Schallpegelgrößen

In der Akustik wird die Intensität von Geräuschen in der Regel nicht direkt durch die Messgröße Schalldruck (oder Schallschnelle) beschrieben, sondern durch den aus der Nachrichtentechnik bekannten Pegel in dB (Dezibel). Allerdings gibt es verschiedene Schallpegelgrößen. Für die vorliegende Untersuchung im Zusammenhang mit der StUK3 (Standard – Untersuchung der Auswirkungen von Offshore-Windenergieanlagen auf die Meeresumwelt; die aktualisierte Fassung StUK4 findet sich zum freien Download hier ) sind folgende Pegelgrößen von Bedeutung:

1.) (Energie-) Äquivalenter Dauerschallpegel Leq:

Der Leq ist die gebräuchlichste Messgröße in der Akustik und ist definiert als:

mit
p(t) – zeitlich verändernder Schalldruck
p0 – der Bezugsschalldruck (bei Unterwasserschall 1 µPa)
T – die Mittelungszeit.

In Worten bedeutet diese Gleichung: Quadriere die beobachteten zeitlich veränderbaren Schalldrücke p(t), bilde den Mittelwert über die Zeit T und teile durch den quadrierten Bezugsschalldruck p02 (energetische Mittelung). Der mit 10 multiplizierte Logarithmus von diesem Wert ist der energieäquivalente Dauerschallpegel Leq in dB.

 

2.) Einzelereignispegel LE (identisch mit dem Sound Exposure Level – SEL)

Besser als der Leq ist der Einzelereignispegel LE bzw. engl. Sound Exposure Level – SEL zur Charakterisierung von Rammereignissen geeignet. Der Leq allein ist kein ausreichendes Maß, da er nicht nur von der Stärke der Rammschläge abhängt, sondern auch von der Mittelungszeit und von den Pausen zwischen den Rammschlägen. Daher ist der Einzelereignispegel LE bzw. engl. Sound Exposure Level – SEL (im deutschen Sprachraum wird vorwiegend der Einzelereignispegel LE verwendet) besser geeignet, der folgendermaßen definiert ist:

mit
T1 und T2 – Anfangs- bzw. Endzeit der Mittelungen (sind so zu wählen, dass das
Schallereignis zwischen T1 und T2 liegt)
T0 – Bezugswert 1 Sekunde

Der Einzelereignispegel eines Schallimpulses (Rammschlag) ist damit der Pegel (Leq) eines kontinuierlichen Schalls von 1 s Dauer und der gleichen Schallenergie wie der Impuls.
Der SEL bzw. LE ist schwieriger direkt zu messen als der Leq, die beiden Größen können jedoch einfach ineinander umgerechnet werden:

mit
n – Anzahl der Schallereignisse, also der Rammschläge, innerhalb der Zeit T  T0 – 1 s
Lhg – Stör- bzw. Hintergrundpegel zwischen den einzelnen Rammschlägen

Die obige Gleichung liefert somit aus einer Leq-Messung den mittleren Einzelereignispegel SEL bzw. LE von n Schallereignissen (Rammschlägen). Im Falle, dass der Hintergrundpegel zwischen den Rammschlägen deutlich geringer als der Rammschall ist (z. B. > 10 dB), kann mit hinreichender Genauigkeit mit einer Vereinfachung von der obigen Gleichung folgendermaßen gerechnet werden:

3.) Spitzenpegel Lpeak

Der Spitzenpegel Lpeak ist ein Maß für Schalldruckspitzen. Im Gegensatz zu Leq und LE bzw. SEL gibt es keine Mittelwertbildung:

mit
ppeak     – maximal festgestellter positiver oder negativer Schalldruck

Ein Beispiel ist in der Abbildung (siehe unten) dargestellt. Der Spitzenpegel Lpeak ist stets höher als der Einzelereignispegel. In der Regel beträgt der Unterschied zwischen dem Lpeak und dem SEL bei Rammarbeiten 20  dB bis 25  dB.

Einige Autoren bevorzugen statt des Lpeaks die Größe Peak-to-Peak-Wert, in der Abbildung ist ebenfalls eine Definition dieser Größe dargestellt.

Abbildung: Typisches gemessenes Zeitsignal des Unterwasserschalls bei einem Rammschlag in einigen 100 Metern Entfernung.

 

Vor dem eigentlichen Schall kommt eine meist sinusförmige Schallwelle mit ca. 0,05 s Vorlauf an das Hydrophon. Diese Schallwelle wird oftmals Preblow genannt und ist vermutlich der Anteil, der durch den Rammschlag über den Pfahl ins Sediment eingeleitet und vom Sediment ins Wasser abgestrahlt wird. Dieser Schallanteil ist „schneller“ als der eigentliche Rammschlag, da die Schallgeschwindigkeit des Pfahls und des Sediments in der Regel deutlich höher ist als im Wasser. In dem in der Abbildung gezeigten Beispiel ist der Preblow besonders stark ausgeprägt, da der bei dieser Messung verwendete Pfahl bereits mit dem Sediment verwachsen ist (Brodtener Pfahl). In der Regel ist der Preblow einen Faktor 3 bis 10 kleiner als der eigentliche Rammschall.

 

Der Leq und der LE bzw. SEL können sowohl frequenzunabhängig angegeben werden, d.h. als breitbandige Einzahlwerte, als auch frequenzaufgelöst, z. B. in 1/3-Oktav-Bändern (Terzspektrum). Mit dem vom Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie (BSH) genannten Richtwert bei Rammarbeiten von 160 dB in 750 m Entfernung ist der breitbandige Einzelereignispegel LE bzw. SEL (Einzahlwert) gemeint.