Ein Messverfahren zur Bestimmung der Luftultraschallexposition am Arbeitsplatz

Im Rahmen des EU-Forschungsprojektes Ears II wird ein Messverfahren für Luftultraschall entwickelt. Mithilfe des für den Arbeitsschutz konzipierten Verfahrens soll die Exposition von Beschäftigten durch luftgeleiteten Ultraschall am Arbeitsplatz verlässlich bestimmt werden. Entscheidende Erkenntnisse bei der Entwicklung lieferten räumlich hochaufgelöste Schallfeldscans an einem Referenzarbeitsplatz in der PTB.

Ultraschalltechnologien sind heutzutage in vielen unterschiedlichen Industriezweigen anzutreffen. Mithilfe von Ultraschall können beispielsweise Kunststoffe geschweißt, Lebensmittel geschnitten und Gegenstände gereinigt werden. Oftmals entsteht an diesen Arbeitsplätzen als Nebeneffekt auch luftgeleiteter Ultraschall. Einhergehend mit der weitverbreiteten Anwendung von Ultraschall sind auch zahlreiche Beschäftigten diesem Luftultraschall ausgesetzt. Von einem Teil dieser Beschäftigten wurden im Zusammenhang mit der Exposition am Arbeitsplatz diverse Beschwerden vorgetragen [1], wodurch die potenzielle Gesundheitsgefährdung durch Luftultraschall zutage trat. Gemäß der Lärm- und Vibrations-Arbeitsschutzverordnung [2] ist die auftretende Schallexposition am Arbeitsplatz zu ermitteln und zu bewerten. Allerdings existiert derzeit kein standardisiertes, wissenschaftlich fundiertes und zugleich praxistaugliches Messverfahren für luftgeleiteten Ultraschall. Aus diesem Grunde wird im Rahmen des internationalen Forschungsprojektes Ears II [3], welches von der Europäischen Union gefördert wird, ein solches Messverfahren an der PTB gemeinsam mit einem Projektpartner, dem Institut für Arbeitsschutz (IFA) der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung (DGUV), entwickelt.

Die Messung von Ultraschall, das heißt Schall mit Frequenzen größer als 20 kHz, stellt gegenüber der bereits etablierten Messung von Hörschall im Frequenzbereich von 20 Hz bis 20 kHz eine besondere Herausforderung dar. Durch die höhere Frequenz besitzt Ultraschall spezielle Eigenschaften hinsichtlich seiner Ausbreitung und Wechselwirkung mit der Umwelt, die durch eine entsprechende Ausführung der Messtechnik [4] und Messverfahren berücksichtigt werden müssen. Um diese speziellen Anforderungen herauszuarbeiten und darauf basierend eine neues Verfahren zu entwickeln, welches diesen Anforderungen gerecht wird, wurde in der PTB ein sogenannter Referenzarbeitsplatz aufgebaut. Dieser bot die Möglichkeit, zeitlich aufwendige Messungen zur Schallfeldcharakterisierung an einer für industrielle Anwendungen repräsentativen Ultraschallquelle durchzuführen. Als Schallquelle diente hierbei eine Ultraschallschweißmaschine, welche durch einen industriellen Kooperationspartner, Herrmann Ultraschalltechnik GmbH & Co. KG, bereitgestellt wurde. Aufgebaut wurde der Referenzarbeitsplatz in einer reflexionsarmen Umgebung eines dreiachsigen Scannersystems. Mithilfe eines eigens hierfür konstruierten vierkanaligen Mikrofonarrays konnte das Schallfeld in einer sehr hohen räumlichen Auflösung vermessen werden. Das zur Verfügung stehende, große Messvolumen des Messaufbaus von mehr als 7 m³, in Kombination mit der gleichzeitig realisierbaren hohen Auflösung im Submillimeterbereich, stellt hierbei ein Novum dar. Die Komponenten des Referenzarbeitsplatzes sind in Abbildung 1 dargestellt.

Abbildung 1: Die Komponenten des Referenzarbeitsplatzes; links: dreiachsiges Scannersystem mit reflexionsarmer Umgebung; rechts oben: vierkanaliges Mikrofonarray; rechts unten: Ultraschallschweißmaschine; Abbildung aus [5]

Beispielhaft ist in Abbildung 2 ein mit diesem Versuchsaufbau aufgenommener Schallfeldscan dargestellt. Hierbei handelt es sich um die ungewichtete Schalldruckpegelverteilung einer vertikalen Schicht auf der Vorderseite der Ultraschallschweißmaschine. Es zeigt sich ein fein strukturiertes Interferenzmuster mit zum Teil sehr hohen Schalldrücken, dargestellt in Gelbtönen, und Spitzenpegeln über 120 dB. Da das Schallfeld jedoch durchsetzt ist mit Regionen niedrigen Schalldrucks, dargestellt in Blautönen, sind einzelne Messpunkte nicht repräsentativ für das gesamte Schallfeld. Aus diesem Grunde sieht das entwickelte Messverfahren beispielsweise abstreifende Messpfade vor, um die unterschiedlichen Schalldruckpegel zu berücksichtigen, denen ein Beschäftigter an diesem Arbeitsplatz durch seine Bewegungen ausgesetzt ist.

Abbildung 2: Ultraschallfeld des Referenzarbeitsplatzes

Gemeinsam mit dem Institut für Arbeitsschutz wurden erste Messungen unter Anwendung des entworfenen Messverfahrens an Industriearbeitsplätzen, welche unterschiedliche Ultraschallmodalitäten verwendeten, durchgeführt. Diese Untersuchungen werden Aufschluss über die Praxistauglichkeit und Allgemeingültigkeit des neuen Messverfahrens geben. Derzeit finden weitere Untersuchungen und Analysen bereits erhobener Daten statt, um den Einfluss von Beschäftigten an einer Maschine und den Umgebungsbedingungen auf das Schallfeld zu bestimmen. Das einer anschließenden Revision unterzogene Messverfahren soll Eingang in die Normung finden und dem Arbeitsschutz so als standardisiertes, valides und praktikables Verfahren zur Bestimmung der Exposition durch Luftultraschall dienen. Die dadurch ermöglichte Gefährdungsbeurteilung bildet die Grundlage, um die Notwendigkeit von Schutzmaßnahmen zu bestimmen.

This project has received funding from the EMPIR programme co-financed by the Participating States and from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme.

Literatur:

[1] Leighton, T. G.: Are some people suffering as a result of increasing mass exposure of the public to ultrasound in air?; Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Science; 2016; 472 (2185); Link
[2] Verordnung zum Schutz der Beschäftigten vor Gefährdung durch Lärm und Vibrationen (Lärm- und Vibrations-Arbeitsschutzverordnung vom 6. März 2008 (BGBl. I S. 261), die zuletzt durch den Artikel 2 der Verordnung vom 15. November 2016 (BGBl. I S. 2531) geändert worden ist)
[3] EMPIR 15HLT02 Ears II – Metrology for modern hearing assessment and protecting public health from emerging noise sources; Link
[4] Wächtler, M.; Kling, C.; Wolff, A.: Entwicklung eines Ultraschall-Pegelmesssystems für den Arbeitsschutz; Lärmbekämpfung; 2018; 13 (1); S. 28-32
[5] Schöneweiß, R. et al.: Ears II: Entwicklung eines metrologischen Konzepts zur Messung und Beurteilung der Luftultraschallexposition am Arbeitsplatz; In: Fortschritte der Akustik - DAGA 2018; 44. Deutsche Jahrestagung für Akustik, München, 19.-22. März 2018; S. 255-257; Hrsg.: Deutsche Gesellschaft für Akustik e.V., Berlin 2018

Ansprechpartner:

Robert Schöneweiß, FB 1.6, AG 1.62, E-Mail: robert.schoeneweiss(at)ptb.de