Vorlesung Lärmschutz – PEU

1. Vorlesung Lärmschutz – PEU Grundlagen der technischen Akustik - Levent Kesik

2. Organisatorisches Vorlesungstermine Dienstag 15.März Dienstag 19.April Dienstag 24.Mai Dienstag 21.Juni Praktika Jede Woche, an der keine Vorlesung stattfindet!

3. Terminplanung Lärmschutz-Praktikum SS 2011

4. Beginn und Ende 10.00 Uhr – 11.15 Uhr (Vorlesung) 11.15 Uhr – 11.30 Uhr (Kontrollierte Nikotin- und Koffeinaufnahme) 11.30 Uhr – 12.45 Uhr (Vorlesung)

5. Teil 1part 1 Was ist Lärm? Wozu Lärmschutz? Lärmfacetten What is noise? Why noise protection? Aspects of noise

6. Hausaufgabe

7. Was ist Lärm?What is noise? „Die Stille ernährt, der Lärm verbraucht.“ Reinhold Schneider (1903 – 1958) Deutscher Schriftsteller "The silence feeds, the noise consumes." Reinhold Schneider (1903 - 1958) German writer

8. Lärm / Noise • Fluglärm / Aircraft noise • Maschinenlärm / Machine noise • Nachbarschaftslärm / Neighbourhood noise • Industriegebiete / Industrial areas • Wohngebiete / Residential • Fahrzeugtechnik / Automotive • Innenraumakustik / Interior acoustics • Bauakustik / Building Acoustics • Strömungsakustik / Acoustic flow • usw. / etc. (von frühneuhochdeutsch: larman = Geschrei; auch Krach) Das Wort stammt von ital. all‘arme, „zu den Waffen!“ Lärm ist multikausal – sie kommt in nahezu allen Aspekten einer Industriegesellschaft vor und hat unterschiedliche Erscheinungsformen! Noise is multi-causal - it occurs in almost all aspects of industrial society and has different forms!

9. Wozu Lärmschutz?Why noise protection?

10. Lärmschutz bedeutet …Noise protection means ... … insbesondere Schutz vor Fluglärm, Straßenlärm, Schienenlärm, Gewerbelärm, Sportlärm, Freizeitlärm und Nachbarschaftslärm.Lärmschutz ist ein wichtiger Bestandteil des Arbeits- und Umweltschutzes. Lärmschutz ist notwendig, da Lärm zu vielfältigen Gesundheitsgefahren führt, … Quelle: wikipedia ... in particular protection against aircraft noise, road noise, railway noise, industrial noise, noise caused by sport, leisure noise and neighbourhood noise. Noise is an important part of the regulations for labor and environmental protection. Noise protection is necessary because noise leads to several health hazards ... Source: wikipedia

11. Umweltpolitik - Lärmbelästigung der Tierwelt usw. Environment - noise pollution of animal kingdom, etc. • Soziokultur - Städtebauliche Maßnahmen nicht nur an wirtschaftlichen Interessen ausgerichtet Socio-cultural - Urban design measures not only aligned on economic interests • Technik – Vorausschauende Auslegung von Maschinen (Low Noise Design) Technology - Predictive design of machines (Low Noise Design) • Psychologie – Wie empfindet der Mensch Geräusche? Psychology - How man feels noises? • Gesundheit – Festlegung und Einhaltung von Lärmgrenzen (Gesetze) Health - adoption and compliance with noise limits (laws) • Wirtschaft – Vermeidung von teuren Sekundärmaßnahmen, Schadensersatz, ... • usw. Economy - avoiding costly secondary measures, compensation, ... etc. Lärmfacetten / Aspects of noise

12. Umweltpolitik und Soziokultur / Environment and socio-cultural Beispiel Industrielärm / Industrial noise „Ein Unterschied wie Tag und Nacht!“ "A difference like day and night!" Quelle: http://www.umgebungslaerm-kartierung.nrw.de

13. Umweltpolitik und Soziokultur / / Environment and socio-cultural Beispiel Fluglärm / aircraft noise „Ein Unterschied wie Tag und Nacht!“ "A difference like day and night!" Quelle: http://www.umgebungslaerm-kartierung.nrw.de

14. Technik / Technic Beispiel intelligentes Design / intelligent design In diesem Beispiel wird der störende Einfluss von tonalen Anteilen im Geräuschspektrum durch Erzeugen von breitbandigem Wirbelgeräusch minimiert. Stichwort: PSYCHOAKUSTIK In this example, the disturbing influence of tonal components in the noise spectrum is minimized by the generation of broadband turbulence (eddy) noise. Keywords: PSYCHOACOUSTICS Quelle: Vorlesungsfolien Prof. Fr.-Ing. Frank Kameier

15. Psychologie / psychology Untersuchungen an der TU München durch Prof. Fastl haben gezeigt, dass bestimmte Eindrücke, die durch Bilder hervorgerufen werden, die Geräuschwahrnehmung beeinflussen. Studies at the University of Munich by Prof. Fastl have shown that certain impressions, which are caused by images, affects the perception of noise. „Bei gleichem Geräusch wirkt ein roter ICE lauter als ein grüner!“ "At the same noise a red ICE (train) is perceived louder than a green one!" Quelle: http://www.wdr.de/tv/quarks/global/pdf/Q_Weihnachtswissen.pdf

16. Gesundheit / Health • Hohes Risiko, einen Tinitus zu erleiden / High risk of suffering tinnitus • Bluthochdruck / High blood pressure • Erhöhter Energieverbrauch / Increased energy consumption • Abfall des elektrischen Hautwiderstandes / Decreased electrical skin resistance • Durchblutungsstörung (Herzinfarkt, Hirnschlag) Circulatory disturbance (heart attack, cerebral apoplexy) • Abnahme der Arbeitsleistung (Fehler, Unfall, Krankheit) Decrease in work performance (error, accident, illness) • Regenerationsmangel in Ruhephasen / Regeneration deficit at rest • Beeinflussung der Tiefschlafphase / Influence of deep sleep • ... Einige Aspekte Some aspects

17. Wirtschaftliche Interessen / economic interests Alleinstellungsmerkmal von Sounds (Ferrari, Porsche, Suzuki, usw.) / Unique feature of sounds (Ferrari, Porsche, Suzuki, etc.) Vermeidung von Sekundärmaßnahmen zur Reduzierung des Lärms Prevention of secondary measures to reduce noise Abwägung des Nutzeffekts von Lärmminderungsmaßnahmen Weigh the benefits of noise reduction measures Geräuschentwicklung bei Windkraftanlagen in der Nähe von bewohnten Gebieten Noise at wind turbines near residential areas Lärmschutz als Know-How für den Export Noise as a know-how for export

18. Ein Versuch den Lärmschutz zu beschreiben ...An attempt to describe the noise ... „Der Lärmschutz bewegt sich im Spannungsfeld umweltpolitischer, soziokultureller, technischer, psychologischer sowie gesundheitlicher und nicht zuletzt wirtschaftlicher Interessen!“ "The noise moves in the field of environmental, socio-cultural, technical, psychological, and health and not least economic interests!" LK Schon 1910 prophezeite Robert Koch: „Eines Tages wird der Mensch den Lärm ebenso unerbittlich bekämpfen müssen, wie die Cholera und die Pest“. In 1910 Robert Koch predicted: "One day man will have to combat the noise as inexorably as cholera and the plague.”

19. Kurioses aus der Akustik Die Explosionsgeräusche, die den Ausbruch des Krakatau 1883 begleiteten, werden unter den lautesten in der Menschheitsgeschichte überlieferten eingeordnet. Sie waren sowohl im 3100 Kilometer entfernten Perth als auch auf der ca. 4800 Kilometer entfernt liegenden Insel Rodrigues nahe Mauritius zu hören. Die Folge waren atmosphärische Schockwellen, die rund um die Erde registriert wurden. Die Luftdruckwelle der Explosion war so gewaltig, dass sie auch noch nach fünf Tagen und sechs Erdumläufen messbar war.

20. Kurioses aus der Akustik / Acoustic curiosities The explosion sounds that accompanied the eruption of Krakatoa in 1883, are classified as one of the loudest in the history of mankind. They were heard in Perth (3100 kilometers away) and on the island of Rodrigues near Mauritius (about 4800 kilometers away). This explosion resulted in atmospheric shock waves that were recorded around the world. The air shock wave from the explosion was so powerful that they still were measured after five days and six orbits.

21. Edvard Munch Der Schrei / The Scream 1883

22. Teil 2part 2 Das Ohr / the ear Der Schall / the sound Das dB / the dB Wozu brauchen wir das dB in der Akustik? / Why do we need the dB in acoustics? Warum gibt es das dB(A) / Why dB(A) FFT - Fast Fourier Transformation

23. AkustikAcoustics "akuo" griechisch für "ich höre" Akuo greek for „I hear“

24. Das Ohr Peter Lustig in Löwenzahn

25. Was ist eigentlich Schall? What is sound? Als Schall bezeichnet man die sich wellenartig ausbreitende räumliche und zeitliche Druckänderung eines elastischen Mediums! Wenn ein Geräusch entsteht, wird an dieser Stelle die Luft weggedrückt, so dass sie dichter zusammengedrückt wird (also ihr Druck steigt). Danach breitet sich diese Schicht von hohem Luftdruck ganz schnell aus, und zwar in alle Richtungen. Wenn nun ein längeres Geräusch gemacht wird, geschieht dieser Vorgang ganz oft hintereinander. Es breiten sich in der Luft abwechselnd Schichten von dichter und nicht so dichter Luft aus. A sound wave is defined as the spreading spatial and temporal change in pressure of an elastic medium! When a sound occurs, (at that particular point) the air is pushed away, so that the air is compressed (so it’s pressure increases). Thereafter, this layer of high pressure spreads out very quickly, in all directions. Now, if a longer noise is made, this process subsequently happens quite often. In the air layers of alternating dense and less dense areas are spread.

26. Das dB / The dB „Das dB oder auch dezibel ist eine Vereinfachung...! “ "The dB or decibel is a simplification ...!

27. Ursprung / Origin • Zahlenschreibweise / number style: • 100 X 10.000 X 1.000 = 1.000.000.000 • Exponentialschreibweise / exponential diction: • 10² X 104 X 10³ = 109 • Logarithmische Schreibweise / logarithmic notation: • 2 + 4 + 3 = 9 Von der Zahlen- über die Exponential- zur Logarithmischen Schreibweise Variations in notations: number style and exponential diction logarithmic notation

28. Graham Bell Graham Bell zu Ehren gab man den Logarithmen den Namen „Bel“. Logarithmische Schreibweise: 2 Bel + 4 Bel + 3 Bel = 9 Bel oder 1.000.000.000 also Eine Milliarde In honor of Graham Bell the name "Bel“ was given to the logarithms. Logarithmic notation: 2 Bel + 4 Bel + 3 Bel = 9 Bel or 1.000.000.000 or one billion Alexander Graham Bell geb. 1847 – gest. 1922

29. Das Bel und das deziBel / The Bel and the deciBel • Log10 100 = 2 • Log10 1.000.000 = 6 • Log10 2 = 0,30103  0,3 • also 0,3 Bel • oder / or • 3 deziBel (richtig dezibel) • 3 deciBel (correct decibel) Der Logarithmus zur Basis 10 Log10 sehr oft auch nur Log oder Lg geschrieben The bases used most often are 10 for the common logarithm, e for the natural logarithm, and 2 for the binary logarithm

30. The logarithm In mathematics, the logarithm of a number to a given base is the power or exponent to which the base must be raised in order to produce that number. For example, the logarithm of 1000 to base 10 is 3, because 3 is the power to which ten must be raised to produce 1000: 103 = 1000, so log101000  = 3. The logarithm of x to the base b is written logb(x) or, if the base is implicit, as log(x). So, for a number x, a base b and an exponent y

31. Beispiele / Examples • Verdopplung eines (doubling) Wertes bedeutet + 3 dB • Halbierung (bisection) eines Wertes bedeutet - 3 dB • Verzehnfachung (tenfold increase) eines Wertes bedeutet + 10 dB • Zehntelung (tenth) eines Wertes bedeutet - 10 dB Geläufige Werte Commonly used values

32. Die Entfernung zur Sonne / The distance to the sun dB Analogie / dB analogy

33. dB Analogie Entfernung zur Sonne in Kilometern – Linear Distance to the sun in kilometers - linear

34. dB Analogie Entfernung zur Sonne in Kilometern – Logarithmisch Distance to the sun in kilometers - logarithmic

35. dB Analogie Entfernung zur Sonne in Kilometern – Linear Die Bezugsgröße ist der Abstand der Erde zur Sonne (Erdentfernung AE). Distance to the sun in kilometers – linear The reference value is the distance Earth to Sun

36. dB Analogie Entfernung zur Sonne in Kilometern – Logarithmisch Die Bezugsgröße ist der Abstand der Erde zur Sonne (Erdentfernung AE). Distance to the sun in kilometers – logarithmic The reference value is the distance Earth to Sun

37. dB Analogie Die Entfernungen der Planeten zur Sonne als „Schalldrücke“. The distances of the planets to the sun when regarded as „sound pressure levels“.

38. Wieso brauchen wir das dB in der Akustik?Why do we need the dB in acoustics? „Schuld ist der Dynamikbereich des menschlichen Gehörs!“ „The reason is the dynamic hearing range of the human beings!“

39. Der Dynamikbereich / The dynamic range Der Mensch kann sowohl sehr hohe (Sonnenferne) als auch sehr niedrige (Sonnennahe) Schalldrücke verwerten. Das menschliche Ohr hat also einen sehr hohen Dynamikbereich, den man mit einer logarithmischen Skala beschreiben kann! Man can perceive both: very high (far sun) and very low (near sun) sound pressures. So the human ear has a very high dynamic range that can be described by a logarithmic scale!

40. Das dB(A) / The dB(A) „Das dB(A) ist ein erster physiognomischer bzw. psychoakustischer Ansatz das menschliche Hörempfinden zu beschreiben!“ "The dB (A) is a first physiognomic and psycho-acoustic approach to describe the human auditory sensation!“

41. Die A-Bewertung Um der Tatsache Rechnung zu tragen, dass das menschliche Ohr Töne mit gleichem Schalldruck in unterschiedlichen Tonhöhen unterschiedlich laut empfindet, werden so genannte Frequenzbewertungskurven verwendet. Da die Krümmung der Kurven gleicher Lautstärkewahrnehmung und damit der Frequenzgang des Gehörs vom Schalldruckpegel abhängig ist, wurden für unterschiedlich hohe Schalldruckpegel unterschiedliche Bewertungskurven definiert: A-Bewertung: entspricht den Kurven gleicher Lautstärkepegel bei ca. 20-40 dB B-Bewertung: entspricht den Kurven gleicher Lautstärkepegel bei ca. 50-70 dB C-Bewertung: entspricht den Kurven gleicher Lautstärkepegel bei ca. 80-90 dB D-Bewertung: entspricht den Kurven gleicher Lautstärkepegel bei sehr hohen Schalldrücken (Verwendung bei Fluglärm) Bewertete Pegel werden durch den entsprechenden Buchstaben der Frequenzbewertung gekennzeichnet. Z. B. wird ein A-bewerteter Schalldruckpegel LpA oder Schallleistungspegel LWA in dB(A) angegeben.

42. Die A-Bewertung / The A weighting In order to take account of the fact that the human ear perceives sounds with the same sound pressure at different pitches different loud, so-called frequency weighting curves are used. Since the curvature of the curves of equal loudness perception and thus the frequency response of hearing the sound pressure level depends, were different for different high sound pressure level rating curves defined: A-weighting: conforms to the curves of the same volume level at about 20-40 dB B rating: corresponds to the curves of the same volume level at about 50-70 dB C-Review: conforms to the curves of the same volume level at about 80-90 dB D-Review: corresponds to the curves of equal volume at very high sound pressure levels (used in aircraft noise) Weighted level are marked with the letter of the frequency weighting. Z. B. is an A-weighted sound pressure level or sound power level LWA LpA in dB (A).

43. FFT – Fast Fourier Transformation Das Werkzeug des Akustikers / The acousticians tool

44. FFT Da Schall auf Schwingungen beruht, lassen sich Schallereignisse durch ihren zeitlichen Schwingungsverlauf darstellen und beschreiben. Die einfachste Schwingungsform liegt mit der harmonischen oder sinusförmigen Schwingung vor, die man mit einem mathematischen Pendel oder mit bestimmten Schallquellen, z.B. einer Stimmgabel erzeugen kann.  Die Sinuswelle Die Periodendauer Der Scheitelwert Der RMS-Wert Der Spitze-Spitze-Wert

45. FFT Since sound is based on vibrations, noise events can be described by its temporal waveform illustration. The simplest form of vibration is present with the harmonic or sinusoidal oscillation, which can be produced with a mathematical pendulum or with certain sound sources such as a tuning fork. The sine wave The period The peak value The RMS value The peak-peak value

46. FFT Die Sinuswelle mit einer Periodendauer von 1 Millisekunde transformiert aus dem Zeitbereich in den Frequenzbereich ergibt ein Linienspektrum bei 1kHz.(Die Amplitudeninformation bleibt erhalten) The sine wave with a period of 1 millisecond transformed from the time into the frequency domain is a line at 1kHz in the spectrum. (The amplitude information is retained)

47. FFT Die Sinuswelle mit einer Periodendauer von 0,500 ms und einem Scheitelwert, der halbiert ist. The sine wave with a period of 0.500 ms and a peak value that is halved.

48. FFT Die Sinuswelle mit einer Periodendauer von 0,5 Millisekunden transformiert aus dem Zeitbereich in den Frequenzbereich ergibt ein Linienspektrum bei 2kHz.(Die Amplitudeninformation bleibt erhalten) The sine wave with a period of 0.5 milliseconds transformed from the time into the frequency domain yields a line at 2kHz in the spectrum. (The amplitude information is retained)

49. FFT Das komplexe Signal (blau) kann mit 2 Sinuswellen (rot und schwarz gepunktet) unterschiedlicher Periode und mit unterschiedlichen Amplituden beschrieben werden (Fourier). Die Transformation dieser Sinusschwingungen in den Frequenzbereich nennt man Fourier-Transformation. The complex signal (blue) can be described with 2 sine waves (dotted red and black) of different periods and different amplitudes (Fourier). The transformation of these sinusoidal oscillations in the frequency range is called Fourier transformation.

50. FFT Die Sinuswellen mit den Periodendauern von 1 ms und 0,250 ms ergeben transformiert aus dem Zeitbereich in den Frequenzbereich Linien im Spektrum bei 1 kHz und bei 4kHz. The sine waves with period times of 1 ms and 0.250 ms transformed from the time into the frequency domain result in lines in the spectrum at 1 kHz and 4 kHz.