Was sind Schalldruck, Schallintensität und Geräuschleistung?

Schall ist überall in unserem Alltag: Vogelgesang, Straßenlärm, Motorenlärm, sogar der schwache Luftstrom einer Klimaanlage. Für Menschen geht es beim Schall nicht nur darum, ob wir ihn hören können, sondern auch darum, ob er sich angenehm anfühlt, störend wirkt oder ein Risiko darstellt. Die gleichen 70 dB können sich völlig unterschiedlich anfühlen; und wenn sich etwas "laut" anfühlt, kann die Ursache in der Quelle selbst, in der Ausbreitungsrichtung oder in Reflexionen aus der Umgebung liegen.

Wenn wir diese "Wahrnehmung" in quantifizierbare technische Daten überführen, sind die drei am leichtesten zu verwechselnden Begriffe Schalldruck, Schallintensität und Schallleistung. Sie beantworten:

• Schalldruck: wie laut es an einem bestimmten Punkt ist;
• Schallintensität: wie viel Schallenergie sich in eine bestimmte Richtung ausbreitet;
• Schallleistung: wie "laut" die Quelle in Bezug auf ihre gesamte akustische Emission ist;

Dieser Artikel erklärt Schalldruck, Schallintensität und Schallleistung anschaulich, damit Sie Schall besser verstehen können.

Schallwellen

In der technischen Akustik sind Schalldruck, Schallintensität und Schallleistung drei grundlegende und wichtige physikalische Größen. Bevor wir sie im Detail vorstellen, benötigen wir den Begriff der Schallwelle.

Eine schwingende Quelle versetzt die umgebenden Luftteilchen in Schwingung. Die Teilchen bewegen sich aus ihrer Ruhelage heraus, treiben benachbarte Teilchen an, und diese benachbarten Teilchen erzeugen eine Rückstellkraft, die die Teilchen wieder in Richtung Ruhelage drückt. Diese Ausbreitung der Teilchenbewegung vom Nahbereich in den Fernbereich durch das Medium nennen wir eine Schallwelle.

Schalldruck

Wenn sich keine Schallwelle im Raum befindet, ist der Luftdruck der statische Druck p₀. Wenn eine Schallwelle vorhanden ist, wird auf p₀ eine Druckschwankung überlagert, wodurch eine Druckschwankung p₁ entsteht. Hier ist p₁ der Schalldruck (Einheit: Pa). Daher ist der Schalldruck die durch die Schallwelle verursachte momentane Abweichung des statischen Luftdrucks.

Das menschliche Gehirn reagiert nicht auf die momentane Amplitude des Schalldrucks, sondern auf den Effektivwert (RMS) eines zeitlich veränderlichen Drucks. Daher kann der Schalldruck p wie folgt dargestellt werden:

In praktischen technischen Anwendungen wird der Schalldruckpegel L_p verwendet:

wobei P_ref = 2 × 10^-5 Pa der Bezugs-Schalldruck ist.

In der Praxis charakterisieren wir Schalldruck in der Regel mit dem Schalldruckpegel (dB) und nicht mit dem Druck in Pascal. Warum? Abbildung 2 beantwortet dies anschaulich. Vom Lesesaal einer Bibliothek bis zum Eingang eines Hochgeschwindigkeitsbahnhofs kann der Schalldruck um den Faktor 100 zunehmen, während der Schalldruckpegel nur um 40 dB steigt. Dies spiegelt den Unterschied zwischen einer linearen und einer logarithmischen Skala wider. Aus ingenieurtechnischer Sicht führt die direkte Verwendung des Schalldrucks zu starken Zahlenstreuungen, die eine Beurteilung erschweren. Außerdem ähnelt das menschliche Hörsystem eher einer logarithmischen Reaktion, sodass der Schalldruckpegel das Hören besser abbildet.

Schallintensität

Schallintensität beschreibt die Übertragung akustischer Energie. Sie ist die akustische Leistung, die pro Zeiteinheit durch eine Einheitsfläche hindurchtritt. Sie ist eine gerichtete vektorielle Größe mit der Einheit W/m² und wird als zeitlicher Mittelwert des Produkts aus Schalldruck und Teilchengeschwindigkeit definiert:

wobei v(t) den Geschwindigkeitsvektor der Teilchen bezeichnet. Unter der idealen Näherung der ebenen fortschreitenden Welle erfüllen Schalldruck und Teilchengeschwindigkeit näherungsweise:

wobei ρ die Luftdichte und c die Schallgeschwindigkeit ist. Daher kann der Betrag der Schallintensität in Ausbreitungsrichtung wie folgt geschrieben werden:

Analog dazu besitzt die Schallintensität einen entsprechenden Intensitätspegel L_I:

wobei I₀ = 10^-12 W/m² die Bezugs-Schallintensität ist.

Im Vergleich zu Schalldruckpegelmessungen weisen Schallintensitätsmessungen die folgenden Merkmale auf:

• Gerichtet: Sie kann unterscheiden, ob akustische Energie nach außen propagiert oder zurückfließt und ist daher unter typischen Feldbedingungen oft weniger empfindlich gegenüber Reflexionen und Hintergrundgeräuschen;
• Quellenlokalisierung: Durch Intensitätsscans lassen sich die Hauptabstrahlbereiche und Leckagestellen direkt sichtbar machen, sodass Gegenmaßnahmen gezielter erfolgen können;
• Höhere Systemkomplexität: In der Regel ist eine Intensitätssonde erforderlich, was zu höheren Gesamtkosten sowie mehr Aufwand bei Aufbau und Kalibrierung führt;

Ein wesentlicher Vorteil der Schallintensitätsmessung in technischen Anwendungen besteht darin, dass sie sowohl Richtung als auch Betrag des akustischen Energieflusses charakterisiert. Sie kann die Beiträge der nach außen gerichteten Abstrahlung der Quelle und des reflektierten Rückflusses aus der Umgebung trennen und ist daher unter nichtidealen Feldbedingungen tendenziell weniger durch Reflexionen und Hintergrundgeräusche beeinflusst. Darüber hinaus kann mit der Schallintensitätsmethode die Schallleistung direkt bestimmt werden, indem die Normal­komponente der Intensität über eine umschließende Fläche räumlich integriert wird. In Verbindung mit Flächenscans lassen sich dominante Quellbereiche identifizieren und Leckagestellen lokalisieren. Daher ist sie für Geräuschdiagnose, Überprüfung von Lärmminderungsmaßnahmen und Schallleistungsbewertung sehr praxisnah und gut interpretierbar.

Das Schlüsselinstrument für Schallintensitätsprüfungen ist die Schallintensitätssonde. Im Unterschied zu einem einzelnen Mikrofon dient eine Intensitätssonde nicht nur dazu zu messen, "wie groß der Druck ist", sondern sie muss die Grundgrößen für die Berechnung der Intensität (Schalldruck und Teilchengeschwindigkeit) bereitstellen. Daher gibt die Sonde in der Regel zwei synchrone Kanäle aus und liefert zusammen mit einer zweikanaligen Datenerfassungs-Front-End-Hardware und speziellen Algorithmen die Intensitätsergebnisse. In der Praxis umfasst die Sonde häufig austauschbare Abstandshalter, Positionierhalterungen und Windschutze. Kanal-Amplituden-/Phasenabgleich, Phasenkalibrierungsmöglichkeiten und Maßnahmen zur Reduzierung von Strömungseinflüssen bestimmen direkt die Glaubwürdigkeit und den nutzbaren Frequenzbereich von Intensitätsmessungen.

Zwei Typen von Schallintensitätssonden werden häufig eingesetzt: P-U-Sonden (Druck-Teilchengeschwindigkeit) und P-P-Sonden (Druck-Druck). Eine P-U-Sonde besteht aus einem Mikrofon und einem Geschwindigkeitssensor und misst gleichzeitig den Schalldruck p(t) und die Teilchengeschwindigkeit v(t). Das Prinzip ist direkter, jedoch reagieren Teilchengeschwindigkeitssensoren häufig empfindlicher auf Luftströmung, Verschmutzung und Umgebungsbedingungen, was im Feld mehr Schutz- und Wartungsaufwand erfordert und in der Regel höhere Kosten verursacht.

Eine P-P-Sonde verwendet zwei angepasste Mikrofone, die auf derselben Achse angeordnet sind. Sie nutzt die beiden Drucksignale p₁(t) und p₂(t), um die Komponente der Teilchengeschwindigkeit v(t) zu schätzen. Allerdings ist sie empfindlich gegenüber dem Phasenabgleich zwischen den Kanälen und der Wahl des Mikrofonabstands - der Abstand bestimmt den wirksamen Frequenzbereich: Ein größerer Abstand begünstigt tiefe Frequenzen, während hohe Frequenzen unter räumlichen Abtastfehlern leiden; ein kleinerer Abstand kommt hohen Frequenzen zugute, macht tiefe Frequenzen jedoch anfälliger für Phasenfehler und Rauschen.

P-U-Sonden sind eher ein Nischenprodukt, vor allem weil es schwierig ist, sie gleichzeitig stabil und kostengünstig zu machen, und sie im Allgemeinen eine geringere Widerstandsfähigkeit gegenüber Luftströmungen aufweisen. P-P-Sonden sind dank ihrer guten Robustheit im Feldeinsatz und der Möglichkeit, die Bandbreite über den Mikrofonabstand flexibel anzupassen, derzeit die gängige Wahl in technischen Anwendungen.

Schallleistung

Schallleistung W ist die Rate, mit der eine Quelle akustische Energie abstrahlt, mit der Einheit Watt (W). Für jede geschlossene Messfläche S, die die Quelle umschließt, entspricht die Schallleistung dem Integral der Normal­komponente der Schallintensität über diese Fläche:

wobei n der nach außen von der Messfläche gerichtete Einheitsnormalenvektor ist.

Der Schallleistungspegel L_w ist definiert als:

wobei W₀ = 10^-12 W die Bezugs-Schallleistung ist.

Die Schallleistung beschreibt die inhärente akustische Emissionsfähigkeit einer Quelle: die gesamte akustische Energie, die sie pro Zeiteinheit abstrahlt. Sie hängt kaum vom Messabstand oder der Mikrofonposition ab und sollte idealerweise nicht davon abhängen, wie "laut" es an einem bestimmten Punkt im Raum ist. Dies unterscheidet sich grundlegend von Schalldruck und Schallintensität.

Um Schalldruck, Schallintensität und Schallleistung besser zu verstehen, können Sie sich Lärm als Wasserströmung vorstellen. Schalldruck ist wie der "Wasserdruck", den Sie spüren, wenn Sie Ihre Hand an eine bestimmte Stelle halten (er ändert sich mit dem Abstand zur Düse, mit der Richtung und mit der Form des Beckens).

Schallintensität ist wie die momentane "Flussrichtung und -rate" (sie ist gerichtet und kann sogar von Wänden reflektiert werden und so einen Rückfluss erzeugen).

Schallleistung ist wie "wie viel Wasser die Düse pro Sekunde ausstößt" - sie ist eine Eigenschaft der Düse selbst. In der Messung wird sie erhalten, indem man den nach außen gerichteten Normalfluss über eine den Prüfling umgebende Fläche integriert.

In realen Projekten sind die Algorithmen für Schalldruck, Schallintensität und Schallleistung relativ ausgereift. Der schwierigste Teil besteht darin, die Signale präzise zu erfassen und die Ergebnisse schnell zu erhalten. Insbesondere Aufgaben wie Mehrkanal-Mikrofonarrays, Schallintensitäts- und Schallleistungsmessungen stellen drei harte Anforderungen an das Datenerfassungs-Front-End: geringes Rauschen und große Dynamik, strenge Synchronisation und Phasenkonsistenz sowie stabile Verbindungen und Stromversorgung vor Ort.

SonoDAQ + OpenTest soll eine Grundlage für "Front-End-Erfassung + synchrone Analyse" in der technischen Akustik bieten und es Ingenieuren ermöglichen, sich stärker auf die Betriebsbedingungen und die Dateninterpretation zu konzentrieren. Es bietet den größten Mehrwert in den folgenden Projektarten:

• Schallintensitätsdiagnose: Zweikanalige synchrone Abtastung plus ein besseres Management von Amplituden-/Phasenkonsistenz bieten eine stabilere Datengrundlage für P-P-Intensitätssonden und Intensitätsscans.
• Mikrofonarraysysteme: Besser auf die Anforderungen des technischen Einsatzes hinsichtlich Kanalskalierbarkeit, Synchronisation und Verkabelung abgestimmt, wodurch sich erweiterbare, verteilte Prüfplattformen aufbauen lassen.
• Schallleistung und normgerechte Prüfungen: unterstützt Ingenieure beim schnellen Auslegen der Messpunkte und deckt mehrere internationale Schallleistungsprüfnormen ab. Mit geführter Konfiguration, One-Click-Tests und automatischem Berichtsexport spart es Ingenieuren erheblich Zeit und Aufwand.

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