Einleitung
Schall unterscheidet sich nicht nur hinsichtlich seiner Lautstärke, sondern auch deutlich hinsichtlich seiner Tonhöhe. Das tiefe Brummen eines Motors klingt beispielsweise völlig anders als ein hochfrequenter elektronischer Signalton, selbst wenn beide einen ähnlichen Schalldruckpegel aufweisen. Ein wesentlicher Grund dafür liegt in der unterschiedlichen Frequenz.
Die Schallfrequenz wird in Hertz (Hz) angegeben und beschreibt, wie schnell eine Schallwelle schwingt. Das Verständnis der Frequenz hilft dabei, Tonhöhe, Wellenlänge, Schallausbreitung, Eigenschaften des menschlichen Gehörs sowie Messwerte von Schallpegelmessern und Frequenzanalysatoren richtig einzuordnen.
Das Wichtigste im Überblick
● Die Schallfrequenz gibt die Anzahl vollständiger Schwingungen einer Schallwelle pro Sekunde an und wird in Hz gemessen.
● 1 Hz entspricht einer Schwingung pro Sekunde, 1000 Hz entsprechen 1000 Schwingungen pro Sekunde.
● Niedrige Frequenzen werden in der Regel als tiefe Töne, hohe Frequenzen als hohe oder scharfe Töne wahrgenommen.
● Frequenz und Wellenlänge stehen in direktem Zusammenhang. Im gleichen Medium führt eine höhere Frequenz zu einer kürzeren Wellenlänge.
● Das menschliche Gehör ist je nach Frequenz unterschiedlich empfindlich. Daher können Schallereignisse mit gleichem Schalldruckpegel unterschiedlich laut wirken.
● Einfache Schallpegelmesser erfassen hauptsächlich den Schalldruckpegel. Für die Analyse der Frequenzanteile sind Spektrum-, Oktav- oder ähnliche Frequenzanalysen erforderlich.
Was ist Schallfrequenz?
Schall ist eine mechanische Welle. Wenn ein Körper schwingt, erzeugt er in einem umgebenden Medium wie Luft periodische Druckänderungen. Diese breiten sich als Schallwellen aus.
Die Schallfrequenz beschreibt, wie oft sich diese periodische Änderung innerhalb einer Sekunde wiederholt. Sie wird üblicherweise mit f bezeichnet und in Hertz (Hz) angegeben.
● 1 Hz: 1 Schwingung pro Sekunde;
● 50 Hz: 50 Schwingungen pro Sekunde;
● 1000 Hz: 1000 Schwingungen pro Sekunde;
● 10 kHz: 10000 Schwingungen pro Sekunde.
Der grundlegende Zusammenhang lautet:
f = 1 / T
Dabei ist f die Frequenz in Hz und T die Dauer einer vollständigen Schwingungsperiode in Sekunden.
Benötigt eine Schallwelle beispielsweise 0,001 Sekunden für eine vollständige Periode, ergibt sich:
f = 1 / 0,001 = 1000 Hz
Die Frequenz beschreibt somit die Geschwindigkeit der Schwingung und nicht die Stärke beziehungsweise den Pegel des Schalls.
Was bedeuten Hz und kHz?
Hz ist die gebräuchliche Einheit zur Angabe der Schallfrequenz. Höhere Frequenzen werden häufig in Kilohertz (kHz) angegeben.
● 1 kHz = 1000 Hz;
● 2 kHz = 2000 Hz;
● 10 kHz = 10000 Hz.
Die Angabe „1000-Hz-Kalibriersignal“ bezeichnet beispielsweise ein akustisches Signal mit 1000 Schwingungszyklen pro Sekunde.
Hz und kHz werden in der Akustik, Geräuschanalyse, Audiotechnik und Hörakustik häufig verwendet.
Welche Frequenzen kann das menschliche Ohr hören?
Junge Menschen mit normalem Hörvermögen können typischerweise einen Frequenzbereich von ungefähr 20 Hz bis 20 kHz wahrnehmen.
Dieser Bereich ist ein Richtwert und keine absolute Grenze. Das tatsächliche Hörvermögen hängt unter anderem vom Alter und von individuellen Unterschieden ab. Insbesondere die Wahrnehmung hoher Frequenzen nimmt mit zunehmendem Alter häufig ab.
Typische Frequenzbereiche lassen sich grob wie folgt einordnen:
● 20–200 Hz: überwiegend tieffrequente Geräusche wie tiefes Brummen, große Maschinen oder tiefe Musiktöne;
● 200 Hz–2 kHz: umfasst große Anteile von Sprache und typischen Alltagsgeräuschen;
● 2–5 kHz: Bereich, in dem das menschliche Gehör besonders empfindlich ist und der für Sprachverständlichkeit und Warnsignale wichtig ist;
● 5–20 kHz: hohe Frequenzen, die häufig als scharf, hell oder hochfrequent wahrgenommen werden.
Frequenzen unter etwa 20 Hz werden als Infraschall bezeichnet, Frequenzen oberhalb von etwa 20 kHz als Ultraschall.
Wie beeinflusst die Frequenz die Tonhöhe?
Die Frequenz steht in engem Zusammenhang mit der wahrgenommenen Tonhöhe.
Grundsätzlich gilt:
● Niedrigere Frequenzen werden als tiefere Töne wahrgenommen;
● Höhere Frequenzen werden als höhere Töne wahrgenommen.
Ein reiner Ton mit 100 Hz klingt beispielsweise deutlich tiefer als ein Ton mit 1000 Hz, während ein Ton mit 5000 Hz wesentlich höher und schärfer wirkt.
Physikalische Frequenz und subjektiv wahrgenommene Tonhöhe sind jedoch nicht vollständig identisch. Bei reinen Tönen ist der Zusammenhang sehr direkt. Reale Geräusche von Maschinen, Musik oder Sprache enthalten dagegen meist zahlreiche Frequenzanteile gleichzeitig und werden deshalb komplexer wahrgenommen.
Welcher Zusammenhang besteht zwischen Frequenz und Wellenlänge?
Die Frequenz beeinflusst unmittelbar die Wellenlänge des Schalls.
Frequenz, Wellenlänge und Schallgeschwindigkeit stehen in folgendem Zusammenhang:
λ = c / f
Dabei ist λ die Wellenlänge, c die Schallgeschwindigkeit im jeweiligen Medium und f die Frequenz.
Bei einer Schallgeschwindigkeit in Luft von etwa 343 m/s bei Raumtemperatur ergibt sich:
● 100 Hz: Wellenlänge ca. 3,43 m;
● 1000 Hz: Wellenlänge ca. 0,343 m;
● 10000 Hz: Wellenlänge ca. 0,0343 m.
Im gleichen Medium gilt daher: Je niedriger die Frequenz, desto länger die Wellenlänge. Je höher die Frequenz, desto kürzer die Wellenlänge.
Diese Unterschiede beeinflussen, wie Schall mit Wänden, Maschinen, Gebäuden und anderen Hindernissen wechselwirkt.
Warum kann tieffrequenter Schall Hindernisse leichter umlaufen?
Tieffrequenter Schall besitzt eine längere Wellenlänge. Trifft er auf Hindernisse, deren Abmessungen in einer ähnlichen Größenordnung oder darunter liegen, tritt eine ausgeprägtere Beugung auf.
In der Praxis führt dies beispielsweise dazu, dass:
● Tieffrequente Musik oder Maschinengeräusche auch hinter Wänden noch wahrgenommen werden können;
● Tieffrequente Anlagengeräusche über vergleichsweise große Entfernungen wahrnehmbar bleiben können;
● Hochfrequente Geräusche stärker durch Hindernisse abgeschirmt und oft schneller gedämpft werden.
Aus diesem Grund kann die Minderung tieffrequenter Geräusche in Gebäuden, Industrieanlagen und bei Umweltlärm besonders anspruchsvoll sein.
Beeinflusst die Frequenz die Ausbreitungsentfernung von Schall?
Ja. Die Ausbreitungsentfernung wird jedoch nicht allein durch die Frequenz bestimmt. Auch Schallleistung beziehungsweise Ausgangspegel, atmosphärische Bedingungen, Hindernisse, Reflexionen, absorbierende Materialien und die Umgebung spielen eine Rolle.
Unter vielen praktischen Bedingungen ist die atmosphärische Absorption bei hohen Frequenzen stärker als bei tiefen Frequenzen. Mit zunehmender Entfernung werden hochfrequente Schallanteile deshalb häufig stärker abgeschwächt.
Daher kann weit entfernte Musik oder Maschinenlärm überwiegend als tiefes Brummen wahrgenommen werden.
Die Aussage „tiefe Frequenzen breiten sich grundsätzlich weiter aus“ wäre jedoch zu stark vereinfacht, da auch Richtwirkung, Gebäudestrukturen und Umgebungsbedingungen erheblichen Einfluss haben.
Was ist der Unterschied zwischen Frequenz und Dezibel?
Frequenz und Dezibel beschreiben unterschiedliche Eigenschaften des Schalls.
● Hz beschreibt, wie schnell die Schallwelle schwingt;
● dB beschreibt das relative Größenverhältnis einer akustischen Größe und wird bei Geräuschmessungen üblicherweise zur Angabe des Schalldruckpegels verwendet.
Die Angaben „1000 Hz“ und „80 dB“ können daher nicht miteinander gleichgesetzt werden.
Ein Geräusch kann beispielsweise beschrieben werden als:
1000 Hz, 80 dB
Das bedeutet, dass ein charakteristischer Frequenzanteil bei etwa 1000 Hz liegt und gleichzeitig ein Schalldruckpegel von 80 dB gemessen wird.
Zwei Schallereignisse können jeweils 80 dB erreichen und dennoch deutlich unterschiedlich klingen, wenn ihre Frequenzzusammensetzung verschieden ist.
Warum wirken Geräusche mit gleichem Dezibelwert unterschiedlich laut?
Das menschliche Gehör ist nicht für alle Frequenzen gleich empfindlich.
Bei gleichem physikalischem Schalldruckpegel reagiert das Ohr auf mittlere Frequenzen im Allgemeinen empfindlicher als auf sehr tiefe Frequenzen oder Frequenzen nahe der oberen Hörgrenze.
Deshalb können zwei Geräusche mit identischem Schalldruckpegel subjektiv unterschiedlich laut wirken.
Dies ist einer der Gründe für den Einsatz von Frequenzbewertungen bei der Schallmessung. Die A-Bewertung gewichtet die einzelnen Frequenzanteile entsprechend den Eigenschaften des menschlichen Gehörs und liefert den weit verbreiteten Messwert in dBA.
Warum bestehen reale Geräusche meist aus mehreren Frequenzen?
Ein idealer reiner Ton kann im Wesentlichen aus nur einer Frequenz bestehen. Reale Geräusche setzen sich jedoch in der Regel aus zahlreichen Frequenzanteilen zusammen.
Bei einem laufenden Elektromotor können beispielsweise folgende Komponenten auftreten:
● Eine Grundfrequenz, die mit der Drehbewegung zusammenhängt;
● Periodische Frequenzen durch Lüfterblätter;
● Mittel- und hochfrequente Anteile von Lagern und Zahnrädern;
● Harmonische Schwingungen von mechanischen Strukturen;
● Breitbandige Geräusche durch Reibung und Stöße.
Ein einzelner Gesamtpegel in dB beschreibt ein solches Geräusch daher nicht vollständig.
Zur Bestimmung der enthaltenen Frequenzanteile ist eine Frequenzanalyse erforderlich.
Was ist ein Schallspektrum?
Ein Schallspektrum zerlegt ein komplexes Geräusch in seine Frequenzanteile und zeigt, wie sich Schallenergie oder Schalldruckpegel über den Frequenzbereich verteilen.
Eine Maschine kann beispielsweise einen Gesamtpegel von 85 dBA aufweisen, während die Spektrumanalyse zeigt:
● Einen ausgeprägten tieffrequenten Peak bei etwa 125 Hz;
● Relativ geringe Pegel bei etwa 1000 Hz;
● Einen deutlich erhöhten Reibungsanteil bei etwa 4000 Hz.
Für Maschinendiagnose, Geräuschquellenidentifikation und Lärmminderungsmaßnahmen sind solche Informationen häufig aussagekräftiger als ein einzelner Gesamt-Schalldruckpegel.
Was sind Oktav- und Terzbandanalyse?
In der praktischen Geräuschmessung ist es häufig nicht erforderlich, jede einzelne Frequenz in Hertz separat zu untersuchen. Stattdessen wird der Frequenzbereich in definierte Bänder unterteilt.
Übliche Verfahren sind die Oktavband- und Terzbandanalyse.
Typische Mittenfrequenzen von Oktavbändern sind:
31,5 Hz, 63 Hz, 125 Hz, 250 Hz, 500 Hz, 1 kHz, 2 kHz, 4 kHz und 8 kHz.
Der Vergleich der Schalldruckpegel in diesen Frequenzbändern zeigt, in welchen Bereichen die wesentlichen Geräuschanteile liegen.
Bei der Terzbandanalyse wird der Frequenzbereich feiner unterteilt, wodurch detailliertere Informationen zur Frequenzverteilung verfügbar werden.
Kann ein normaler Schallpegelmesser die Frequenz messen?
Das hängt von der Ausstattung des Geräts ab.
Einfache digitale Schallpegelmesser erfassen hauptsächlich den Gesamt-Schalldruckpegel, beispielsweise:
65,3 dBA
Damit lässt sich bestimmen, wie hoch der momentane Geräuschpegel ist. Die einzelnen Frequenzanteile werden jedoch nicht zwangsläufig dargestellt.
Für eine Frequenzanalyse sind in der Regel Geräte mit folgenden Funktionen erforderlich:
● Spektrumanalyse;
● Oktavbandanalyse;
● Terzbandanalyse;
● FFT-Frequenzanalyse;
● Datenaufzeichnung und Analysesoftware.
Die Messung des Schallpegels und die Analyse seiner Frequenzzusammensetzung sind somit zwei unterschiedliche akustische Messaufgaben.
Welche Bedeutung hat die Frequenzanalyse bei Geräuschmessungen?
Der Gesamt-Schalldruckpegel zeigt, wie hoch ein Geräusch insgesamt ist. Eine Frequenzanalyse liefert zusätzliche Informationen darüber, in welchen Frequenzbereichen die wesentlichen Schallanteile liegen.
Tritt beispielsweise an einer Maschine ein ungewöhnliches Geräusch auf:
● Tieffrequente Auffälligkeiten können mit großen Strukturschwingungen, rotierenden Komponenten oder Unwucht zusammenhängen;
● Ausgeprägte Frequenzspitzen können mit Drehzahl, Blattdurchgangsfrequenz oder Zahneingriffsfrequenz zusammenhängen;
● Zunehmende hochfrequente Geräusche können auf Reibung, Leckagen oder bestimmte mechanische Auffälligkeiten hinweisen.
Eine einzelne Frequenz sollte jedoch nicht automatisch einem bestimmten Fehler zugeordnet werden. Für eine zuverlässige Diagnose müssen außerdem Maschinenaufbau, Drehzahl, Lastzustand und historische Messdaten berücksichtigt werden.
Warum sollte bei Schallmessungen auch die Frequenz betrachtet werden?
Bei vielen allgemeinen Umweltlärmmessungen liefert der Gesamtwert in dBA bereits wichtige Informationen. Frequenzinformationen sind besonders hilfreich bei:
● Analyse ungewöhnlicher Maschinengeräusche;
● Identifikation tieffrequenter oder hochfrequenter Geräuschquellen;
● Vergleich der akustischen Eigenschaften verschiedener Maschinen;
● Auslegung von Schalldämmungs-, Schallabsorptions- oder Lärmminderungsmaßnahmen;
● Bewertung der Bauakustik;
● Untersuchung von Lüftern, Motoren, Kompressoren und anderen Maschinen;
● Detaillierten Arbeitsplatz- oder Umweltlärmbewertungen.
Insbesondere bei Lärmminderungsmaßnahmen ist es wichtig, die dominierenden Frequenzbereiche zu kennen, um geeignete Absorptions-, Dämmungs- oder Schwingungsminderungsmaßnahmen auszuwählen.
FAQ
● Bedeutet eine höhere Frequenz automatisch einen höheren Schallpegel?
Nein. Die Frequenz beschreibt in erster Linie die Schwingungsgeschwindigkeit und steht mit der Tonhöhe in Zusammenhang. Die Stärke eines Geräusches wird unter anderem über den Schalldruckpegel beschrieben. Ein hochfrequentes Geräusch kann leise und ein tieffrequentes Geräusch sehr laut sein.
● Was bedeutet 1000 Hz?
1000 Hz bedeutet, dass etwa 1000 vollständige Schwingungszyklen pro Sekunde stattfinden. 1000 Hz entsprechen 1 kHz.
● Welchen Frequenzbereich kann der Mensch hören?
Junge Menschen mit normalem Hörvermögen können typischerweise Frequenzen von etwa 20 Hz bis 20 kHz wahrnehmen. Der tatsächliche Bereich variiert jedoch individuell und verändert sich häufig mit Alter und Hörvermögen.
● Wie bezeichnet man Schall unterhalb von 20 Hz?
Dieser Bereich wird üblicherweise als Infraschall bezeichnet. Obwohl er normalerweise nicht als gewöhnliche Tonhöhe wahrgenommen wird, können bei ausreichend hohen Schalldruckpegeln andere Wahrnehmungen auftreten.
● Wie bezeichnet man Schall oberhalb von 20 kHz?
Dieser Bereich wird als Ultraschall bezeichnet. Ultraschall liegt oberhalb des typischen menschlichen Hörbereichs und wird unter anderem in Prüf-, Entfernungs-, Medizin- und Reinigungsanwendungen eingesetzt.
● Warum zeigt ein Schallpegelmesser dBA und nicht Hz an?
Ein normaler Schallpegelmesser ist hauptsächlich für die Messung des Gesamt-Schalldruckpegels vorgesehen. Für die Darstellung der Frequenzzusammensetzung werden Geräte mit Spektrum-, Oktavband- oder anderen Frequenzanalysefunktionen benötigt.
● Breiten sich tiefere Frequenzen immer weiter aus?
Nein. Tieffrequenter Schall hat zwar eine längere Wellenlänge und wird unter vielen Bedingungen durch die Atmosphäre weniger stark absorbiert, die tatsächliche Ausbreitung hängt jedoch auch von Schallquelle, Umgebung, Hindernissen und atmosphärischen Bedingungen ab.
Fazit
Die Schallfrequenz ist eine grundlegende physikalische Größe, die angibt, wie schnell eine Schallwelle schwingt. Sie wird in Hertz (Hz) gemessen und beeinflusst Tonhöhe, Wellenlänge, Ausbreitungsverhalten und menschliche Wahrnehmung.
Frequenz und Dezibel beschreiben unterschiedliche Eigenschaften: Hz gibt die Schwingungsfrequenz an, während dB zur Beschreibung der Größe einer akustischen Messgröße verwendet wird und bei Geräuschmessungen häufig den Schalldruckpegel bezeichnet. Der Gesamt-Schalldruckpegel zeigt die allgemeine Geräuschstärke, während die Frequenzanalyse offenlegt, wie sich das Geräusch auf verschiedene Frequenzbereiche verteilt.
Bei Umweltlärmmessungen erleichtert das Verständnis der Frequenz die korrekte Interpretation von dBA und Frequenzbewertungen. Für industrielle Diagnose und Lärmminderung liefern Spektrum-, Oktavband- und Terzbandanalysen wesentlich detailliertere Informationen über die akustischen Eigenschaften eines Geräusches.
