Physikalisch-Technische Bundesanstalt

Ingolf Bork, Thomas Fedtke, Dirk Ratschko

Nach dem Gesetz über Einheiten im Messwesen [1] ist es Aufgabe der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt, die gesetzlichen Einheiten darzustellen. In der Akustik ist das der Schalldruck in der SI-Einheit Pascal (Pa). Realisiert wird die Darstellung durch die Primär-Kalibrierung von genormten Messmikrofonen, sog. Labor-Normalmikrofonen.

Darüber hinaus ist die Physikalisch-Technische Bundesanstalt nach dem Gesetz über das Mess- und Eichwesen [2] für Prüfungen von Normalgeräten und Prüfungshilfsmitteln der Eichbehörden und anerkannten Prüfstellen zuständig. Kalibrierte Messmikrofone werden aber auch für die Bauartprüfung von Schallpegelmessgeräten und Schallkalibratoren nach der Eichordnung [3] benötigt. Die Weitergabe der Schalldruckeinheit als Dienstleistung für die deutsche Industrie wird maßgeblich durch den Deutschen Kalibrierdienst (DKD) durchgeführt. Dessen Kalibierlaboratorien führen ihre Bezugsnormale durch die PTB auf nationale Normale zurück.

Zur Definition der akustischen Messgrößen sei auf die DEGA-Empfehlung 101 [4] verwiesen.

Manfred Brandt und Dirk Ratschko

Lärm beeinflusst die Lebensqualität vieler Menschen, kann gesundheitliche Beeinträchtigungen hervorrufen und führt zu erheblichen Kosten. Rund 50 % der Bevölkerung der Bundesrepublik Deutschland fühlt sich häufig oder andauernd durch Lärm belästigt [1]. Das Grünbuch der Europäischen Kommission, Künftige Lärmschutzpolitik [2], beziffert die Folgekosten von Lärm auf 0,2 bis 2 Prozent des Bruttoinlandproduktes. Auf Deutschland angewandt sind das zwischen 4 und 40 Milliarden Euro pro Jahr. Lärmschwerhörigkeit ist eine der am häufigsten anerkannten Berufskrankheiten mit über 40.000 laufenden Rentenfällen bei den gewerblichen Berufsgenossenschaften.

Schallpegelmessgeräte, die wichtigsten Messgeräte zur Messung von Lärm, unterliegen in Deutschland der Eichpflicht. Vor jeder eichpflichtigen Messung ist ein Schallpegelmessgerät mit einem geeichten Schallkalibrator zu überprüfen. Die Eichfähigkeit von Schallpegelmessgeräten und Schallkalibratoren wird im Rahmen einer Bauartprüfung durch die Physikalisch-Technische Bundesanstalt festgestellt. Dabei werden nationale Anforderungen zugrunde gelegt, die unter anderem aus den Normen DIN EN 61672-1 [3], DIN EN 61672-2 [4], DIN 45657 [5] und DIN EN 60942 [6] übernommen wurden. Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt gehört zu den wenigen Institutionen weltweit, die Schallpegelmessgeräte entsprechend der Norm DIN EN 61672, die aus der internationalen Norm IEC 61672 hervorgegangen ist, vollständig prüfen kann.

Thomas Fedtke

Die Messung des menschlichen Hörvermögens (Audiometrie) besitzt große Bedeutung im Rahmen der Gesundheitsvorsorge zum Schutz des Gehörs. Weiterhin ist die Audiometrie ein unverzichtbares diagnostisches Werkzeug für die HNO-Heilkunde und die Grundlage für eine erfolgreiche Anpassung von Hörhilfen.

In der PTB werden zum einen die Kenndaten des Gehörs an Versuchspersonen ermittelt und zum anderen wird die Messkette für ihre Übertragung bis zum Audiometer im praktischen Einsatz sichergestellt. Letzteres erfolgt über die regelmäßige Wartung der Audiometer und die Überprüfung der für die Audiometerwartung verwendeten Ausrüstung. Gesetzliche Grundlagen dafür sind das Medizinproduktegesetz [1] und die Medizinprodukte-Betreiberverordnung [2]. Im "Leitfaden zu messtechnischen Kontrollen von Medizinprodukten mit Messfunktion" [3] werden genaue Anforderungen an die Wartung von Audiometern und Maßnahmen zur messtechnischen Kontrolle definiert.

Wichtige Bestandteile dieser Messkette sind die Ohrsimulatoren, akustischen Kuppler und künstlichen Mastoide (mechanische Kuppler für die Knochenleitungshörer), an denen die Bezugswerte für die "Normalhörigkeit" festgelegt werden, welche aber auch vor Ort bei der Kalibrierung der Audiometer zum Einsatz kommen.

Klaus-Vitold Jenderka, Thomas Fedtke, PTB Braunschweig und Berlin, Fachbereich 1.6 - Schall

Die Audiometrie dient allgemein zur messtechnischen Bestimmung des menschlichen Hörvermögens. Zu den Basisverfahren zählen die Reinton- und die Sprachaudiometrie. Diese Verfahren nutzen zum einen reine Sinus-Töne zur Prüfung des Gehörs an der Hörschwelle und zum anderen in Listen erfasste Zahlwörter, Einsilber, Reime oder Sätze zur Messung der Verständlichkeit von Sprache. Bei der Durchführung der Messung ist die aktive Mitarbeit der zu untersuchenden Person unbedingt erforderlich. Der Patient wird dazu in einen ruhigen Raum gesetzt und bekommt Töne oder Sprache z.B. über einen Kopfhörer vorgespielt. Er muss angeben, ob er die Töne gehört bzw. was er von der Sprache verstanden hat. Durch Variation der Lautstärke wird die Schwelle des Reintonhörens bzw. die Verständlichkeitsgrenze der Sprache ermittelt. Auf Grund der direkten Mitarbeit des Patienten und der damit verbundenen Fehlerquellen zählen diese Techniken zu den subjektiven audiometrischen Verfahren. Die Audiometrie und Diagnostik von Erkrankungen der Hörorgane bei Kleinkinder und für nicht zur Mitarbeit fähigen Erwachsenen bzw. nichtkooperativen Patienten erfolgt mit objektiven audiometrischen Verfahren. Hier werden die Hörnerven mit Kurzzeitsignalen stimuliert und die Antworten auf die akustischen Reize registriert. Je nach Art der Reizantwort wird zwischen zwei Methoden unterschieden: Registrierung der otoakustischen Emissionen (OAE) und Messung der akustisch evozierten Potentiale (AEP).

Klaus Beissner, Christian Koch

Ultraschall wird in sehr vielen Bereichen in Medizin, Technik und Alltag eingesetzt. Am meisten bekannt ist natürlich die millionenfache Anwendung zur medizinischen Diagnose in allen Fachrichtungen, aber auch Ultraschallmethoden wie Reinigen, Sonochemie oder Werkstoffinspektion haben eine weite Verbreitung gefunden. Eine quantitative Analyse des Schallfeldes ist in allen Bereichen ein wesentlicher Schlüssel zur Beurteilung der Prozesse. Während bei medizinischen Anwendungen Fragen der Patienten- und Diagnosesicherheit oder der Abbildungsqualität im Vordergrund stehen, spielen bei technischen Anwendungen vor allem Prozessbeschreibung und optimierung eine wesentliche Rolle. Eine solche quantitative Beurteilung ist ohne Messungen nicht möglich, die wiederum das Vorhandensein eines Normals für eine Einheit der Messgröße voraussetzen. Im Ultraschall sind die beiden wesentlichen Messgrößen die Ultraschallleistung (Einheit Watt) und der Schallwechseldruck (Einheit Pascal), für die beide ein primäres Darstellungsverfahren, jeweils in Wasser, an der PTB realisiert wird. Diese beiden

Volker Wilkens

Ultraschall hat sich zu einem der wichtigsten bildgebenden Verfahren in der medizinischen Diagnostik entwickelt. Durch die stetige Verbesserung und Erweiterung der Ultraschalltechnik, der Bildgebungsverfahren, der Bildauswertung und der Bilddarstellung kommen die kompakten und vielseitigen Geräte heute in fast allen medizinischen Fachdisziplinen effizient zum Einsatz.

Die Vermessung der Schallabgabe von medizinischen Ultraschallgeräten ist wichtig im Hinblick auf die Wahrung der Patientensicherheit. So kann zwar die Sonographie im allgemeinen als besonders schonendes Bildgebungsverfahren angesehen werden, aber es gibt dennoch Gefährdungspotentiale aufgrund der thermischen und mechanischen Wirkungen des Ultraschalls im menschlichen Körper, wenn die natürlichen Toleranzbereiche überschritten werden. Desweiteren entstehen in Verbindung mit dem Einsatz von Ultraschallkontrastmitteln Bildgebungstechniken, die eine ganz bestimmte Dosierung des Ultraschalls erfordern, um die gewünschte diagnostische Information zu liefern. Die für Sicherheit und Qualitätssicherung relevanten akustischen Parameter hängen dabei von einer Vielzahl von möglichen Betriebsarten und Einstellungen am Sonographiegerät ab. Die Deklaration und Anzeige der Schallfeldparameter für diagnostische Ultraschallgeräte ist in IEC Normen (IEC 61157, IEC 60601-2-37) [1],[2], dem sogenannten Output Display Standard [3] und den US-amerikanischen FDA Kriterien [4] geregelt. Auch für therapeutische Anwendungen von Ultraschall gibt es international verwendete Regeln zum Schutze der Patienten, wie z. B. die Prüfung von Physiotherapie-Geräten nach IEC 61689 [5], die die Applikation zu starker und zu inhomogener Schallfelder verhindern soll.

Christian Koch, Klaus-Vitold Jenderka

Der Leistungsultraschall ist heute aus den vielfältigen Anwendungen zur Reinigung der unterschiedlichsten Bauteile nicht mehr wegzudenken. Trotz des ständig wachsenden Einsatzes ist der Nutzer auf eine empirische Einstellung und Optimierung der Betriebsparameter angewiesen, da keine allgemeingültigen Kriterien zur Beschreibung der Prozesse existieren. Die messtechnische Erfassung des Schallfeldes als Ursache der Kavitationsvorgänge und damit der gewünschten Wirkung bietet die Möglichkeit zur Beschreibung der ablaufenden Prozesse. Die Problematik besteht dabei in der Wahl geeigneter Sensoren, die einerseits den Kavitationsvorgängen widerstehen können und andererseits klein genug sind, um das Schallfeld nicht zu stören. Eine weitere Schwierigkeit ist die Auswertung der stark stochastischen Zeitverläufe durch das Finden geeigneter Parameter zur Beschreibung des Kavitationsfeldes und ihrer Relation zur Reinigungswirkung. Eine Untersuchung, wie Korrelationsrechnungen hierfür eingesetzt werden können, soll im Beitrag vorgestellt werden.

Volker Wittstock, Werner Scholl

Die Bauproduktenrichtlinie bildet die Grundlage für die bauakustischen Aktivitäten der PTB. Die daraus abgeleiteten Aufgaben der Mitwirkung bei der Anerkennung von Prüfstellen, der aktiven Teilnahme an der internationalen und nationalen Normung sowie der Durchführung von bauakustischer Forschung werden hier zusammenfassend dargestellt.

Volker Wittstock

Der aktuelle Stand zur Ermittlung und Berücksichtigung der Unsicherheiten in der Bauakustik wird am Beispiel der Luftschalldämmung aufgezeigt.

Die Errichtung von Gebäuden erfordert das Zusammenspiel einer Vielzahl von Akteuren. Welcher der Beteiligten welchen Anteil am Gesamtergebnis hat, ist jedoch am ausgeführten Bau nur schwer zu beurteilen, was insbesondere bei Beanstandungen häufig zu langwierigen z.T. auch juristischen Auseinandersetzungen führt. Dies trifft ganz besonders auch auf die akustischen Eigenschaften von Gebäuden zu, da die Schallausbreitung in Gebäuden auf sehr unterschiedlichen Wegen erfolgen kann.

Ob die Vorgabewerte im fertigen Gebäude eingehalten werden, kann jedoch nur unter Berücksichtigung der auftretenden Unsicherheiten beurteilt werden, so dass ihnen in der Bauakustik eine große Bedeutung zukommt. Allerdings werden die Unsicherheiten derzeit entweder völlig außer Acht gelassen oder nur sehr pauschal berücksichtigt. Es gibt auch keinerlei Transparenz, welcher Effekt bzw. welcher Akteur welchen Unsicherheitsbeitrag liefert. Im nachstehenden Beitrag werden die verschiedenen Quellen für die Unsicherheiten aufgeführt, und es werden Schätzwerte für die praktisch auftretenden Unsicherheiten angegeben. Darüber hinaus werden Vorschläge unterbreitet, wie die Unsicherheiten in der Bauakustik berücksichtigt werden können.

C. Kling, M. Schmelzer

Die Bauakustik beschäftigt sich mit der Schallübertragung zwischen verschiedenen Räumen. Vorherrschende Messgröße ist das Schalldämmmaß, ein Maß für die Transmission des Schalls. Die auf ihre akustischen Eigenschaften zu prüfenden Objekte sind recht groß: eine Wand, eine Decke, ein Abflussrohr oder eine abgehängte Decke in einem Großraumbüro. Bauakustische Prüfstände fallen dementsprechend groß aus, da sie das zu prüfende Objekt umgeben und statisch tragen müssen. Zur Bestimmung des Schalldämmmaßes werden nach Norm ISO 140 [1] Prüfstände benötigt, die zwischen zwei geschlossenen Räumen das jeweilige Prüfobjekt einschließen. Solch ein Prüfstand erfordert ausreichend Bauplatz, Lagerfläche sowie Personal und Material für den Auf- bzw. Einbau der Prüflinge. Nach der Messung muss der Prüfling abgerissen und entsorgt werden, um einem neuen Prüfobjekt Platz zu machen. Dies alles macht eine Schalldämmungsmessung zeitaufwändig und teuer.

Ingolf Bork

Die Raumakustik befasst sich mit der Optimierung von Schallausbreitungsbedingungen in geschlossenen Räumen. Die Zielsetzung kann dabei je nach Anforderung sehr unterschiedlich sein. Während in Räumen zur Sprachübertragung wie z.B. in Hörsälen, Schulklassenräumen und Theatern höchste Maßstäbe an die Sprachverständlichkeit gestellt werden, sind für musikalische Aufführungsstätten andere Kriterien maßgeblich, die durch die subjektive Empfindung der Hörer geprägt sind, wie beispielsweise Klangfarbe, Nachhall und Räumlichkeitsgefühl. Darüber hinaus ist auch die Vermeidung unerwünschter Schallausbreitung von Störschall ein wichtiger Anwendungsbereich der Raumakustik. Hierzu gehören der von Maschinen abgestrahlte Schall in Werkstätten und Fabrikhallen ebenso wie der von den Wänden im Wohnbereich abgestrahlte Schall aus benachbarten Wohnungen oder der über geschlossene Fenster eindringende Lärm von Flugzeugen und Kraftfahrzeugen. Zur quantitativen Beschreibung der raumakustischen Eigenschaften werden heute so genannte raumakustische Parameter verwendet, mit denen es möglich ist, in öffentlichen Ausschreibungen für neu auszustattende Räume entsprechende Grenzwerte festzulegen.

Martin Schmelzer, Christoph Kling

Ein Aspekt der Materie sind ihre mechanischen Eigenschaften. Dazu gehört der Effekt der Verformung unter Einwirkung von Kräften. Hiervon macht das Ingenieurwesen (z.B. in der Fertigungstechnik beim Umformen durch Pressen und Walzen) aber auch die Messtechnik (z.B. für Wägezellen) regen Gebrauch. Auch erfordern hohe Maschinengeschwindigkeiten (z.B. bei Kolbenmaschinen, Turbinen und zunehmend auch bei Robotern) die Berücksichtigung der Verformung infolge von Trägheitskräften. Das Gebiet der Akustik wiederum basiert auf der Ausbreitung von Verformungen in Gasen, Flüssigkeiten und Festkörpern.

Die Irreversibilität dieser Prozesse kann in Form dämpfender Bauelemente für technische Anwendungen (z.B. bei Knautschzonen in der Sicherheitstechnik) genutzt werden. Gerade in der Bauakustik war aber der Einfluss der Materialdämpfung auf die Schalldämmung lange Zeit noch weitgehend unerforscht. Dies lag auch daran, dass bereits einfache technische Systeme große physikalische Komplexität besitzen und daher hohe Anforderungen an die Modellbildung stellen. Hierin hat die PTB Untersuchungen aufgenommen.

Die Verformung und ihre Dämpfung hängen ab von u.a. der chemischen und physikalischen Beschaffenheit der Materialien und der Vorgeschichte von Verformung, Belastung und Umgebungsbedingungen wie der Temperatur. Die Beschreibung von Verformung und deren Dämpfung erfolgt mathematisch. In den Gleichungen tauchen quantifizierende materialspezifische Parameter auf, die experimentell zu bestimmen sind.

Die Übertragbarkeit der Materialbeschreibung auf andere Anwendungsfälle ist eine äußerst wichtige Anforderung. Hierfür werden auch in der Bauakustik und in der PTB große Anstrengungen unternommen. Die Übertragbarkeit wird möglich, wenn die Materialbeschreibung unabhängig von der Bauteilgeometrie ausgeführt wird. Hierbei kommen infinitesimale Beschreibungen über Spannungs- und Verzerrungstensoren zum Einsatz.

Ein einfacher Hookescher Zusammenhang reicht jedoch für viele industriell interessante Werkstoffe und auch in der Bauakustik nicht mehr aus, um deren Gedächtnisseffekte zu beschreiben. Abhilfe schafft der Übergang auf die Beschreibung linear-viskoelastischen Verhaltens, formuliert z.B. mit Gedächtnisintegralen [Gurtin1962], inneren Variablen [Biot1954], [Johnson1999] oder - im Fall harmonischer Schwingungen - mit frequenzabhängigen komplexen Moduln. Einen Überblick bietet [Tschoegel1997].

Die in den Materialbeschreibungen auftretenden Parameter müssen für jedes Material individuell bestimmt werden. Hierfür gibt es verschiedene, teils genormte Experimente: [DIN53535_1982]. Häufig wird von Resonanzexperimenten Gebrauch gemacht: [Caracciolo2004]. Aber auch Stoß- und Ausschwingexperimente finden Anwendung: [Chen2000], [Schmelzer2004]. Die Richtlinie [VDI3830] bietet in ihrem fünften Teil einen Überblick.