Schalldruckpegel
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Der Schallpegel, ist Umgangssprache, aber physikalisch mehrdeutig. Seine korrekte genauere Bezeichnung ist Schalldruckpegel. Es ist ein logarithmisches Maß zur Beschreibung der Stärke des Schalldrucks; eines Schallereignisses, das zu den linearen Schallfeldgrößen gehört.
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[Bearbeiten] Definition
Der Schalldruckpegel Lp (L von engl. level: „Pegel“ und p von engl. pressure: „Druck“), beschreibt das logarithmierte Verhältnis eines Schalldrucks p1 zum festgelegten Referenzwert p0 = 20 µPa = 2 · 10-5 Pascal. Hierbei entspricht der Bezugswert ungefähr der Hörschwelle des menschlichen Ohrs bei einer Frequenz von 1000 Hz. Das Ergebnis wird in Dezibel (Abkürzung dB) angegeben.
- Lp = 20 · log (p1 / p0) in dB.
Das Dezibel (dB) ist keine physikalische Einheit sondern eine logarithmische Größe, die einen Pegel relativ zu einer Bezugsgröße angibt. Ein negativer Pegel bedeutet, dass die Größe kleiner als die Bezugsgröße ist. Es üblich, bei der Angabe des Schalldruckpegels den Zusatz „SPL“ (Sound Pressure Level) zu benutzen, z. B. Lp = 74,5 dBSPL.
[Bearbeiten] Messung
Die Messung des Schalldruckpegels kann mit Mikrofonen erfolgen. Die Richtcharakteristik solcher Mess-Mikrofone ist im Allgemeinen kugelförmig. Für binaurale Aufnahmen werden oft Kunstköpfe zur gewählt.
Der messbare Pegelbereich beginnt nicht wesentlich unter 0 dB und endet bei etwa 150 bis 160 dB, da für höhere Schallpegel die Gesetze der Akustik nicht mehr anwendbar sind. Die akustische Theorie geht davon aus, dass die Luftdruckschwankungen durch den Schall um Größenordnungen kleiner sind als der Atmosphärendruck, denn nur dann ergeben sich lineare Beziehungen zwischen den Schallfeldgrößen. Für noch höheren Wechseldruck werden alle Beziehungen nichtlinear; Schallgeschwindigkeit und Luftdichte sind dann nicht mehr konstant, sondern werden ebenfalls zu Wechselgrößen. Die bei niedrigem Schalldruck unwesentlichen Einflüsse, wie die Wärmeleitfähigkeit der Luft oder Effekte beim Aufreißen von Inter-Molekülbindungen, werden dann bedeutsam.
[Bearbeiten] Wahrnehmung durch den Menschen
Bei mittleren und hohen Pegeln und Frequenzen wird ein Schalldruckpegelunterschied von 10 dB in etwa als doppelte Lautstärke wahrgenommen, meinen die Psychoakustiker, auch wenn nicht genau klar ist, was wirklich doppelte Lautstärke sein soll. Unterschiede von 3 dB sind deutlich erkennbar. Kleinere Schallpegelunterschiede sind meistens bei direktem Vergleich erkennbar.
Hohe Schalldruckpegel verursachen Unwohlsein und Schmerzempfindungen. Die Unwohlseinsschwelle liegt bei etwa 110 bis 120 dB, und die Schmerzschwelle wird mit 120 dB bis 140 dB unbewertet angegeben.
Die wahrgenommene Lautstärke hängt hierbei nicht nur vom Schalldruckpegel ab, sondern auch vom Spektrum des Schallsignals und von dessen zeitlichem Verlauf. So werden Einzeltöne wesentlich lauter wahrgenommen als breitbandige Schallsignale mit gleichem Schalldruckpegel. Auch werden Schallsignale mit stark veränderlichem Pegel wesentlich lauter wahrgenommen als gleichförmige Schallsignale mit gleichem Mittelungspegel. Ursache hierfür sind die Eigenschaften des menschlichen Innenohrs.
Zur Gewinnung von Messergebnissen, die eine gewisse Annäherung an den Höreindruck des menschlichen Ohres widerspiegeln, werden unter Zuhilfenahme spezieller Filterfunktionen und Zeitkonstanten häufig der bewertete Schalldruckpegel ermittelt.
[Bearbeiten] Abhängigkeit von der Messentfernung
Bei punktförmigen Schallquellen, sowie im Allgemeinen bei in alle Raumrichtungen gleichmäßig abstrahlenden Quellen, nimmt der Schalldruckpegel um ziemlich exakt 6 dB pro Abstandsverdopplung ab. Dieses ergibt sich aus der Tatsache, dass sich der Schalldruck umgekehrt proportional zum Abstand r von der Schallquelle verhält; nach dem sogenannten Abstandsgesetz, dem 1/r-Gesetz. Rechnerisch lässt sich dieser Zusammenhang aus der Berechnungsformel für Schalldruckverhältnisse in Dezibel nachvollziehen:
- p ∝ 1 / r (proportional)
- p1 / p2 = r2 / r1
- p1 = p2 · r2 · 1 / r1
Oft wird behauptet, dass der Schalldruck mit 1/r2 abnimmt. Dieses stimmt nicht, denn das gilt nur für quadratische Schallenergiegrößen, wie z. B. für die Schallintensität.
[Bearbeiten] Beispiele für Schalldruckpegel
| Situation | Schalldruckpegel (dB SPL) |
| Hörschwelle (bei 1 kHz) | 0 |
| Sehr ruhiges Zimmer | 20–30 |
| Normale Unterhaltung 1 m entfernt | 40–60 |
| Fernseher in „Zimmerlautstärke“ 1 m entfernt | ca. 60 |
| PKW 10 m entfernt | 60–80 |
| Hauptverkehrsstraße 10 m entfernt | 80–90 |
| Gehörschäden bei langfristiger Einwirkung | ab 90 |
| Presslufthammer 1 m entfernt /Disko | ca. 100 |
| Düsenflugzeug 100 m entfernt | 110–140 |
| Gehörschäden bei kurzfristiger Einwirkung | ab 120 |
Da der Schalldruck innerhalb eines Schallfelds sehr unterschiedlich sein kann (Ausnahme: Diffusfeld), muss für eine verlässliche Interpretation des Messergebnisses die Entfernung des Messmikrofons von der Störquelle stets angegeben werden. Dieses wird häufig vergessen.
[Bearbeiten] Addition der Schalldruckpegel zweier inkohärenter Schallquellen
Zwei inkohärente Schallquellen mit gleichem Pegel ergeben eine Schalldruckpegel-Zunahme um 3 dB gegenüber einer Schallquelle. Zwei 80-dB-Schallquellen erzeugen zusammen 83 dB SPL. Siehe: Schallpegeladdition von akustischen Schallquellen
[Bearbeiten] Addition der Schalldruckpegel zweier kohärenter Schallquellen
Die Addition der Schalldruckpegel zweier kohärenter, gleich starker Schallquellen kann nicht mehr durch einen einfachen Ausdruck beschrieben werden, denn es tritt Interferenz auf. Es gilt das Superpositionsprinzip. An Punkten, die von beiden Schallquellen gleich weit entfernt sind, erhöht sich der Pegel um 6 dB. An Punkten, deren Entfernung zu beiden Quellen sich um eine halbe Wellenlänge λ / 2 unterscheidet sinkt der Pegel auf - ∞ dBSPL.
An allen anderen Punkten im Raum kann der Pegel jeden Wert dazwischen annehmen. Für zwei punktförmige Schallquellen im Freifeld ist die Berechnung des Pegels in Abhängigkeit vom Messort einfach. In geschlossenen Räumen ist in der Regel nur eine numerische Lösung möglich.
