Was sind Schallleistung und Schalldruck?

Verhältnis Schallleistung und Schalldruck

Eine einfache Analogie zum Verständnis des Verhältnisses zwischen Schallleistung und Schalldruck kann mit Wärme hergestellt werden. 

Ein Elektroheizgerät hat eine bestimmte Leistung, die es in einen Raum abgibt und dadurch die Temperatur im Raum erhöht. Die Leistung des Heizgeräts ist unabhängig von dem Raum, in dem es sich befindet. Die Temperatur im Raum hängt jedoch von unserem Abstand zum Heizgerät sowie von den Eigenschaften des Raums ab, wie z. B. seiner Größe und davon wieviel Wärme durch die Wände und den Boden des Raums absorbiert oder übertragen wird.

Das Verhältnis zwischen der Schallleistung einer Schallquelle und den Schalldruckpegeln in einem Raum ist ähnlich. Die von der Quelle ausgehende Schallenergie erhöht den Schalldruckpegel im Raum. Der Schallleistungspegel der Quelle ist unabhängig vom Raum, die Schalldruckpegel sind jedoch abhängig von unserer Entfernung von der Quelle und den Eigenschaften des Raums. Dazu gehören Faktoren wie die Größe des Raums und wie stark die Oberflächen im Raum Schall reflektieren oder absorbieren.

Genau wie beim Schalldruck drücken wir die Schallleistung normalerweise als Dezibelpegel aus. Dies kann manchmal verwirrend sein - insbesondere, wenn der Referenzwert nicht angegeben wird. Der Referenzwert für Schalldruckpegel ist 20 µPa, während der Referenzwert für Schallleistungspegel 1 pW ist.

Diese Referenzwerte wurden so gewählt, dass der Schalldruckpegel und der Schallleistungspegel in einem perfekten Freifeld, in einer Entfernung mit einer Schallausbreitungsfläche von 1 m2 gleich sind.

Warum Schallleistungspegel bestimmen?

Den Schallleistungspegel eines Geräts zu kennen ist sehr hilfreich. Es ermöglicht uns, die Schallleistung verschiedener Geräte objektiv zu vergleichen, ohne die Umgebung zu kennen, in der sie getestet wurden, oder die Entfernung, in der Messungen durchgeführt wurden. Dies macht Schallleistungspegel ideal für die Produktkennzeichnung, zur Festlegung von Geräuschemissionsgrenzwerten für Geräte und zur Überprüfung der Einhaltung von Grenzwerten.

Da Schallleistungspegel unabhängig von der akustischen Umgebung und dem Messort sind, ermöglichen sie uns auch die Berechnung der Einwirkungen der Schalldruckpegel eines Geräts auf bestimmte Stellen in einer bekannten akustischen Umgebung. 

Beispielsweise kann ein Akustikberater mit Hilfe des Schallleistungspegels eines Maschinenteils den Schalldruckpegel berechnen, den es in einer nahe gelegenen Wohnung erzeugen würde, wenn es an einer bestimmten Stelle installiert würde. Der Berater kann dann ermitteln, ob die resultierenden Lärmemissionen in der Wohnung den einschlägigen Vorschriften entsprechen oder ob Maßnahmen zur Lärmreduzierung entwickelt oder andere, leisere Maschinen ausgewählt werden sollten.

Wie wird die Schallleistung gemessen?

Die Schallleistung kann aus Schalldruck- oder Schallintensitätsmessungen bestimmt werden.

Es gibt zwei Verfahren zur Bestimmung der Schallleistung aus Schalldruckmessungen, die direkte Methode und die Vergleichsmethode. Die direkte Methode wird am häufigsten in Freifeld-Umgebungen eingesetzt, kann jedoch auch in einem Nachhall-Schallfeld verwendet werden. Die Vergleichsmethode kommt jedoch nur in Nachhall-Schallfeldern zur Anwendung.

Bei der direkten Methode wird eine imaginäre Oberfläche definiert, die das zu testende Gerät umhüllt, und an mehreren Positionen auf der Oberfläche werden Schalldruckmessungen durchgeführt. Diese Schalldruckpegelmessungen werden räumlich gemittelt und um den Einfluss der akustischen Umgebung (z. B. Hintergrundgeräusche) bereinigt.

Sobald der durchschnittliche Schalldruckpegel für die Messfläche ermittelt wurde, kann der Schallleistungspegel durch einfache Bereinigung des Verhältnisses der Oberfläche zur Referenzoberfläche von 1 m2 berechnet werden. Hier entspricht der Schallleistungspegel dem Schalldruckpegel.

Die Vergleichsmethode sieht etwas anders aus. Bei diesem Verfahren wird eine Referenzschallquelle mit einem bekannten und stabilen Schallleistungspegel verwendet. Schalldruckmessungen werden im Testraum sowohl mit der Referenzschallquelle als auch mit dem zu testenden Gerät durchgeführt. Der Schallleistungspegel des zu testenden Geräts kann dann berechnet werden, indem die mit jeder Schallquelle gemessenen Schalldruckpegel verglichen werden.

Die Bestimmung der Schallleistung aus Schallintensitätsmessungen erfolgt nach einem sehr ähnlichen Verfahren wie bei der direkten Methode mit Schalldruckmessungen. Da die Schallintensität jedoch eine zeitlich gemittelte Vektorgröße ist, ist sie gegenüber Hintergrundgeräuschen und Nachhall wesentlich toleranter als schalldruckbasierte Messungen. Dadurch ist die Schallintensitäts-basierte Schallleistungsbestimmung besonders gut für In-situ-Messungen geeignet.

Welche Normen sind zu verwenden?

Es gibt viele Normen zur Bestimmung der Schallleistung, für viele verschiedene Arten von Geräuschquellen, die in verschiedenen akustischen Umgebungen gemessen werden und unterschiedliche Genauigkeiten erreichen. Eine ausführliche Erörterung der vielen derzeit verwendeten Standards würde über den Rahmen dieses Artikels hinausgehen. Wir können jedoch einen Überblick geben.

Zunächst können wir in „Grundnormen“ und „Codes für Schallprüfungen“ unterteilen. Grundnormen legen Methoden zur Bestimmung der Schallleistung für alle Arten von Produkten in einer Vielzahl von akustischen Umgebungen und mit unterschiedlichen Genauigkeiten fest. Daher geben sie nur allgemeine Hinweise zu den Betriebs- und Montagebedingungen für das zu testende Gerät. 

Codes für Schallprüfungen hingegen sind speziell für bestimmte Arten von Geräuschquellen und legen detaillierte Anforderungen an die Montage- und Betriebsbedingungen sowie die Angabe der zu verwendenden Grundnormen fest. Wenn es für ein Gerät einen Code für Schallprüfungen gibt, sollte dieser im Allgemeinen verwendet werden.

Gibt es keinen Code für Schallprüfungen, kann eine Grundnorm verwendet werden. ISO 3740: 2019 (de) Akustik - Bestimmung der Schallleistungspegel von Geräuschquellen - Leitlinien zur Anwendung der Grundnormen gibt einen Überblick über Grundnormen zur Bestimmung von Schallleistung. Diese kann verwendet werden, um unter Berücksichtigung der Testumgebung und -ausrüstung, der zu testenden Geräteeigenschaften und der gewünschten Genauigkeit eine geeignete Norm auszuwählen.

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Geräte für Schallleistungsmessungen

Welche Geräte zur Bestimmung der Schallleistung am besten geeignet sind, hängt von der gewählten Methode und Testumgebung sowie vom Testvolumen und den Eigenschaften der Quelle ab.

Brüel & Kjær bietet ein umfassendes Sortiment an Geräten und Software zur Bestimmung der Schallleistung. Nachfolgend haben wir einige der Optionen mit dem breitesten Anwendungsbereich aufgeführt.