Auf dem Weg zum guten Schallschutz

Wann wird Schall zum Problem?

Nicht nur bezüglich der TGA gewinnt die schalltechnische Mode­ration zwischen Herstellern/Lieferanten und ihren Kunden aufgrund der Kostenstrategie immer mehr an Bedeutung: Der Produktanbieter möchte unter allen Umständen den Auftrag, der Kunde orientiert sich nach dem augenscheinlich günstigsten Angebot. Wenn dabei beide Seiten keine fachlich eindeutige Nomenklatur verwenden, resultieren u. a. folgende Vertragsformulierungen (Beispiele aus der Beratungspraxis) - Konflikte sind damit vorprogrammiert:

Dieser Artikel ist keine wissenschaftliche Abhandlung. Gleichwohl soll der Leser – unabhängig ob Hersteller oder Betreiber – in die Lage versetzt werden, Grundbegriffe der technischen Akustik in der Kommuni­ka­tion korrekt anzuwenden und die Bedeutung einer Anlagen­konzeption/-spezifikation zu erkennen, damit Schall eben nicht zu einem Problem wird.

Grundbegriffe der technischen Akustik

Luftschall ist – physikalisch idealisiert betrachtet – die mechani­sche Schwingung von Luft­teilchen um deren Ausgangslage. Durch Schwingungsanregung (z. B. durch einen Lautsprecher) entstehen, bezogen auf den normalen Luftdruck, sowohl lokale Über- als auch Unterdruckzonen (Bild 1). Die Abweichung des Luftdrucks vom normalen Atmosphärendruck wird als Schalldruck bezeichnet. In einem Mikrofon bewirkt der Schalldruck eine elektrische Wechselspannung, deren Effektivwert U_eff nach Bild 1 gebildet wird. Die Spannung ist ein Maß für den Schalldruck – entsprechend dem Flächenintegral U_eff (rote Flächen in Bild 1) beträgt der Effektivwert des Schalldruckes p_eff:

p_eff = √     ∫ p² (t)dt⇥(1)

Die Bezugsgröße p₀ des Schalldruckes ist der vom menschlichen Gehör bei 1 kHz gerade noch wahrnehmbare Wert von 2 x 10^-5 Pa. Der Schalldruckpegel Lp wird in Dezibel [dB] angege­ben und ist wie folgt definiert:

L_p = 10 x log (        ) dB⇥(2)

Ein Schall bzw. Geräusch ist eine Überlagerung von Einzeltönen mit diskreten Schwingungs­frequenzen. Mittels einer Fast-Fourier-Transformation (FFT) können die Einzeltöne eines Geräusches analysiert werden. Die FFT-Ergebnisse werden i. d. R. in Oktavbändern mit den Mittenfrequenzen von 31,5 Hz bis 8 kHz (Bild 2) zusammengefasst. Ohne weitere Bewertung spricht man umgangssprachlich von einem „linearen“ Spektrum – fachlich korrekt von einem unbewerteten Spektrum.

Die logarithmische Addition der einzelnen Oktav-Schalldruckpegel L_p,31,5Hz, L_p,63Hz etc. ergibt wie folgt den Summenpegel L_p,S:

L_p,s = 10 x log (10^{0,1 x L}                 + 10^{0,1 x L}             + ...) dB⇥(3)

Soll die Lautheit von Geräuschen wenigstens näherungsweise entsprechend der menschlichen Wahrnehmung angegeben werden, so ist die sog. A-Bewertung anzuwenden. In der Praxis wird der A-bewertete Schalldruckpegel mit L_pA und der Einheit dB(A) bezeichnet. Bild 2 zeigt die Berechnung A-bewerteter Oktav-Schalldruckpegel.

Wie häufig in der Beratungspraxis üblich, werden im Folgenden A-bewertete Summenpegel verwendet.

Die Erläuterung der weiteren Grundbegriffe (im Folgenden fett formatiert) erfolgt am Beispiel einer Modellmaschine (MM) (Bilder 3 und 4). Der Aufbau und die akustischen Eigenschaften der MM sind in [12] detailliert beschrieben. Die MM besteht aus einer stirnseitig offenen Kapsel, welche mit einem Lautsprecher versehen ist. Die Schallabstrahlung der MM ist demzufolge bezogen auf die Querachse (QA) asymmetrisch, bezogen auf die Längsachse (LA) symmetrisch und gerichtet über die offene Stirnseite.

In Bild 1 befindet sich die MM im sogenannten akustischen Freifeld (FF), d. h. es existieren keine Schallreflexionen über Raumbegrenzungsflächen (Umgebungskorrektur K₂ nach [6] 0 dB). In diesem Szenario gibt es auch keine weiteren Schallquellen (Fremdgeräusch­korrektur K₁ nach [6] 0 dB). An diskreten Messpunkten (MP) ist ein Schalldruckpegel L_pA zu messen. Aufgrund der gerichteten Schallabstrahlung ist L_pA,Mp1 höher als L_pA,MP2. Mit steigendem Messabstand nimmt L_pA stetig ab.

Ist der MP exakt definiert (z. B. 1,2 m Abstand, 1,7 m über Boden), so entspricht der im FF gemessene Schalldruckpegel dem Emissionsschalldruckpegel L_E (vgl. ISO-Reihe [3]). Wichtig: L_E ist immer auf das akustische Freifeld bezogen. Bei der MM ist L_E,_,Mp1 höher als L_E,MP2.

In Bild 3 ist als rote Fläche um die MM eine virtuelle, geschlossene Hüllfläche als Messfläche (MF in m²) mit folgendem Messflächenmaß (MFM) definiert (Bezugsgröße S₀ = 1 m²):

MFM = 10 x log (       ) dB⇥(4)

Der im FF auf der MF gemessene, mittlere Schalldruckpegel L_pA,MF,FF entspricht dem Messflächen-Schalldruckpegel nach [6]. Ob und in welchem Maße eine gerichtete Schallabstrahlung vorliegt, ist allein aus dem L_pA,MF,FF nicht abzuleiten. Hierzu ist die Angabe von L_E für diverse MP erforderlich.

Der Schallleistungspegel L_WA der MM berechnet sich wie folgt:

L_WA = L_pA,MF,FF + MFM dB(A)⇥(5)

Der Schallleistungspegel ist eine maschinenspezifische Kenngröße, unabhängig von der Umgebungssituation. Ob und in welchem Maße eine gerichtete Schallabstrahlung vorliegt, ist allein aus dem L_WA nicht abzuleiten. Hierzu ist die Angabe von L_E für diverse MP erforderlich.

In Bild 4 befindet sich die MM in einem geschlossenen Raum (R). Bei dem selben Betrieb der MM (d. h. mit dem selben L_WA) sind L_pA,Mp1 und L_pA,MP2 im Vergleich zum FF aufgrund der Schallreflexionen im Raum erhöht – der Messflächen-Schalldruckpegel sowie der Schallleistungspegel der MM können nicht direkt messtechnisch ermittelt werden. Die Auswertung auf der roten Hüllfläche gemessener Schalldruckpegel erfolgt nach [6] mit Berücksichtigung einer Umgebungskorrektur und – wenn andere Schallquellen im Raum existieren – mit Berücksichtigung einer Fremdgeräuschkorrektur.

Durch den Betrieb der MM (und evtl. anderer Anlagen) im Aufstellungsraum stellt sich in diesem ein diffuses Schallfeld ein – der resultierende, mittlere Schalldruckpegel im Raum L_pA,R ist direkt messbar.

Die Kenngrößen L_pA,R und L_WA korrelieren in Anlehnung an [5] wie folgt:

L_WA = L_pA,R + 10 x log (         ) dB(A)⇥(6)

Mit L_WA Pegel der Schallleis­tung in dB(A), der in den Aufstellungsraum eingestrahlt wird L_pA,R mittlerer Schalldruckpegel im Raum in dB(A)

S₀ Bezugsfläche 1 m²

A äquivalente Absorptionsfläche im Raum: A = α x S

Mit α Schallabsorptionsgrad der Raumbegrenzungsflächen (Werte z. B. aus dem Online-Produktkatalog [11])

S Raumoberfläche in m² (inkl. Boden und Decke)

An einem Arbeitsplatz (AP) im Bereich der MM wirken sowohl die MM selbst als auch evtl. vorhandene, andere Anlagen direkt oder indirekt über Reflexionen ein. Sind der AP und somit auch die Position der Ohren eines Mitarbeiters exakt definiert (z. B. 1,2 m Abstand, 1,7 m über Boden), entspricht der an diesem MP gemessene Schalldruckpegel – eine gleichbleibende Tätigkeit über eine 8 h-Schicht vorausgesetzt – dem Lärmexpositionspegel L_EX,8h nach [7].

In der Kommunikation sind deshalb folgende Begriffe zu differenzieren und immer wieder zu hinterfragen:

Konzeption einer neuen Anlage im Raum

Bei der schalltechnischen Konzeption einer neuen Anlage ist grundsätzlich der Stand der Lärmminderungstechnik zu beachten (vgl. [2]). Kunde und Hersteller haben dabei von Anfang an gemeinsame Interessen:

Lärmexpositionspegel

Im Hinblick auf den Lärmexpositionspegel L_EX,8h am AP gilt nach [7] im Wesentlichen:

- Information der Mitarbeiter über die Auswirkungen des Lärms,

- Persönlicher Gehörschutz ist zur Verfügung zu stellen.,

- Gehörschutz-Tragepflicht,

- Untersuchung des Gehörs durch einen Arzt,

- Lärmbereichskennzeichnung,

- Abgrenzung bzw. Zugangseinschränkung, sofern technisch möglich und durch Expositionsrisiko gerechtfertigt,

- Aufstellung eines Lärmminderungsprogramms (LMP).

Zum Wohl der Mitarbeiter und um ein LMP zu vermeiden, planen Anlagenbetreiber i. d. R. einen L_EX,8h unter 85 dB(A). Per Werksnorm kann aber z. B . auch eine L_EX,8h-Obergrenze von 80 dB(A) oder 75 dB(A) definiert sein. L_EX,8h ist die Grundlage für die Bemessung von Gehaltszulagen nach [9].

Mittlerer Schalldruckpegel im Raum

Ist die Schalldruckpegelverteilung im Raum konstant, kann für die Konzeption einer neuen Anlage der mittlere Schalldruckpegel im Raum dem Lärmexpositionspegel gleichgesetzt werden.

Kontingent Schallleistungspegel

Auslegungsbeispiel: Beträgt inkl. der neuen Anlage der Zielwert für den mittleren Schalldruckpegel im Raum L_pA,1 80 dB(A) und resultiert aus dem Betrieb bestehender Anlagen ein mittlerer Schalldruckpegel von L_pA,2 79,5 dB(A), steht für die neue Anlage ein freies Kontingent in Höhe eines Differenzpegels L_pA,Diff – berechnet nach (7) – von 70,4 dB(A) zur Verfügung.

L_pA,Diff = 10 x log (10^{0,1 x L}         -10^{0,1 x L}         ) dB⇥(7)

Angenommen, der Unterschied nach (6) zwischen dem mittleren Schalldruckpegel im Raum und dem Pegel der Schallleistung, der in diesen Raum eingestrahlt wird, beträgt 15 dB, resultiert für die neue Anlage ein maximal zulässiger Schallleistungspegel von 70,4 +15 = 85,4 dB(A).

Herstellerangaben

Obwohl Herstellern in den meisten Fällen intern aussagefähige schalltechnische Angaben zu ihren Produkten vorliegen, sind die offiziellen Produktangaben – wenn überhaupt vorhanden – unvollständig und nicht eindeutig. Es fehlen z. B. folgende Angaben: Bewertung des Pegels, Messumgebung, Messpunktbeschreibung und Pegelbeschreibung.

Nach der Maschinenrichtlinie 2006/42/EG [8] müssen die Hersteller als Bestandteil der CE-Kennzeichnung für ihre Produkte folgende schalltechnische Angaben machen:

Für die Produkthersteller besteht demzufolge die Verpflichtung, v. g. Daten messtechnisch zu ermitteln bzw. ermitteln zu lassen und ihre Produkte entsprechend zu kennzeichnen. Kunden können Angebote nur dann vergleichen und erhalten Planungssicherheit, wenn sie sich bei Herstellern gezielt nach den v. g. Daten erkundigen bzw. diese einfordern.

Modifikation der Konzeption zur Kostenoptimierung

Hersteller und Kunde können – eine fachlich eindeutige Kommunikation vorausgesetzt – zusammen die Konzeption hinsichtlich einer Optimierung der gesamten Investitions- und Betriebskosten modifizieren.

Es kann sich z. B. als sinnvoll erweisen, die Investitionskosten zu erhöhen und ein Produkt in geräuscharmer Ausführung zu erwerben. Derartige Produkte sind i.d.R. mit primären Lärmminderungsmaßnahmen (LMM) ausgestattet, welche die Schallemission am Entstehungs­ort mindern (z. B. hochwertige Getrie­be­technik) – eine u. U. teure Nachrüstung kann so vermieden werden. Wenn dadurch auf sekundäre LMM (z. B. Schalldämpfer) verzichtet werden kann, hat dies i.d.R. auch eine Minderung der Betriebskosten zur Folge. Sind primäre LMM nicht möglich, ist die Realisierung von sekundären LMM wie z. B. Isolierung, Kapselung abzuwägen, um den Anlagen-Schallleistungspegel zu reduzieren.

Empfehlenswert ist eine Überprüfung der Geräteauslegung. Beispielsweise führen größere Klimageräte mit langsamer drehenden Ventilatoren bei gleicher Kälte-/Wärmeleistung zu einer Reduzierung des Schallleistungspegels.

Weiter zu diskutieren sind:

Die v.g. Aufzählung kann nicht vollständig sein. Projektbezogen wird es weitere, zielführende Parametermodifikationen geben, die – bei Bedarf – ein schalltechnischer Fachberater aufzei­gen kann.

Vertragsspezifikation

Ist die Konzeption abgeschlossen, sind die relevanten Kenngrößen in Form einer eindeutig formulierten Vertragsspezifikation zu fixieren. Für das Beispiel aus Abs. 0 nachfolgend die entsprech­en­de Vertragsformulierung:

Der Vorgabewert für den A-bewerteten Schallleistungspegel enthält keine Plustoleranz. Sollte der Auftragnehmer mit einer Plustoleranz rechnen, ist der Vorgabewert entsprechend zu reduzieren.

Konzeption einer neuen Anlage im Freien

Zulässige Immission

Nach [1] sind Betriebsstätten, die geeignet sind, erhebliche Belästigungen für die Nachbarschaft herbeizuführen, so zu errichten und zu betreiben, dass unzulässig hohe Emissionen in Luft, Wasser und Boden vermieden oder gemindert werden. Unabhängig von der Umgebungssituation ist stets der Entwicklungsstand fortschrittlicher Verfahren, Einrichtungen oder Betriebsweisen umzusetzen, um allgemein ein hohes Schutzniveau für die Umwelt zu gewährleisten. Für die Summe der Geräuscheinwirkungen aus bestehenden Gewerbe- und Industrieanlagen (Vorbelastung) und den Geräuschen geplanter Anlagen gelten die Immissionsrichtwerte (IRW) der TA Lärm [2]. Die IRW beziehen sich auf Immissionspunkte (IP) außerhalb von Gebäuden und auf die Beurteilungszeiten tags (06:00 Uhr bis 22:00 Uhr) und nachts (lauteste Nachtstunde zwischen 22:00 Uhr und 06:00 Uhr).

Aufgund der v. g. Summation der Geräuscheinwirkung steht einem Betrieb i. d. R. nur ein Anteil des IRW, der sog. Immissionsrichtwertanteil (IRWA) zur Verfügung. Ausgehend von dem Grad der aktuellen Ausschöpfung steht einer neuen Anlage desselben Betriebes nur der Differenzpegel zur Verfügung. Beispiel: IRW: 40 dB(A); IRWA: 37 dB(A); aktuelle Ausschöpfung: 36 dB(A); nach (7) resultiert für die neue Anlage ein maximal zulässiger Immissionsbeitrag L_pA,IP von 30 dB(A).

Zulässige Emission

Mit den Rechenalgorithmen aus [4] wird – i. d. R. von einem Fachberater – unter Berücksichtigung sämtlicher Pegelminderungen auf dem Ausbreitungsweg von der Schallquelle zum IP der für eine neue Anlage maximal zulässige Schallleistungspegel berechnet. Im FF kann die Pegelabnahme in Abhängigkeit des Abstandes d überschlägig wie folgt berechnet werden:

L_WA = L_pA,IP + 10 x log (d² x Π x 2) dB(A)⇥(8)

Die weitere Vorgehensweise entspricht weitgehend den Abschnitten „Herstellerangaben“ bis „Vertragsspezifikation“ (siehe oben). Bei der Abwägung von sekundären LMM (s. unter „Modifikation“ oben) sind insbesondere Abschirmmaßnahmen zu berücksichtigen.

Abnahme

Eine Vertragsspezifikation für einen Lieferumfang (LU) beinhaltet idealer Weise auch normative Verweise hinsichtlich der messtechnischen Abnahme. In der Praxis existieren grundsätzlich die Szenarien „im Raum“ und „im Freien“. Nur wenn eine eindeutig formulierte Vertragsspezifikation vorliegt, kann das Ergebnis der Abnahme entsprechend beurteilt und – falls erforderlich – können Nachbesserungen verlangt werden.

Anlage im Raum

Eine Möglichkeit zur Abnahme eines Lieferumfanges (LU) besteht in der Anwendung des sogenannten Vergleichsschallquellenverfahrens in Anlehnung an [5]. Hierbei wird bei alleinigem Betrieb der Vergleichsschallquelle mit bekanntem Schallleistungspegel L_WA,VQ der mittlere Schalldruckpegel im Raum L_pA,R,VQ gemessen. Bei alleinigem Betrieb des LU wird ebenfalls der mittlere Schalldruckpegel im Raum L_pA,R,LU gemessen. Der Schallleistungspegel des LU berechnet sich wie folgt:

L_WA,LU = L_WA,VQ – L_pA,R,VQ + L_pA,R,LU dB (A)⇥(9)

Anlage im Freien

Die Abnahme erfolgt i. d. R. in Anlehnung an [6] wie folgt:

Fazit

Negativ wahrgenommener Schall wird als Lärm bezeichnet. Der Arbeitsplatz wird anhand des Lärmexpositionspegels, die Werksumgebung anhand des Schalldruckpegels an einem Immissionspunkt beurteilt. Es ist im Interesse der Mitarbeiter, der Betriebsleitung, der Anwohner und der Genehmigungsbehörde, dass die Schallemission bzw. –immission dem Stand der Lärm­minderungstechnik entspricht und dass maximal zulässige gesetzliche bzw. vertragliche Vorgabewerte eingehalten werden. Die Kommunikation zwischen allen Beteiligten führt dann zu kostenoptimierten Lösungen, wenn alle eine schalltechnisch eindeutige Nomenklatur verwenden. Im Idealfall konzipieren Anlagenbetreiber und -hersteller (bzw. Lieferanten) bereits in der Planungsphase gemeinsam die Realisierung des Arbeits- und Immissionsschutzes. Eine fachlich eindeutige Vertragsspezifikation ist dabei sowohl für den Betreiber als auch für den Hersteller unerlässlich, damit ein „guter Schallschutz“ gewährleistet ist.