30. März 2021

Geräusche verbreiten sich über Schallwellen, von denen auch die messbare Lautstärke abhängt. Welche Faktoren darüber hinaus Auswirkungen auf das menschliche Lärmempfinden haben, untersucht die Psychoakustik

Jeden Tag strömen permanent Geräusche auf den Menschen ein: Auf der Straße, bei der Arbeit, beim Einkaufen, im Auto. Geräusche wecken Assoziationen. Beispiel: Fällt die Türe eines Luxusautos ins Schloss, dann klingt das satt, schwer und hochwertig. Dieses Phänomen und die Auswirkungen auf die Produktentwicklung untersucht die Psychoakustik. Dabei beschränkt sie sich nicht auf das Segment von Luxusgütern oder Haushaltsgegenständen, sondern spielt in viele Bereiche hinein. Auch in die Heiztechnik, und hier insbesondere bei den Wärmepumpen.

Gerade in Neubaugebieten mit enger Bebauung sorgen Geräusche immer wieder für Gesprächsstoff. Und das nicht ohne Grund: Die Auswirkungen der Geräuschentwicklung auf das Wohlbefinden der Menschen sind weitreichend. Wird ein Geräusch als störend empfunden, schüttet das Gehirn Stresshormone aus und der Körper geht in Alarmbereitschaft – selbst im Schlaf. Dauert diese lärmbedingte Alarmbereitschaft längere Zeit an, schadet das der Gesundheit.

Jedes wahrgenommene Geräusch löst beim Menschen auch Gefühle aus – manchmal stärker und manchmal schwächer: klassische Musik entspannt, Straßenlärm nervt. Gleichzeitig haben aber auch andere Faktoren Einfluss auf die menschliche Wahrnehmung von Geräuschen. Forscher der Psychoakustik untersuchen diesen Zusammenhang zwischen messbaren physikalischen Ereignissen oder Gegebenheiten und den subjektiven Empfindungen der Hörenden. Psychoakustik ist somit zwischen den wissenschaftlichen Feldern der Physik (messbarer Schall) und Psychologie (Wahrnehmung und Verarbeitung von Schall) angesiedelt. Die Verknüpfung zwischen abgestrahltem Schall und auditiver Wahrnehmung ist nicht zufällig. Sie unter liegt vielmehr physikalischen Gesetzen und psychologischen Bedingungen.

Unsichtbar ist leiser
Konkret bedeutet dies in der Heiztechnik: Sieht der Mensch beispielsweise den Ventilator einer Wärmepumpen-Außeneinheit, kommt ihm der Ton lauter vor, als wenn der Ventilator hinter einer Abdeckung liegt. Dann gilt die Wärmepumpe für die meisten Menschen als leiser, auch wenn die Messung ergibt, dass das Geräusch gleich laut ist. Häufig wird Schall wiederum als besonders störend wahrgenommen, wenn man die Schallquelle überhaupt nicht erkennen kann. Auch die Farbe spielt eine Rolle: Eine Wärmepumpe mit grüner Außeneinheit wird meist als leiser empfunden als ein Gerät in einer anderen Farbe.

Psychoakustik ist also viel mehr als nur Schall und Rauch. Sie gewinnt für Hersteller zunehmend an Bedeutung und findet deshalb verstärkt Eingang im Produktentstehungsprozess. Im Rahmen des Sound- und Produktdesigns kann die Psychoakustik sogar einen wesentlichen Beitrag dazu leisten, dass ein Produkt hochwertiger klingt oder eine Marke alleine schon anhand eines Geräusches zu erkennen ist. Der Klassiker: Die Werbung für einen Keks, der in der Mitte zerbrochen wird und dessen Geräusch beinahe schon Kultstatus hat. Sofort assoziiert man damit genau diesen Hersteller beziehungsweise dessen Produkt.

Nun wird dieses Keks-Geräusch vermutlich nicht zu einem Streit führen – eher zu neidvollen Blicken. Anders im wahren Leben. Laut einer Umfrage des Umweltbundesamtes fühlen sich 60 % der Befragten durch die Geräusche der Nachbarschaft belästigt. Lediglich der Straßenverkehr ist noch störender. Damit die umweltfreundliche Heizlösung mit einer Wärmepumpe keinen Nachbarschaftsstreit und auch sonst keine Beschwerden auslöst, hören manche Hersteller bei der Schallentwicklung seiner Produkte genau hin und lassen auch testen, was nicht zu hören ist.

Hörversuch mit Wärmepumpen
In Hörversuchen haben Forscher des Fraunhofer-Instituts für Bauphysik IBP (Fraunhofer IBP) in Stuttgart-Vaihingen ermittelt, wie sich physikalische und psychoakustische Parameter auf die Akzeptanz und das Lästigkeitsempfinden der durch Wärmepumpen hervorgerufenen Geräusche auswirken. Untersucht wurden zwei Wärmepumpen, darunter die Split-Wärmepumpe „Logatherm WPLS.2“ von Buderus. Rund 60 Probanden im Alter von 18 bis 60 Jahren beurteilten dabei verschiedene Geräusche der Wärmepumpen. Ziel des Versuches: Vorhersagen darüber treffen zu können, wie störend oder gar lästig Menschen die Schallemissionen der Geräte empfinden, ohne dass weitere Versuchsreihen mit künftigen Wärmepumpen erforderlich sind.

Schalldruck und Schallleistung
Ob Wärmepumpe, Auto oder Flugzeug – jede Geräuschquelle erzeugt Schall. Die Luft um die Geräuschquelle wird dabei in Schwingungen versetzt, die sich wellenförmig als Druckwelle ausbreiten. Diese Druckwelle ist für den Menschen hörbar, indem sie das Trommelfell im Ohr in Schwingungen versetzt.

Als Maß für den Luftschall werden die technischen Begriffe Schalldruck und Schallleistung verwendet:

• Die Schallleistung oder der Schallleistungspegel ist eine typische Größe für die Schallquelle. Sie kann nur rechnerisch aus Messungen in einem definierten Abstand zur Schallquelle ermittelt werden und beschreibt die Summe der Schallenergie, die in alle Richtungen abgegeben wird. Anhand des Schallleistungspegels lassen sich Geräte schalltechnisch miteinander vergleichen.
• Der Schalldruck beschreibt die Änderung des Luftdrucks infolge der in Schwingung versetzten Luft durch die Geräuschquelle. Je größer die Änderung des Luftdrucks, desto lauter wird das Geräusch wahrgenommen. Der gemessene Schalldruckpegel hängt immer von der Entfernung zur Schallquelle ab. Er ist die messtechnische Größe, die beispielsweise für die Einhaltung der immissionstechnischen Anforderungen gemäß TA Lärm maßgebend ist.
• Die Schallabstrahlung von Geräusch- und Schallquellen wird als Pegel in Dezibel (dB) gemessen und angegeben. Es handelt sich hierbei um eine Bezugsgröße, wobei der Wert 0 dB in etwa die Hörschwelle darstellt. Eine Verdopplung des Pegels, etwa durch eine zweite Schallquelle gleicher Schallabstrahlung, entspricht einer Erhöhung um 3 dB. Für das durchschnittliche menschliche Gehör ist eine Erhöhung um 10 dB erforderlich, um ein Geräusch als doppelt so laut zu empfinden.

Mit zunehmendem Abstand verteilt sich die Schallleistung auf eine größer werdende Fläche, sodass sich der daraus resultierende Schalldruckpegel sukzessive verringert.

Bei der Suche nach dem geeigneten Aufstellort sollten Heizungsfachfirmen die unterschiedlichen Umgebungsfaktoren berücksichtigen, die Einfluss auf die Schallausbreitung haben. Dazu zählen die Verschattung durch massive Hindernisse wie Gebäude, Mauern oder Geländeformationen sowie die Reflexionen an schallharten Oberflächen wie Putzund Glasfassaden oder Asphalt- und Steinoberflächen. Positiv wirken sich schallabsorbierende Oberflächen wie Rindenmulch aus.

Ebenfalls nicht vernachlässigen darf man Luft feuchte, Luft temperatur oder die jeweilige Windrichtung. Bei Temperaturen im Frostbereich und entsprechender Luft feuchtigkeit kann sich nämlich Reif bilden, wenn die ausströmende Luft direkt auf den Gehweg trifft.

Schallrechner zur Beurteilung der Schallimmissionen
Zur Beurteilung der Schallimmissionen helfen Schallrechner, die Hersteller von Wärmepumpen auf ihrer Internetseite zur Verfügung stellen. Mit der Berechnung können Fachfirmen die Schallimmissionen auf angrenzenden Grundstücken an sogenannten schutzbedürft igen Räumen wie Wohn- und Schlafräumen, Bettenzimmern in Krankenhäusern oder Unterrichtsräumen in Schulen sowie den notwendigen Abstand der Wärmepumpe ermitteln. Gleichwohl ersetzen sie im Falle eines Nachbarschaft sstreits kein individuelles Schallgutachten.

Überschlägige Ermittlung des Schalldruckpegels
Für eine schalltechnische Beurteilung des Aufstellortes der Wärmepumpe müssen die zu erwartenden Schalldruckpegel an schutzbedürft igen Räumen rechnerisch abgeschätzt werden. Diese Schalldruckpegel werden aus dem Schallleistungspegel des Geräts, der Aufstellsituation (Richtfaktor Q) und der jeweiligen Entfernung zur Wärmepumpe mithilfe der folgenden Formel berechnet (Die Formel finden Sie oben in der Bildleiste.)

Der richtige Aufstellort
Häufig werden Luft /Wasser-Wärmepumpen nahe an der Wand des eigenen Wohnhauses installiert, um durch einen maximalen Abstand zum Nachbargebäude Rücksicht auf dessen Bewohner zu nehmen. Dies hat jedoch genau das Gegenteil zur Folge: Durch die Reflexion erhöht sich der Schalldruckpegel am Bezugspunkt um bis zu 6 dB(A). Auch Aufstellungen in Nischen oder Ähnlichem haben einen vergleichbaren Effekt.

In Deutschland regelt die TA Lärm (Technische Anleitung zum Schutz gegen Lärm), wie anhand von Richtwerten die Lärmimmissionen ermittelt und beurteilt werden. Konkret sind dann die Betreiber dafür verantwortlich, dass ihre Anlagen die Grenzwerte einhalten. Einzelne Geräuschspitzen dürfen die Richtwerte kurzzeitig wie folgt überschreiten:

• tagsüber von 6 bis 22 Uhr um ‹ 30 dB(A),
• nachts von 22 bis 6 Uhr um ‹ 20 dB(A).

Gemessen werden die Schallimmissionen 0,5 m vor der Mitte des geöff neten Fensters außerhalb des Gebäudes – und zwar an dem vom Geräusch am stärksten betroffenen schutzbedürftigen Raum.

Je nach Gebietstyp schreibt die TA Lärm unterschiedliche Grenzwerte vor, die nicht überschritten werden dürfen. In einem Industriegebiet sind diese höher als in einem allgemeinen Wohngebiet oder einem Kurgebiet. Zudem spielen bei der Einhaltung der TA Lärm bereits vorhandener Schallquellen und die Tageszeit eine Rolle.

Wichtig für die Beurteilung ist, dass die TA Lärm die Schallimmissionen nicht auf eine einzige Schallquelle bezieht, sondern die Gesamtbelastung des schutzbedürftigen Raumes betrachtet. Dazu ist in der Regel ein schalltechnisches Gutachten nötig. Auf dieses kann verzichtet werden, wenn die Wärmepumpe den jeweiligen Immissionsrichtwert um mindestens 6 dB(A) unterschreitet. Damit ist eine Einzelanlage im Sinne der TA Lärm irrelevant für den Schallschutznachweis.

Schallemission und Schallimmission
Immer wieder wird die Frage nach dem Unterschied zwischen Schallemission und Schallimmission gestellt. Deshalb an dieser Stelle die exakten Definitionen (Quelle BWP):

• Als Schallemission (von lat. emittere = aussenden) wird in der Akustik die Aussendung von Schall (Schallereignis) von einer Schallquelle bezeichnet. Der Begriff hat eine wesentliche Bedeutung auf dem Gebiet des Lärmschutzes und dient dort zur Angabe der Stärke von Schallquellen.
• Mit dem Begriff Schallimmission (lat. immittere, hineinschicken, hineinsenden) wird die Einwirkung von Schall auf einen Ort beschrieben. Die lokale physikalische Auswirkung des Geräusches ist der an diesem Ort vorhandene Schalldruck. Die Schallimmission ist abhängig von der Schallemission und den Bedingungen der Schallausbreitung.

Die Luft als Tonträger
Töne verbreiten sich – wie beschrieben – in Form von Schallwellen. Bewegungen, z. B. durch die Membran eines Lautsprechers, der Stimmbänder oder den sich drehenden Ventilator einer Wärmepumpe, lösen Schallwellen aus, indem sie die Moleküle in ihrer Umgebung verdichten. Diesen Druck geben die Moleküle dann an benachbarte Teilchen weiter. Es entsteht eine Schallwelle. Über das Trommelfell und die Gehörknöchelchen können Menschen Schallwellen aufnehmen. Der Mensch ist vor allem an die Schall übertragung durch die Luft gewöhnt: beim Sprechen, Musikhören, dem Geräusch von Maschinen.

Das Hören zählt zu den faszinierendsten Eigenschaften von Menschen und Tieren. Die Bandbreite der Wahrnehmung ist enorm – vom Rascheln der Blätter im Wald bis zum Presslufthammer. 400 000 Töne kann ein gesundes, menschliches Ohr unterscheiden – von kaum messbaren 0 Dezibel bis rund 120 Dezibel, was gerade noch erträglichem Lärm entspricht. Im Vergleich zur Tierwelt sieht der Mensch beim Hören aber häufig ganz schön alt aus. Paradebeispiel ist die Fledermaus: Während beim Menschen bei Frequenzen ab 20 000 Hertz Schluss ist, hört das nachtaktive Tier noch weit darüber hinaus Ultraschall-Frequenzen mit bis zu 200 000 Hertz.

Psychoakustik als Lebensretter
Nun spielt bei Fledermäusen die Psychoakustik nicht wirklich eine Rolle im täglichen Leben. In der menschlichen Gesellschaft hingegen handelt es sich um ein wachsendes Feld, das sogar konkrete Auswirkungen im Straßenverkehr haben kann. Das Motorengeräusch eines Autos signalisiert dem Fußgänger die nahende Gefahr, auch wenn er es nicht sieht. Bei neuen Antriebskonzepten wie Hybrid- oder Elektrofahrzeugen sind die Außengeräusche jedoch so niedrig, dass Fußgänger die eventuelle Gefahr nicht rechtzeitig wahrnehmen. Wissenschaftler haben daraus das Konzept des kritischen Abstands entwickelt und in psychoakustischen Experimenten getestet – in diesem Abstand muss ein Fußgänger ein Fahrzeug in Hintergrundgeräuschen wahrnehmen können, um eine Kollision zu vermeiden. Von Wärmepumpen geht natürlich kein vergleichbares Risiko aus. Dennoch kann die Psychoakustik auch hier einen wichtigen Beitrag leisten – nämlich für eine harmonische Nachbarschaft. Dazu kann auch der SHK-Handwerker beitragen, indem er die Aufstellung der Außeneinheit einer Luft-Wärmepumpe sorgfältig und mit Bedacht auswählt.

Autor: Hans-Jörg Risse, Produktmanager Sales Technical Support Wärme- und Kälteerzeuger, Buderus Deutschland

www.buderus.de

Psychoakustik
Die Psychoakustik ( auch psychologische Akustik) ist ein Teilgebiet der Psychophysik. Sie untersucht Zusammenhänge zwischen der menschlichen Empfindung von Schall als Hörereignis und dessen physikalischen Schallfeldgrößen als Schallereignis. Die Verarbeitung physikalischer Signale zu einem Höreindruck erfolgt dabei in mehreren Stufen. Diese werden dem einzelnen Ohr und der kognitiven Signalverarbeitung zugeordnet. Die Psychoakustik untersucht also das Verhältnis von objektivphysikalischem Reiz, also den Schallwellen, und dem Eindruck, der beim Menschen entsteht – zum Beispiel Lautheit, Schärfe, Tonheit, Rauigkeit, Tonhaltigkeit, Impulshaltigkeit oder Schwankungsstärke.