Was bedeutet Lautstärke?
Unter Lautstärke versteht man das subjektive Empfinden von Schalldruck. Die Lautstärke entspricht demnach einem Schalldruck, der in Pascal (Pa) gemessen und angegeben wird (Kraft pro Flächeneinheit). Die leisesten gerade noch wahrnehmbaren Töne liegen etwa bei 20 µPa (20 millionstel Pascal), während die Schall-Schmerzgrenze bei ca. 100.000.000 µPa (100 Pascal) liegt. Der Schalldruck an der Schmerzgrenze ist demnach 5 Millionen-mal größer als die Hörschwelle.
Vor allem wegen dieser schlecht überschaubaren Größenverhältnisse werden Schalldrücke in Schalldruckpegelwerten dB SPL angegeben. Dabei steht SPL für „Sound Pressure Level“ und bedeutet, dass sich alle Pegel auf die Hörschwelle beziehen.
- 20 µPa = 0 dB SPL (Hörschwelle)
- 100.000.000 µPa = 134 dB SPL (Schmerzschwelle)
Außer der dadurch entstehenden besseren Übersicht ergibt sich zusätzlich ein Rechenvorteil: Eine Verdoppelung des Schalldrucks hat immer eine Schallpegelerhöhung von +6 dB zur Folge. Anstatt zu multiplizieren kann nun grundsätzlich addiert werden.
- 20 µPA = 0 dB SPL
- 40 µPA = 6 dB SPL
Abhängigkeit des Schalldrucks von der Entfernung
Ein von einer Kugelquelle abgestrahltes Signal breitet sich nach allen Richtungen gleichmäßig und mit konstanter Schallgeschwindigkeit aus. Die Schallgeschwindigkeit beträgt ca. 340m/s und ist um 1 Millionen langsamer als das Licht.
Der Pegel des Signals nimmt bei größer werdendem Abstand von der Signalquelle kontinuierlich ab. Daraus ergibt sich das sogenannte Abstandsgesetz: Mit jeder Verdopplung der Entfernung nimmt der Schalldruck um 6 dB ab - das heißt, er halbiert sich.
Welche Anforderungen ergeben sich bei einer Beschallung im Freien?
Neben der Abhängigkeit des Schalldruckpegels von der Entfernung gibt es neben dem eigentlichen Signalpegel (Nutzsignal) überall einen zusätzlichen Störschallpegel. Der Signalpegel ist leider nicht der einzige Schallpegel – es gibt immer einen gewissen Störschall. Der Abstand des Nutzsignals von diesem Störsignal ist dafür verantwortlich, dass man das Nutzsignal überhaupt wahrnimmt. Der Signalpegel muss also größer sein als der Störpegel. Je lauter das Nutzsignal im Gegensatz zum Störpegel ist, umso besser versteht man den Content des Nutzsignals.
Erster Standort: 32 m entfernt von der Schallquelle – dort herrscht ein Schalldruckpegel von 45 dB SPL und ein Abstand von 7 dB zum Störpegel (Störpegel liegt bei rund 38 dB SPL)
Zweiter Standort: 4 m von der Schallquelle entfernt – hier herrscht ein Schalldruckpegel von 45 dB + (3 x 6 dB) = 63 dB SPL – also dreimal Abstandhalbierung und 7 dB + 18 dB = 25 dB Abstand vom Störpegel.
In diesem Beispiel brachte eine Standortverschiebung von 32 m auf 4 m einen Pegelgewinn von 18 dB.
Eine Beschallungsanlage soll hier nun den gleichen akustischen Zweck – wie ein Standortwechsel – erfüllen. Sie muss den Pegelgewinn von 18 dB erzeugen und somit auch einen Signal-Störabstand von 25 dB bieten.
Was geschieht in einem geschlossenen Raum?
Die oben beschriebenen Verhältnisse lassen sich einfach in einen Raum übertragen – aber im Raum kommt der sogenannte „Nachhall“ dazu! Der von einer Schallquelle ausgesandte Schall wird auch Direktschall genannt, wenn er direkt (ohne Umwege und Reflexionen) von der Quelle an das Ohr des Zuhörers gelangt. Die dafür benötigte Laufzeit beträgt rund 3 Millisekunden pro Meter.
Wenn die mit diesem Schall verbundene Schallenergie in einem geschlossenen Raum eingebracht wird, kann sie diesem nicht mehr entweichen. Sie macht sich als sogenanntes Nachhallfeld mit dem dazugehörigem Nachhallfeld bemerkbar. Von dem ausgesandten Direktschall wird also im Raum im Gegensatz zur Beschallung im Freien ein Nachhallfeld verursacht.
Der Nachhallpegel
Der Pegel dieses Nachhallfeldes ist überall im Raum gleich groß (ähnlich einem konstanten Störpegel beispielsweiser einer Klimaanlage). Die Höhe des Nachhallpegels variiert nach Raumvolumen, Raumabsorption und damit auch die Nachhallzeit – aber der Verlauf über die Entfernung ist in jedem Raum prinzipiell gleich.
Der gesamte Verlauf der Schalldruckkurve im Raum ergibt sich durch die Überlagerung des Signalpegels mit dem von ihm selbst erzeugten Nachhallpegel (ohne Berücksichtigung des Störpegels). Die Entfernung, bei der beide Pegel gleich groß sind, heißt Richtentfernung.
Von der Schallquelle bis zu Richtentfernung gelten quasi die gleichen Verhältnisse wie im Freien. Ab der Richtentfernung nimmt der Gesamtschalldruckpegel nicht mehr ab, auch wenn man sich weiter von der Schallquelle entfernt.
Der Grad der Verständlichkeit hängt vom Abstand des Direktschall- zum Nachhallpegel ab. Wie beim Nutz-/Störsignal gewährleistet auch hier größerer Abstand eine bessere Verständlichkeit.
Um also gleiche akustische Eigenschaften bei unterschiedlichen Entfernungen (Hörer – Schallquelle) herzustellen, muss im Raum außer dem Abstand Stör- Nutzsignal auch der Abstand Direkt- zu Nachhallpegel berücksichtigt werden.
Auswertungen der akustischen Eigenschaften im Raum
Für die Dimensionierung einer Beschallungsanlage in einem Raum muss der ausreichende Abstand von Direktschall zu Störschall und Nachhall beachtet werden. Um den Abstand zum Störschall zu vergrößern, reicht es hier, die Lautstärke zu erhöhen – so wie bei einer Beschallung im Freien.
Wenn nun der Einfluss des Nachhallfeldes eine ausreichende Verständlichkeit nicht zulässt, nutzt es nichts, die Lautstärke weiter zu erhöhen. Der Nachhallpegel wird durch das eingebrachte Signal erst erzeugt und ist deshalb, im Gegensatz zum Störpegel, abhängig vom Ursprungspegel der Schallquelle. Eine Erhöhung des Direktschallpegels durch mehr Energiezufuhr hat immer auch eine Erhöhung des Nachhallfeldes zur Folge!
Wie lässt sich nun der Abstand Direktschall zu Nachhall vergrößern?
Durch die Verwendung von richtenden Quellen! Eine richtende Quelle strahlt die Energie bevorzugt in eine Richtung (Bündelung) ab. An den Orten in dieser Richtung wird der Direktschall erhöht. Die in dem Raum eingebrachte Energiemenge bleibt dieselbe wie vorher. Deshalb bleibt auch der Nachhallpegel konstant.
Die Beschallungsanlage muss nun aus den oben genannten Gründen, an einem Ort den Direktschallpegel erhöhen können, ohne das Nachhallfeld zu erhöhen.
In der heutigen Zeit gibt es dazu eine Vielzahl an Lautsprechertechnologien, die genau das können: Lautsprecher-Hornvorsätze, Säulenlautsprecher, Line-Arrays oder auch Plane Arrays. Alle Technologien erreichen mehr oder weniger eine Bündelung des ursprünglichen Signals auf beispielsweise den Bereich der Zuschauer und Zuhörer, ohne die Energiezuvor deutlich erhöhen zu müssen.