funktionen erweitern die Mess- und Datenverwaltungsmöglichkeiten, verändern jedoch nicht das grundlegende Prinzip der Schalldruckpegelmessung.
Warum wird der Schallpegel in Dezibel und nicht direkt in Pascal angegeben?
Der vom menschlichen Gehör wahrnehmbare Schalldruckbereich erstreckt sich über mehrere Größenordnungen.
Eine ausschließliche Darstellung in Pascal würde daher zu einem sehr großen und unpraktischen Zahlenbereich führen.
Die logarithmische Dezibelskala stellt diesen Bereich kompakter und für technische Anwendungen besser vergleichbar dar.
Bei Luftschall mit einem Bezugsschalldruck von 20 μPa gilt beispielsweise:
● 20 μPa entsprechen ungefähr 0 dB SPL;
● 200 μPa entsprechen ungefähr 20 dB SPL;
● 2 mPa entsprechen ungefähr 40 dB SPL;
● 20 mPa entsprechen ungefähr 60 dB SPL;
● 0,2 Pa entsprechen ungefähr 80 dB SPL;
● 2 Pa entsprechen ungefähr 100 dB SPL.
Entscheidend ist: Dezibel ist eine logarithmische und keine lineare Größe.
Eine Verzehnfachung des Schalldrucks entspricht einer Erhöhung des Schalldruckpegels um 20 dB. Dezibelwerte können daher nicht wie gewöhnliche lineare Zahlen behandelt werden.
Warum schwankt der angezeigte Messwert?
Geräusche sind unter realen Bedingungen selten vollständig konstant. Schwankende Messwerte sind daher grundsätzlich normal.
Mögliche Ursachen sind:
● Änderungen des Geräuschpegels der Schallquelle;
● Änderungen von Messposition oder Abstand;
● Schallreflexionen an Wänden, Böden oder Maschinen;
● Hintergrundgeräusche durch Personen, Fahrzeuge oder Anlagen;
● Windgeräusche am Mikrofon;
● unterschiedliche A-/C-Frequenzbewertungen;
● unterschiedliche FAST-/SLOW-Zeitbewertungen;
● Messwerte nahe der Messbereichsgrenzen oder des Eigenrauschens.
Bei Vergleichsmessungen sollten Position, Geräteausrichtung, Abstand, Bewertungseinstellungen und Umgebungsbedingungen möglichst konstant gehalten werden.
Welche Faktoren beeinflussen das Messergebnis?
Neben der Geräteleistung hat auch die Messmethode erheblichen Einfluss auf das Ergebnis.
● Messabstand: Eine Änderung des Abstands zwischen Schallquelle und Mikrofon verändert in der Regel den gemessenen Schalldruckpegel.
● Reflexionen: Wände, Böden, Decken und große Anlagen können Schall reflektieren und komplexe Schallfelder erzeugen.
● Windgeräusche: Luftströmungen am Mikrofon können zusätzliche Geräusche verursachen. Bei Bedarf sollte ein geeigneter Windschutz verwendet werden.
● Hintergrundgeräusche: Liegt der Pegel der zu untersuchenden Schallquelle nahe am Hintergrundgeräusch, kann dieses das Ergebnis deutlich beeinflussen.
● Frequenzbewertung: Unterschiedliche Bewertungen wie A und C können unterschiedliche Werte ergeben.
● Zeitbewertung: FAST und SLOW reagieren unterschiedlich auf schwankende Geräusche.
● Kalibrierung: Bei Messungen mit erhöhten Genauigkeitsanforderungen oder dokumentationspflichtigen Ergebnissen sollten die erforderlichen Prüf- und akustischen Kalibrierverfahren eingehalten werden.
● Geräteklasse und Leistungsdaten: Schallpegelmessgeräte unterscheiden sich hinsichtlich zulässiger Toleranzen, Frequenzgang und Dynamikbereich. Das Gerät sollte entsprechend dem jeweiligen Einsatzzweck gewählt werden.
Arbeiten einfache digitale Schallpegelmesser und professionelle Geräte nach demselben Prinzip?
Das grundlegende Messprinzip ist vergleichbar: Ein Mikrofon erfasst den Schalldruck, wandelt ihn in ein elektrisches Signal um und die Elektronik berechnet daraus nach entsprechender Signalverarbeitung den Schalldruckpegel.
Unterschiede bestehen vor allem bei Messgenauigkeit, Normkonformität, zulässigen Toleranzen, Frequenzgang, Dynamikbereich, Kalibriermöglichkeiten und Analysefunktionen.
Einfache digitale Schallpegelmessgeräte eignen sich beispielsweise für orientierende Umgebungs- und Maschinenmessungen oder betriebliche Kontrollen. Professionelle Schallpegelmessgeräte, die beispielsweise IEC 61672 erfüllen, sind für Arbeitsschutzmessungen, Umweltakustik, technische Akustik und andere normgerechte Messaufgaben besser geeignet.
Bei der Auswahl sollte daher nicht allein darauf geachtet werden, ob das Gerät dB anzeigen kann. Entscheidend sind Messaufgabe, Genauigkeitsanforderungen und die jeweils anzuwendenden Normen.
FAQ
Misst ein digitales Schallpegelmessgerät die Schallintensität?
Umgangssprachlich wird häufig von „Lautstärke“ oder „Schallintensität“ gesprochen. Messtechnisch erfasst ein Schallpegelmessgerät jedoch in der Regel den Schalldruck und berechnet daraus den Schalldruckpegel in dB. Die Schallintensität ist eine eigenständige akustische Größe.
Was ist der Unterschied zwischen dB, dBA und dBC?
dB bezeichnet die Einheit Dezibel. dBA steht üblicherweise für einen A-bewerteten und dBC für einen C-bewerteten Schallpegel. Aufgrund der unterschiedlichen Frequenzbewertungen können sich die Messwerte desselben Geräuschs unterscheiden.
Warum wird die A-Bewertung so häufig verwendet?
Die A-Bewertung verwendet eine definierte Frequenzcharakteristik und ist bei Umwelt-, Arbeitsplatz- und allgemeinen Geräuschbewertungen weit verbreitet.
Wann sollte FAST oder SLOW verwendet werden?
FAST eignet sich zur Beobachtung schneller Pegeländerungen, während SLOW eine ruhigere Anzeige ermöglicht. Bei normgerechten Messungen richtet sich die Auswahl nach dem jeweiligen Messverfahren oder der anzuwendenden Norm.
Warum zeigen zwei Schallpegelmessgeräte nicht exakt denselben Wert an?
Mögliche Ursachen sind Gerätegenauigkeit, Kalibrierzustand, Mikrofoneigenschaften, Messposition, Frequenz- und Zeitbewertung sowie Unterschiede im lokalen Schallfeld. Vergleichsmessungen sollten unter möglichst identischen Bedingungen durchgeführt werden.
Muss ein digitales Schallpegelmessgerät kalibriert werden?
Ja. Bei allgemeinen Messungen sollten die Prüfintervalle des Herstellers beachtet werden. Für professionelle oder dokumentationspflichtige Messungen sind entsprechend dem anzuwendenden Verfahren akustische Prüfungen vor und nach der Messung sowie regelmäßige Kalibrierungen erforderlich.
Ist eine Smartphone-App mit einem digitalen Schallpegelmessgerät vergleichbar?
Das Grundprinzip ist ähnlich, da beide ein Mikrofon und digitale Signalverarbeitung verwenden. Smartphone-Mikrofone sind jedoch primär für Kommunikation und Multimedia ausgelegt. Frequenzgang, Dynamikbereich, Kalibrierung und Geräteübereinstimmung entsprechen daher normalerweise nicht den Eigenschaften spezieller Schallpegelmessgeräte. Apps eignen sich eher für orientierende Messungen.
Fazit
Das Funktionsprinzip eines digitalen Schallpegelmessgeräts lässt sich zusammenfassen als: Schalldruck erfassen, in ein elektrisches Signal umwandeln, das Signal verarbeiten, den Schalldruckpegel berechnen und das Ergebnis anzeigen.
Das Mikrofon wandelt den eintreffenden Schall zunächst in ein elektrisches Signal um. Anschließend folgen Verstärkung, Frequenzbewertung, Zeitbewertung, Analog-Digital-Wandlung und digitale Berechnung, bevor das Ergebnis beispielsweise in dB, dBA oder dBC angezeigt wird.
Das Mikrofon bestimmt die Erfassung des akustischen Signals, die Frequenzbewertung die Gewichtung verschiedener Frequenzanteile und die Zeitbewertung die Reaktion auf zeitliche Pegeländerungen. Die digitale Signalverarbeitung übernimmt schließlich die Berechnung und Darstellung des Schalldruckpegels.
Wer diese Grundlagen versteht, kann Frequenz- und Zeitbewertung sowie Messposition sachgerecht auswählen und dadurch besser vergleichbare und aussagekräftigere Messergebnisse erzielen.
