Analysegerät

Arbeitsschutz: Wie akustische Kameras Lärmquellen finden

Wenn Menschen in der industriellen Produktion dauerhaft hohen Schallimmissionen ausgesetzt werden, kann dies zu gesundheitlichen Schäden führen. Wie sich mit einer akustischen Kamera Lärmquellen sichtbar machen lassen.

Von
AUVA Arbeitsschutz Elektronik

Farbverlauf zwischen lauten und leisen Punkten anhand eines Haftwasserreinigers: Die dominante Lärmquelle (rot) entsteht beim Trockenblasen dieser Bänder auf der linken Seite.

Aber wie kann eine Kamera Schallwellen darstellen? Ganz einfach, indem sie auf einem Foto die unterschiedlichen Schalldruckpegel der einzelnen Bereiche des Fotos farbig darstellt. Das Ergebnis sieht dann so ähnlich aus wie die Bilder einer Wärmebildkamera. Die lautesten Bereiche in einem solchen Foto werden von der akustischen Kamera im Ergebnis rot markiert. Bei den Lärmquellen selbst kann es sich je nach Maschine oder Anlage um beispielsweise einen lauten Motor, Lüfter oder eine undichte Einhausung handeln.

Unterscheidung von Lärmquellen

Oftmals sind die einzelnen Lärmquellen bekannt, jedoch weiß man vielleicht nicht, welche davon am lautesten ist oder wo Lärmminderungsmaßnahmen besonders viel Nutzen bringen würden. In anderen Fällen soll die Quelle eines bestimmten Tons gesucht sein, der besonders stört oder unangenehm klingt. „Es kann sehr zeitaufwändig und manchmal unmöglich sein, einen lästigen Ton nur mit Hilfe der eigenen Ohren aufzuspüren. Mithilfe einer akustischen Kamera lässt sich die Identifikation der lautesten Lärmquelle einer Maschine wesentlich vereinfachen“, erklärt Eva Ruppert-Pils, von der Abteilung Unfallverhütung und Berufskrankheitenbekämpfung, Fachbereich Lärm der AUVA. „Das Ergebnis einer Messung mit der akustischen Kamera ist ein Bild mit einem Farbverlauf zwischen lauten und leisen Punkten. Damit weiß man auf einen Blick, an welchen Stellen lärmmindernde Maßnahmen am sinnvollsten sind.“

Wie funktioniert die Schallquellenortung?

Akustische Kameras sind mobil einsetzbar und können innerhalb in wenigen Minuten aufgebaut werden. Sie bestehen aus einer Mikrophonanordnung (Mikrophon-Array), einer Kamera für die optischen Informationen, einer primären Datenverarbeitungseinheit (Datenrecorder) und der Datennachbearbeitungs- und Analyseeinheit (Laptop). Die große Anzahl von Mikrophonen des Mikrophon-Arrays (zum Beispiel 48 Mikrophone) gestattet eine genaue Lokalisierung und Trennung von verschiedenen Schallquellen sowie die Messung der einzelnen Schalldruckpegel innerhalb kürzester Zeit. Die Schallquellenortung beruht auf einem ähnlichen Prinzip wie die menschliche Schallwahrnehmung: „Aus der Analyse der Laufzeit-Unterschiede, das heißt, wann ein Signal auf die einzelnen Mikrophone trifft, kann das System bei Angabe eines ungefähren Abstands zur Lärmquelle errechnen, woher die jeweiligen Signale stammen“, so Ruppert-Pils. „Diese Art der Analyse nennt man auch ‚Beamforming‘.“ Für den Einsatz in Produktionshallen sind Abstände zwischen Lärmquelle und der Mikrophonanordnung von einem bis mehreren Metern denkbar.

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Ulrike, Wieser © AUVA

„Mithilfe einer akustischen Kamera lässt sich die Identifikation der lautesten Lärmquelle einer Maschine wesentlich vereinfachen.“  Eva Ruppert-Pils, Fachbereich Lärm der AUVA

Schmalbandanalyse

Wie viele andere Analysegeräte in der Akustik auch, kann die akustische Kamera eine Schmalbandanalyse der Geräusche einer Maschine erstellen. Das heißt, man kann die genauen Frequenzen, in denen ein Gerät Schall aussendet, in Erfahrung bringen. Das Besondere einer akustischen Kamera ist nun, dass sie auch darstellen kann, woher diese Töne einer bestimmten Frequenz bzw. eines bestimmten Frequenzbandes stammen. „Durch die Schmalbandanalyse kann man also die Verursacher von störenden und unangenehmen Tönen einer Maschine auf einem Bild kennzeichnen“, so Ruppert-Pils.

Frequenzbereich der akustischen Kamera

Sollen tiefe Töne unter 400 Hz (Wellenlängen von rund 85 Zentimetern) dargestellt werden, so kann man auf alternative Aufbauten wie zum Beispiel größere Anordnungen von Mikrophonen in Ring- oder Sternform zurückgreifen. „Als weitere Möglichkeit kämen Berechnungsverfahren wie zum Beispiel die Nahfeldholographie oder Intensitätsmethode in Betracht“, erklärt Ruppert-Pils. „Dabei muss man sehr nahe an die Quelle heran und benötigt eine spezielle Anordnung von Mikrophonen, die für diesen Einsatz optimiert ist. Auf diese Weise lassen sich Signale schon ab 20 Hz analysieren.“ Nach oben hin sind für akustische Kameras Frequenzen von 20.000 Hz bis 50.000 Hz durchaus gut detektierbar. Das bedeutet, dass sie sogar für den Ultraschallbereich noch Ergebnisse liefert.

Grenzen der akustischen Kamera

Das System der Ortung der Schallquellen mit der akustischen Kamera ist im Allgemeinen sehr robust. Der Einsatz von akustischen Kameras ist für folgende Situationen jedoch nicht sinnvoll: Für Messungen nach bestimmten Anwender- und Herstellernormen, denn dafür sind geeichte Geräte erforderlich. Im Falle einer sehr lauten Umgebungsgeräuschsituation oder bei vielen Reflexionsflächen im Nahbereich des Prüfobjektes sind akustische Kameras ebenfalls eher ungeeignet. Das Gleiche gilt auch für zusätzliche Schallquellen, die sich mit den gemessenen Signalen überlagern. Da die Kamera nicht unterscheiden kann, ob der Lärm von der Vorder- oder Hinterseite der Mikrophon-Anordnung kommt, sollten weitere Maschinen im selben Raum idealerweise ausgeschaltet werden. Darüber hinaus sind die Möglichkeiten, Schwachstellen in Türen und Wänden mit der akustischen Kamera aufzuspüren, eingeschränkt. Die große Stärke der akustischen Kamera hingegen ist, dass Lärmquellen sehr schnell und einfach sichtbar gemacht werden können. Auch die Möglichkeit ganze Videos von lauten Prozessen in einer Maschine zu erzeugen und bestimmte Frequenzen des Lärms aufzuspüren, macht sie zu einem wertvollen Instrument im Arbeitnehmerschutz und in der Produktentwicklung.

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