Lautstärke: dB(A), Sone und Spektralanalysen

Für viele Menschen ist der Punkt Lautstärke ein wichtiges Thema, doch grundlegend lässt sich das Empfinden eines Einzelnen nicht auf alle Menschen umlegen. Was ist laut und was ist leise? Ist der Windbruch an einem Baum, den das Ohr beim Spaziergang wahrnimmt, laut - oder ist er leise? Gemessen könnte sich das Geräusch als laut zeigen, doch stellt sich dann die Frage, ob es störend ist.

Das langsame Abziehen einer Messerklinge über einen Steinzeugteller kann einen kreischenden Ton auslösen, der dann unter Umständen nicht einmal laut sein müsste, doch für viele Menschen als höchst unangenehm empfunden wird. Und führen wir noch das Beispiel Diskothek an: Die dort oftmals vorherrschende Lautstärke ist immens und doch fühlen sich dennoch viele Menschen, zumindest für einen gewissen Zeitraum, unter diesen Bedingungen nicht unwohl, da es als eine Art Musikgenuss empfunden wird.

Eben wegen dieser unterschiedlichsten subjektiven Empfindungen und Einstufungen von Lautstärke ist es auch so schwer, das Geräuschpotential eines Lüfters mittels Werten plastisch darzustellen, damit jeder Betrachter auch persönlich daraus seine auf ihn zutreffenden Erkenntnisse ziehen könnte. Als Messeinheiten kennt man aus der Praxis den Schalldruckpegel, angegeben in dB(A) und die Lautheit, angegeben in Sone.

Eine Überführung des einen Wertes in den anderen ist nur sehr bedingt möglich, wie wir weiter unten noch sehen werden. Da zu unseren bislang üblichen Schalldruckmessungen nun auch Messungen der Lautheit hinzugekommen sind, bedarf es einer gewissen Erklärung der Begrifflichkeiten, denn der Schalldruckpegel ist nicht gleichzusetzen mit empfundener Lautheit.

Der Schalldruck - eine lineare Schallfeldgröße - ist die Druckschwankung, die bei Schallereignissen, die sich durch das Medium Luft ausbreiten, auftritt (Anmerkung: unser Gehör nimmt nur Druckwechsel wahr, statische Drücke werden nicht als Schallereignis wahrgenommen, der Schalldruck ist somit eine Wechselgröße, die dem statischen Luftdruck überlagert ist). Die Einheit des Drucks ist das Pascal [Pa], definiert als Kraft/Fläche, ein Pascal entspricht dem Druck 1Newton/m2.

Der von uns gemessene Schalldruckpegel (Einheit [dB]) ist eine Verhältnisgröße, es werden also zwei Drücke miteinander verglichen. Der eine Druck ist die Referenzgröße und stellt den Bezugspegel von 0dB dar. Der andere Druck ist jener des gemessenen Schallereignisses. Wird als Referenzdruck der Druck entsprechend dem unserer Hörschwelle von 20µPa (20x10-6 Pa) verwendet, kommt die Einheit dBSPL (SPL = Sound Pressure Level) zum Einsatz. Eine beispielhafte Aussage von "105dBSPL" bedeutet also, das der ermittelte Schalldruck 105dB über der menschlichen Hörschwelle liegt (und was übrigens beim hier beschriebenen Beispiel von den meisten, nicht "Zappelschuppen-geschädigten" Menschen, als prächtig laut empfunden wird).

Eine wichtige Anmerkung zu angegebenen Schalldruckpegeln: Eine Pegelangabe ohne die zugehörige Entfernungsangabe zur Schallquelle ist ohne jeden Wert. Warum? Der Schalldruck fällt mit dem Abstand reziprok-linear, bei einer Abstandsverdopplung fällt im Freifeld der Schalldruck daher auf die Hälfte seines Ursprungswertes ab (entspricht einer Feldgrößenpegeldämpfung von 6dB). Pegelangaben werden i.A. auf einen Abstand von 1Meter normiert, bei gegebenen Längenabweichungen wird zumeist die entsprechende Distanz dem Messwert hinzugefügt (z.B. 65dBSPL/50cm). Um eine Normierung eines Schalldruckpegels auf 1Meter vornehmen zu können, müssen Freifeldbedingungen herrschen, ansonsten ist das 1/r -Gesetz nicht anwendbar - im Diffusfeld (z.B. stellt ein typischer Büro- oder Wohnraum eine Mischung aus Freifeld und Diffusfeld mit Hallradius dar) herrschen andere Bedingungen.

Ein Schmankerl am Rande: Häufig hört man folgenden Ausspruch: "Die Intensität des Schalldrucks hat mich schier erschlagen" - oder ähnlich ausgeführte Phrasierungen, mit ebengleich sinnfreiem Inhalt. Die Schallintensität (in [W/m2]) - eine quadratische Größe, also keine lineare Feldgröße - ist somit eine Schallenergiegröße. Für unser Empfinden ist die energetische Betrachtung des Schalls nicht als sinnvoll anzusehen, denn unser Gehör ist vom Typ her ein Druckempfänger und deswegen nur für Schallfeldgrößen empfänglich. Von der Intensität des Schalldrucks zu reden ist physikalisch gesehen "ein Schmarrn".

Nun ist unser Empfinden ein menschliches und wir sind - Gott sei es gedankt - keine wandelnden Messgeräte. Daher lässt sich die Frage, ob sich ein Schallereignis als angenehm oder eher unangenehm anfühlt, nicht gut in physikalischen Messgrößen ausdrücken. Erste Versuche aus den zwanziger Jahren des letzten Jahrhunderts, die Messungen mit menschenähnlichem Empfinden zu bewerten gehen auf Barkhausen (dt. Physiker, Prof. für E-Technik) zurück: die A-Bewertung. Die A-Bewertung sollte eine Annäherung an den Frequenzverlauf des menschlichen Gehörs darstellen. Leider geben A-bewertete Pegelangaben nur für reine Töne (kein spektrales Gemisch) sehr niedriger Lautstärke exakte Verhältnisse wieder. A-bewertete laute Signale und Spektren mit vielen Einzelkomponenten weichen stark vom humanen Empfinden ab.

Wie wir sehen, ist ein breitbandiges Signal, z.B. das Rauschen eines Lüfters nur schwierig mittels der A-Bewertung quantitativ zu erfassen. Diese Form der Bewertung ist deshalb so beliebt, weil man die Werte relativ simpel aus den physikalischen Größen herleiten kann. Des weiteren kommen noch sogenannte Verdeckungseffekte hinzu. Bei gleichzeitigem Auftreten eines lauten Tones kann das menschliche Gehör leise, hochfrequente Schallereignisse nicht mehr wahrnehmen.

Solcherlei Erkenntnisse machen sich Audiokompressionsverfahren (MP3, AAC, Ogg etc.) zu Nutze. Erkenntnisse dieser Art sind interessanterweise schon recht alt und gingen in den dreißiger Jahren des letzten Jahrhunderts in die Arbeiten von Stevens und Zwicker ein, die eine Lautheitsskala entwickelten. Das Ausmaß der Empfindung von TestperSonen auf Schallereignisse nannte er Lautheit und als Einheit wurde "Sone" definiert.

Zwicker interessierte es vor allem, wann die TestperSonen ein Schallereignis als doppelt so laut empfanden wie ein von ihm vorgegebenes Referenzereignis. Er stellte fest, dass die empfundene Lautstärke mit dem Schallpegel über ein Potenzgesetz verbunden ist - das Gehör ist alles andere als linear bezüglich der Wahrnehmung des Schallpegels.

Die Zuordnung des Sone Wertes "1Sone" erfolgte per freier Definition auf einen Pegel von 40Phon. Da die Sone Skala linear verläuft, wird bei einer Verdoppelung des Sone Wertes (z.B. von 2 Sone auf 4 Sone) das Schallereignis auch als doppelt so laut empfunden. Die Lautheitsbestimmung stationärer Geräusche erfolgt über eine Terzanalyse (1/3 Oktav) nach einem sehr aufwendigen Schablonenverfahren, welches Zwicker entwickelte. Nach DIN45631 erfolgte eine Normierung des Verfahrens.