Akustik in der Signaltechnik

Allgemeine Informationen

Lautsprecher (elektrodynamische Schallerzeugung)

Lautsprecher

Ein Lautsprecher wandelt Wechselstrom in Schall. Dies geschieht durch die Wechselwirkung zwischen Strom und Permanentmagnet. Die Spule befindet sich im Magnetfeld des Permanentmagneten. Leitet man Strom durch die Spule, so wird diese durch die Lorentzkraft ausgelenkt und versetzt die Membran in Schwingungen.

Durch die Zentrierspinne erfolgt dies in einer Auf- und Abwärtsbewegung. Sie zentriert die Spule und sorgt gemeinsam mit der Sicke dafür, dass diese wieder in ihre Ruhelage zurückkehrt.

Durch entsprechende Auslegung von Membrangröße und -material sowie unterschiedliche Antriebe (Spule und Permanentmagnet) können Lautsprecher für unterschiedliche Frequenzbereiche optimiert werden.

Schallkapsel (elektromagnetische Schallerzeugung)

Schallkapsel

Die Schallkapsel gehört in die Gruppe der elektromagnetischen Schallerzeuger. Dieses Prinzip wurde früher auch bei den Telefonhörkapseln verwendet. In diesen Kapseln dient ein Permanentmagnet zur Vormagnetisierung des Ankers, der mit der Membran verbunden ist. Diese wird durch die angelegte Spannung an Elektromagnete zu Schwingungen angeregt, die dadurch zu hörbaren Tönen umgewandelt werden.

Die Schallkapsel zeichnet sich durch einen relativ einfachen Aufbau bei geringem Volumen aus und besitzt einen sehr guten Wirkungsgrad.

Piezoscheibe

Piezoscheibe

Der Effekt der Piezoelektrizität (auch piezoelektrischer Effekt oder kurz: Piezo-Effekt) beschreibt das Zusammenspiel von mechanischem Druck (griech. piezein - drücken) und elektrischer Spannung in Festkörpern. Er basiert auf dem Phänomen, dass bei der Verformung bestimmter Materialien auf der Oberfläche elektrische Ladungen auftreten (direkter Piezoeffekt).

Umgekehrt verformen sich diese Materialien (zumeist Kristalle) bei Anlegen einer elektrischen Spannung. Die Auslenkung ist relativ gering und muss auf eine Membran übertragen werden. Die Schwingungen der Membran regen Luftmoleküle an und können als Schall wahrgenommen werden.

Akustikmembran

Akustische Grundgrößen

Schalldruckpegel

 

Der Schalldruckpegel Lp beschreibt das logarithmierte Verhältnis des quadrierten Schalldrucks eines Schallereignisses zum Quadrat des Referenzwertes von p0 = 20 μP. Das Ergebnis wird in Dezibel (Abkürzung dB) angegeben.

Lp = 10 log10 (p12 / p02) dB = 20 log10 (p1 / p0)dB

Schalldruckpegel

Bei der Angabe eines absoluten Pegels (bezogen auf den genormten Referenzpegel p0 wird zur Kennzeichnung des Schalldruckpegels der Zusatz „SPL” (sound pressure level) benutzt.
Bei mittleren und hohen Pegeln und Frequenzen wird ein Schalldruckpegel-Unterschied von 10dB in etwa als doppelte Lautstärke wahrgenommen. Unterschiede von 3dB sind deutlich hörbar.
Die wahrgenommene Lautstärke hängt hierbei nicht nur vom Schalldruckpegel ab, sondern auch vom Spektrum des Schallsignals und von dessen zeitlichem Verlauf.
So werden Einzeltöne wesentlich lauter wahrgenommen als breitbandige Schallsignale mit gleichem Schalldruckpegel. Auch werden Schallsignale mit stark veränderlichem Pegel wesentlich lauter wahrgenommen als gleichförmige Schallsignale mit gleichem Mittelungspegel.

Schalldruckpegel

Bewertungskurven (A, B und C nach DIN EN 61672-1 bzw. ehemals IEC/DIN 651) sind die Kurven von Bewertungsfiltern, die auf das Schalldrucksignal angewendet werden. Sie sollen für eine ganz bestimmte Lautstärke ein ähnliches Frequenzverhalten wie das menschliche Ohr darstellen. Da dies jedoch nur in sehr grober Näherung gelingt, werden bei bewerteten Schalldruckpegelmessungen Werte erhalten, die dem Hörempfinden nicht exakt entsprechen.

Bewertete Pegel werden durch den entsprechenden Buchstaben der Frequenzbewertung gekennzeichnet, z. B. wird ein C-bewerteter Schalldruckpegel in dB(C) angegeben. In der Technischen Akustik wird überwiegend die A-Bewertung angewendet, daher sind auch die WERMA-Angaben in dB(A).

Der Schalldruckpegel hängt immer von der Entfernung zur verursachenden Schallquelle ab. Solange nichts anderes angegeben ist entsprechen die WERMA-Angaben immer einer Messentfernung von 1m.

Bei punktförmigen Schallquellen (sowie im Allgemeinen bei in alle Raumrichtungen gleichmäßig abstrahlenden Quellen) nimmt der Schalldruckpegel um etwa 6 dB pro Abstandsverdopplung ab.

Umgebungseinflüsse

 

Neben dem Schalldruck, der Tonfrequenz und dem Abstand zum Signalgerät, sind auch die Umgebungseinflüsse maßgeblich für ein gutes akustisches Signal. Wind, Luftfeuchtigkeit oder auch Regen beeinflussen die Hörbarkeit. Und ganz wichtig: die Umgebungslautstärke.

Gerade im industriellen Umfeld ist die Umgebungslautstärke, verursacht z. B.durch Maschinen, oft sehr hoch. Hier müssen die Signalgeräte einen hohen Schalldruck abgeben, um noch gehört zu werden.

WERMA hat für diese Einsatzgebiete lautstarke Hupen und Sirenen entwickelt. Bei schwankenden Umgebungslautstärken empfiehlt sich der Einsatz der Sirene mit selbstregulierender Lautstärke - eine patentierte WERMA-Erfindung, welche ihren Schalldruck durch permanentes Messen des Geräuschpegels an die Umgebungslautstärke anpasst.

Reichweitentabelle

 
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