Messtechnik der Akustik

744 Pages·2010·16.052 MB·German

by  Dr.-Ing. Erhard Werner (auth.), Michael Möser (eds.)

Messtechnik der Akustik
Michael Möser
Messtechnik der Akustik
1 J
Professor Dr.-Ing. Michael Möser
Technische Universität Berlin
Institut für Strömungsmechanik und
Technische Akustik
Einsteinufer 25
10587 Berlin
Deutschland
[email protected]
ISBN 978-3-540-68086-4 e-ISBN 978-3-540-68087-1
DOI 10.1007/978-3-540-68087-1
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Vorwort
SchondieinderGeschichtederNaturwissenschaftaußerordentlichbedeutsame,fast
schonmaterialistischanmutendeForderungdesgroßenAlbertEinstein,beiderBe-
schreibungundBehandlungderphysikalischenNaturausschließlichmessbareund
damitauchu¨berpru¨fbareGro¨ßenzubenutzen,ziehtalseineKonsequenzunmittel-
bar die Frage nach den Messmethoden und den Messmitteln nach sich. Das gilt
natu¨rlichauchundgeradefu¨rdiemitPhysikundTechnikinnigzusammenha¨ngen-
de ingenieurwissenschaftliche Disziplin der Akustik, und schon diese U¨berlegung
bietetausreichendenAnlassfu¨reinBuchu¨berakustischeMesstechnik.
Weitere gute Gru¨nde kommen hinzu. La¨ngst ist z.B. der La¨rm als Umweltgift
identifiziert,unddasmachtdieFestlegungvonGrenzwertenfu¨rImmissionen,Emis-
sionenund(u.a.)fu¨rdasakustischeRu¨ckhaltevermo¨gen–dieDa¨mmung–vonBau-
teilenwieTu¨ren,Fenster,Decken,Schallda¨mpferundvieleanderemehrerforder-
lich;undfraglosmusseinejeweilsdemZweckangemesseneMessungzweifelsfrei
u¨ber Einhaltung oder U¨berschreitung von Grenzen Auskunft geben ko¨nnen. Auch
mussdermitAkustikbefassteIngenieurnichtnurPrognosenundMaßnahmenge-
gebenenfalls auf Messungen stu¨tzen oder - um nur ein weiteres Beispiel zu nen-
nen-denErfolgoderMisserfolgvonPlanungendurchMessungnachweisen.Und
schließlich muss sich auch die Forschung stets auf geeignet gewa¨hlte Messungen
abstu¨tzenko¨nnen,undglaubwu¨rdigundnachvollziehbarzusein.Esgibtalsoviele
guteGru¨ndedafu¨r,mitdemvorliegendenBuchdieakustischenMessverfahrenund
diezugeho¨rigeMesstechnikindenVordergrundderBetrachtungzustellen.
DerDankdesHerausgebersgiltnatu¨rlichzuallererstdenAutorendereinzelnen
Kapitel,denendiesesWerkjainWahrheitzuverdankenist.DieTa¨tigkeitdesHer-
ausgebersistmehrkoordinierender,einordnenderNaturundselbstnichteigentlich
wirklich produktiv. Manchmal besteht die Hauptaufgabe des Herausgebers sogar
lediglich in der Mahnung an ohnedies schon anderweitig hoch belastete Autoren,
doch einen Teil ihrer Schaffenskraft dem Fortschritt des Buches zu widmen. Ende
gut, Alles gut: es ist ein wirklich interessantes und ho¨chst geachtenswertes Buch
entstanden.
Ein mindestens ebenso herzlicher Dank gebu¨hrt Judith Kokavecz, die nicht nur
dasKapitelu¨berdieModalanalyseverantwortet.Daru¨berhinaushatsieinhervorra-
v
vi Vorwort
genderWeisezurEntstehungdesganzenBuchesbeigetragen,indemsiemitgroßem
Engagement und viel perso¨nlichem Einsatz aus den Einzelbeitra¨gen ein einheitli-
chesBuchzusammengesetzthat.
Berlin, M.Mo¨ser
Juni2009
Inhaltsverzeichnis
1 Wandlerfu¨rLuftschallmessungen ............................... 1
Dr.-Ing.ErhardWerner
1.1 LuftschallalsPha¨nomenundUntersuchungsobjekt ............. 1
1.1.1 Schallquellen ..................................... 2
1.1.2 Schallfelder ...................................... 4
1.1.3 Signalgro¨ßenundBereiche ......................... 4
1.1.3.1 Schalldruck ............................. 5
1.1.3.2 Schallschnelle ........................... 5
1.1.3.3 Schallintensita¨t .......................... 6
1.1.3.4 WeitereSchallgro¨ßen ..................... 6
1.2 AllgemeineEinflu¨sseaufdasSchallfeld ...................... 6
1.2.1 Einflu¨ssederRaumeigenschaften .................... 7
1.2.2 KlimatischeundsonstigeEinflu¨sse................... 7
1.3 MikrofoneinflussundKalibierung ........................... 8
1.3.1 Ru¨ckwirkungdesSensorsaufdasSchallfeld........... 8
1.3.2 AkustischeEffekteinnerhalbdesSensors ............. 9
1.3.3 EffektebeiderUmwandlungderSchallgro¨ßen ......... 10
1.3.3.1 LineareVerzerrungen ..................... 10
1.3.3.2 NichtlineareVerzerrungen ................. 10
1.3.3.3 Eigensto¨rsignale ......................... 11
1.3.4 Kalibrierung...................................... 11
1.4 AnforderungenanMikrofone ............................... 14
1.4.1 Messmikrofone ................................... 14
1.4.1.1 Mikrofonefu¨rdenAudiobereich............ 14
1.4.1.2 Mikrofonefu¨rInfraschall.................. 15
1.4.1.3 Mikrofonefu¨rUltraschall.................. 16
1.4.2 Mikrofonefu¨rdenAllgemeingebrauch................ 16
1.4.3 Mikrofonefu¨rsonstigeAnwendungen ................ 17
1.4.4 Datengarantie..................................... 18
1.5 Wandlerprinzipien......................................... 19
1.5.1 WandlermitMembran ............................. 21
vii
viii Inhaltsverzeichnis
1.5.1.1 InduktiveWandler........................ 22
1.5.1.2 ElektrodynamischeMikrofone ............. 23
1.5.1.3 MagnetischeMikrofone ................... 25
1.5.1.4 KapazitiveWandler....................... 26
1.5.1.5 Niederfrequenz-Kondensatormikrofon....... 26
1.5.1.6 Hochfrequenz-Kondensatormikrofon ........ 29
1.5.1.7 Piezowandler ............................ 29
1.5.1.8 OptischeundsonstigeWandler ............. 30
1.5.2 MembranloseSchallwandler ........................ 31
1.5.2.1 ThermoelektrischeWandler................ 31
1.5.2.2 OptischeundsonstigeWandler ............. 32
1.5.3 AkustischwirksameKonstruktionselemente ........... 33
1.5.3.1 Mehrfacheinga¨nge(Mehrwegeempfa¨nger).... 33
1.5.3.2 FokussierendeBauteile.................... 35
1.5.3.3 Interferenzrohre.......................... 36
1.5.3.4 Sonden ................................. 36
1.5.3.5 WeitereexterneElemente.................. 37
1.6 BeispieleausKlein-undGroßserienherstellung ................ 38
1.6.1 DynamischeDruckmikrofone ....................... 39
1.6.1.1 ReportagemikrofonMD21 ................ 39
1.6.1.2 SondenmikrofonMD321.................. 40
1.6.2 DynamischeRichtmikrofone ........................ 41
1.6.2.1 Studio-RichtmikrofonMD441 ............. 41
1.6.2.2 ZweiwegemikrofonD222 ................. 42
1.6.2.3 Ba¨ndchenmikrofonM130 ................. 43
1.6.3 Niederfrequenz-Kondensatormikrofone ............... 44
1.6.3.1 GroßmembranmikrofonM147Tube......... 44
1.6.3.2 KleinmikrofonMK6/CMC6 .............. 45
1.6.4 Hochfrequenz-Kondensatormikrofone ................ 46
1.6.4.1 StudiomikrofonMKH800................. 46
1.6.5 Mess-Kondensatormikrofone........................ 47
1.6.5.1 Freifeldkapsel4133....................... 47
1.6.6 ThermischesMikrofonMicroflownScanningProbe0◦ .. 48
1.6.7 OptischesMikrofonMO2000....................... 49
1.6.8 Infraschall-Mikrofone.............................. 50
1.6.8.1 Breitband-HochfrequenzmikrofonMKH110 . 50
1.6.8.2 TieftonmikrofonModel50................. 51
Literaturverzeichnis ............................................. 52
2 SchallpegelmesstechnikundihreAnwendung ..................... 55
Dr.-Ing.JoachimFeldmann
2.1 Allgemeines,Aufgaben .................................... 55
2.1.1 Schallimmission .................................. 55
2.1.2 Schallemission.................................... 56
2.2 Mess-undBewertungsgro¨ßen............................... 56
Inhaltsverzeichnis ix
2.2.1 Schallsta¨rke ...................................... 56
2.2.2 Frequenzbewertung................................ 57
2.2.3 Zeitbewertung .................................... 57
2.2.4 Maximalpegel .................................... 60
2.2.5 Taktmaximalpegel................................. 60
2.2.6 Mittelungspegel,Wirkpegel......................... 61
2.2.7 StichprobenverfahrenzurErmittlungdesMittelungspegels 64
2.2.8 Schalldosis,Schallexpositionspegel .................. 65
2.2.9 Messdauer ....................................... 66
2.2.10 ZeitlicheMessdurchfu¨hrung ........................ 67
2.2.11 Messprotokoll .................................... 67
2.2.12 Beurteilungsgro¨ßen................................ 68
2.2.13 SpezielleBeurteilungsgro¨ßen........................ 70
2.3 Messgera¨te............................................... 70
2.3.1 Schallpegelmesser................................. 71
2.3.1.1 Schallpegelmesser Klasse 1,
Messgenauigkeit±0,5dB.................. 71
2.3.1.2 Schallpegelmesser Klasse 2,
Messgenauigkeit±1dB ................... 71
2.3.1.3 Schallpegelmesser Klasse 3,
Messgenauigkeit±1,5dB.................. 71
2.3.1.4 IntegrierendeMessgera¨te(Klasse1und2) ... 71
2.3.1.5 SonstigeEigenschaften.................... 72
2.3.2 KlassierendeMessgera¨te ........................... 73
2.3.3 Datenerfassung ................................... 73
2.3.4 Frequenzfilter..................................... 73
2.4 ErfassungundBeurteilungderGera¨uschemission .............. 74
2.4.1 Allgemeines...................................... 74
2.4.2 Gera¨te,Maschinen,Baugruppenu.a¨................... 74
2.4.2.1 Hu¨llfla¨chen-oderauchFreifeldverfahren..... 74
2.4.2.2 Hallraumverfahren ....................... 75
2.4.2.3 KennzeichnungtechnischerSchallquellen .... 76
2.4.3 MaschinenundGera¨tezurVerwendungimFreien ...... 78
2.4.4 Wasserinstallation,haustechnischeAnlagen ........... 78
2.4.5 MobileSchallquellen .............................. 79
2.4.5.1 Straßenfahrzeuge......................... 80
2.4.5.2 Schienenfahrzeuge ....................... 81
2.4.5.3 Wasserfahrzeuge ......................... 84
2.4.5.4 Luftfahrzeuge ........................... 85
2.4.6 AusgedehnteAnlagen,Straßen ...................... 89
2.4.6.1 Punktquelleu¨berdemBoden............... 90
2.4.6.2 EndlichlangeLinienschallquelle
(Zu¨ge,Fo¨rderanlagen,langeBaustellen,
dichtbefahreneStraßenusw.) .............. 90
x Inhaltsverzeichnis
2.4.6.3 Fla¨chenschallquellen
(Fabrikhallenwa¨nde,Geba¨udetoreetc.) ...... 91
2.5 ErfassungundBeurteilungderGera¨uschimmission ............. 92
2.5.1 AmArbeitsplatz .................................. 92
2.5.2 Gewerbe-undIndustriela¨rm......................... 96
2.5.2.1 Allgemeines............................. 96
2.5.2.2 ErfassungundBeurteilung(TALa¨rm) ....... 96
2.5.2.3 TieffrequenteGera¨usche................... 99
2.5.3 Baula¨rm .........................................100
2.5.4 Verkehrsla¨rm .....................................101
2.5.4.1 Straßen-,Schienen-undSchiffsverkehr ......101
2.5.4.2 Luftfahrzeuge ...........................103
Literaturverzeichnis .............................................106
3 EinmessungundVerifizierungraumakustischerGegebenheiten
undvonBeschallungsanlagen....................................115
Prof.Dr.-Ing.habil.WolfgangAhnertundDipl.-Phys.StefanFeistel
3.1 Einteilung,Zuordnung .....................................115
3.2 Messverfahren............................................116
3.2.1 KlassischeSchallpegelmessungund–bewertung .......116
3.2.2 MessmethodenbasierendaufFourieranalyse...........117
3.2.2.1 Grundlagen .............................117
3.2.2.2 KlassischeAnregung .....................120
3.2.2.3 Sweep-Verfahren.........................122
3.2.2.4 MLS-Technik............................123
3.2.2.5 Noise-Applikation........................124
3.2.2.6 TDS-Verfahrenund-Technik...............127
3.2.2.7 Messverfahren mit frei wa¨hlbaren
Anregungssignalen .......................127
3.2.2.8 Messparameter ..........................131
3.3 RaumakustischeMessungen ................................136
3.3.1 Vorbemerkung ....................................136
3.3.2 FestlegungderMessorte............................137
3.3.3 MessungderraumakustischenGegebenheiten..........137
3.3.4 Zeitgro¨ßen .......................................140
3.3.5 Frequenzgro¨ßen...................................142
3.3.6 Wasserfalldarstellung ..............................142
3.3.7 SpezielleAnwendungen............................143
3.3.7.1 FilterungundMittelung ...................143
3.3.7.2 InSituMessungendesSchallabsorptionsgrades145
3.3.7.3 MessungvonScattering-Koeffizienten .......146
3.3.7.4 Modenanalyse ...........................148
3.4 AnwendunginderBeschallungstechnik ......................149
3.4.1 ElektrischeU¨berpru¨fung............................149
3.4.1.1 SubjektiveKontrolle......................149
Inhaltsverzeichnis xi
3.4.1.2 ElektrischesEinmessen ...................151
3.4.2 AkustischesEinmessenderBeschallungsanlage ........151
3.4.2.1 Vorbemerkung...........................151
3.4.2.2 ErmittlungderSchallpegelverteilung ........152
3.4.2.3 MaximalerSchalldruckpegel...............154
3.4.2.4 MessungdesWiedergabefrequenzganges ....154
3.4.2.5 ErmittlungderSprachversta¨ndlichkeitSTI ...156
3.4.2.6 RauhigkeitenundFehlortung...............158
3.4.2.7 SubjektiveBeurteilung....................159
3.4.3 WeitereMessungen................................160
3.4.3.1 Alignment-Messungen ....................160
3.4.3.2 Ru¨ckkopplungstest .......................161
3.4.3.3 Polungstest..............................161
3.5 Messtechnik..............................................161
3.5.1 Hardwarelo¨sungen.................................162
3.5.2 Softwarelo¨sungen .................................163
3.6 Schlussbemerkungen ......................................165
Literaturverzeichnis .............................................165
A AnlagezuKapitel3:RaumakustischeKriterien ................167
A.1 NachhallzeitT ....................................167
A.2 Bassverha¨ltnisBR.................................172
A.3 Energiekriterien...................................172
A.3.1 50-ms-Anteil,D fu¨rSprache..............173
50
A.3.2 DeutlichkeitsmaßC fu¨rSprache...........173
50
A.3.3 ArtikulationsverlustAL fu¨rSprache ......174
cons
A.3.4 SpeechTransmissionIndexSTIundSTIPa...175
A.3.5 Schwerpunktzeitts .......................177
A.3.6 EchokriteriumEK........................178
A.3.7 KlarheitsmaßC fu¨rMusik................179
80
A.3.8 InterauralerKreuzkorrelationskoeffizientIACC180
A.3.9 Sta¨rkemaßG ............................181
A.3.10 SeitenschallgradeLateralEfficiencyLE,
LateralEnergyFractionLFundLateral
FractionCoefficientLFC ..................182
Literaturverzeichnis .............................................183
4 BauakustischeMessungen.......................................185
Dr.-Ing.Heinz-MartinFischer
4.1 AllgemeineHinweise......................................185
4.2 Aufgabenstellungen und Methodik der bauakustischen
Messtechnik..............................................186
4.2.1 AufgabenstellungenderbauakustischenMesstechnik....186
4.2.2 MethodikderbauakustischenMesstechnik ............187
4.2.2.1 Emission................................187
4.2.2.2 Transmission ............................188