Störgeräusche von Scheinwerfern ermitteln und mindern

>>zurück zum Anfang

Geräuschmessungen nach DIN EN ISO 7779

Die DIN dient uns, um vergleichbare Messungen zu erstellen. Die DIN EN ISO 7779 „Akustik – Geräuschemissionsmessung an Geräten der Informations- und Telekommunikationstechnik“ verwendet den A-bewerteten Schallleistungspegel für den Vergleich von Geräten. Es werden drei Geräuschemissions-Grundnormen zur Bestimmung der Schallleistungspegel festgelegt, um Einschränkungen bezüglich vorhandener Prüfeinrichtungen und Erfahrungen zu vermeiden.

• Die DIN EN ISO 3741-1 „Bestimmung der Schallleistungs- und Schallenergiepegel von Geräuschquellen aus Schalldruckmessungen – Verfahren der Genauigkeitsklasse 2 für kleine, transportable Quellen in Hallfeldern – Teil 1: Vergleichsverfahren in einem Prüfraum mit schallharten Wänden (ISO 3743-1:2010)“; sprich in einem Hallraum. Der Hall-Raum ist vergleichbar mit der Ul- bricht-Kugel zur Lichtmessung. Der Hallraum ist ein allseits geschlossener Raum mit harten glatten Wänden, die den Schall nahezu vollständig reflektieren, so dass er nur langsam abklingt. 1999 führten wir die Movinglights-Testreihe im Hallraum der TU-Aachen durch.
• DIN EN ISO 3744 „Akustik – Bestimmung der Schallleistungs- und Schallenergiepegel von Geräuschquellen aus Schalldruckmessungen – Hüllflächenverfahren der Genauigkeitsklasse 2 für ein im wesentlichen freies Schallfeld über einer reflektierenden Ebene.“ Das freie Feld ist in Laborausführung ein reflexionsarmer Raum (RaR) mit festem Boden.
• DIN EN ISO 3745 entspricht vom Prinzip der DIN EN ISO 3744, bietet jedoch eine Genauigkeitsklasse von 1. Während DIN EN ISO 3744 für Klasse 3 fünf Messmikrofone und für Klasse 2 dreizehn Messmikrofone bzw. Mikrofonpositionen benötigt.

Für diesen Artikel haben wir den RaR vom Akustiklabor Herzogenrath der IFAA zusammen mit Prof. Dr.- Ing. Anselm Goertz bezogen, der für unsere eigene Standortbestimmung und ein Update unserer Einschätzungen, wo man im Markt aktuell steht, einige beispielhafte Messungen durgeführt und bewertet hat. Grundsätzlich kann jede dieser Geräuschemissions-Grundnormen ausgewählt und entsprechend dieser Norm für die Bestimmung der Schallleistungspegel eines Gerätes angewandt werden.

>>zurück zum Anfang

Verhältnismäßige Betrachtung von Geräuschemissionen

Fast jeder hat es schon erlebt: Es werden Forderungen aufgestellt, die ihrem Zweck nicht angemessen sind. Für einen maschinellen Antrieb in der Bühnenmaschinerie , der mehrere Tonnen tragen muss, werden z. B. 25 dBA gefordert. Auf der anderen Seite soll die Maschine, die das Podium hebt, in einem Raum, der von sich aus schon 35 dBA in das Messmikrofon haucht, betrieben werden. So ist es nicht verwunderlich, wenn hier und dort auch mal Werte aus dem Hut gezaubert werden. Oft machen es sich Scheinwerferhersteller auch einfach und geben Reziprok, wie man es von Lautsprechern her kennt, den dBA-Wert in einen Meter Abstand an – womit dann auch schon die Messmethode beschrieben ist, die man von den Lautstärkeangaben von Lautsprechern her kennt.

Und damit kommen wir zu einem Punkt, der sträflich vernachlässigt wird: Das Messequipment für eine Lautstärke-Vermessung von Lautsprechern unterscheidet sich erheblich von dem Messequipment, wenn man ein leichtes Säuseln oder Flüstern aufnehmen möchte. Bei Schalldrücken, die ein Lautsprecher von sich geben soll – er soll ja laut sein – spielen die Grundempfindlichkeit und auch die Geräusche außerhalb des Messraumes eine untergeordnete Rolle, weil sie das Messergebnis mit so viel Stör-Abstand beeinflussen, sodass eigentlich keine Beeinflussung stattfindet. Möchte man jedoch einem Scheinwerfer im Silent-Mode einen Messwert entlocken, benötigt man eine hochempfindliche Messkapsel, am besten auch mit entsprechend angepasstem Vorverstärker, wie es z. B. auch das IFAA-Akustiklabor vorhält. Natürlich ist auch der LKW, der am Gebäude vorbeifährt, zu hören und hat seinen Einfluss – trotz des halb schalltoten Raums. Und das macht die Sache der Messung auch so aufwendig, weil nun jede Kleinigkeit schon die Messung beeinflusst und ausgeschlossen sein muss.

>>zurück zum Anfang

Lüfter-Modi und Szenarien

Findet nun eine Messung nach DIN und mit den richtigen Messmitteln statt, folgt die Frage, in welchem Betriebsmodus der Schein- werfer zu messen ist. Es würde Sinn ergeben, bei 100% Dimmer-Helligkeitsansteuerung und einem automatisch nachregelnden Lüfter einen Lautstärkewert anzugeben, nachdem der Scheinwerfer einen „eingeschwungenen Zustand“ erreicht hat. Eingeschwungen meint hierbei, dass eine gewisse Zeit (ca. 30 Minuten) vergeht, bis sich das System aufgeheizt hat und der Lüfter in einer konstanten Geschwindigkeit arbeitet. Aber auch hier kann es passieren, dass bei schlechtem Temperaturmanagement die Lüfter-Geschwindigkeit immer zwischen zwei Bereichen hin- und herspringt, genauso wie evtl. die Helligkeit nachgeregelt wird. Da wird die Dezibel-Angabe eher zum Glücksspiel. Neben Lüfter-Mode und Dimmerwert ist auch der Wert, auf den die PWM-Frequenz des LED-Scheinwerfers eingestellt ist, interessant. Auch hier können Geräusche von der Treiberelektronik verursacht werden, wenn trotz 100% Ansteuerung eine Pulsweitenmodulation einsetzt, weil das LED-Board wohlmöglich trotz Zwangskühlung zu warm wird. Findet diese PWM in einem hörbaren Bereich wie 1 kHz statt, entspräche das dem gut hörbaren Worst-Case-Szenario.

Sind mehrfarbige LED-Quellen zur Farbmischung in einem Scheinwerfer vorhanden, dann wäre auch anzugeben, ob ein Weißlicht wie 5.600K im kalibrierten Mode eingestellt wird oder ob alle LED-Farben im RAW-Mode zu 100% angesteuert werden. Damit wäre die Lautstärke des häufigsten Betriebsfalls angegeben. Nun könnte man den Dimmer noch auf 50 % herunterziehen, warten bis das System eingeschwungen ist und dann eine weitere Messung veranlassen. Denn es gibt einige Scheinwerfer, deren Kühlung bereits so gut ist, dass bei starker Dimmung der Lüfter nicht mehr aktiv arbeitet. Man ermöglicht einen quasi-lüfterlosen Betrieb. Eine weitere Messung bei 0% Dimmer-Einstellung verrät, ob evtl. im Basement ein Schaltnetzteil oder eine Treiberelektronik noch zwangsgekühlt wird.

Sind weitere Lüftermodi wie Silent, Max, oder Lüfter off vorhanden, kann man auch hier die Messung bei 100 % Dimmer-Ansteuerung wiederholen. Dagegen können 0 % Dimmer-Ansteuerung anliegen, wenn man PAN und TILT in ständiger Bewegung als Schallergebnis aufnimmt. Dann lässt sich abschätzen, wieviel lauter das Gerät bei schnellen Bewegungen wird. Natürlich gibt es Geräte, die z. B. beim Zoom oder rotierenden Prisma-Rädern sehr laut werden. Aber um es pragmatisch zu halten, würde man mit allen Kombinationen am Ziel vorbeischlittern. Es geht letztendlich um die wenigen Szenen, bei denen absolute Ruhe benötigt wird. In diesen Situationen muss man vielleicht auch nicht mit voller Fahrt, sondern im Schleichgang zur nächsten Position fahren. Uns bleibt somit nichts anderes übrig, als reine Grundfunktionen eines Scheinwerfers zu betrachten, wenn wir diesen lautstärkeseitig abbilden und einordnen wollen.

>>zurück zum Anfang

Optimieren: unbewegtes Licht und trotzdem keine Ruhe?

Es gibt immer wieder Situationen, bei der absolute Stille benötigt wird – die Szene, bei der man die Stecknadel auf den Boden fallen hören kann. In diesen Moment kommt dann gern die Ansage des Regisseurs, ob man den Scheinwerfer nicht mal leise machen könne. Sicher hat man hier nur einen kleinen Handlungsspielraum – aber man hat ihn. Jetzt kommt es darauf an, wodurch der Scheinwerfer Geräusche emittiert. Dem Lampensummen gedimmter Halogenlampen könnte man auf verschiedene Arten begegnen. Eine sofortige Lösung wäre, die Ansteuerung vom gedimmten Zustand auf 100 % hochzuziehen, da man hiermit der schnellen Stromänderung durch den Phasenanschnitt und den damit verbundenen schnellen Stromänderungen (di/ dt) entgegenwirkt. Diese Stromänderungen führen ein Magnetfeld an der Wendel herbei, wodurch die entstehenden Kräfte die Bewegung der Wendel verursachen – die Wendel fängt an zu summen. Wenn man nicht dimmt, wird dieses Summen minimiert. Ein anderes Leuchtmittel wie HPL könnte ebenfalls Abhilfe schaffen. Durch die tonnenförmige Wendelanordnung ist der Abstand der Wendeln zueinander größer und damit auch der Kräfteeinfluss geringer. Umgekehrt kennen wir auch das sehr laute Summen von Niedervolt-Parabol-Strahlern, da dort der Nachteil eines sehr engen Wendelabstandes bei hohen Strömen in Kauf genommen wird, um eine möglichst kleine Punktlichtquelle für den Parabolspiegel zu erhalten.

Der nächste Verbesserungsschritt bedeutet, das Set umzurüsten, wie durch einen Dimmertausch. Es gibt Dimmer mit verschiedenen Spulenqualitäten. Angefangen von ca. 80 μsek bei einfachsten Dimmern bis hin zu ca. 400 μsek für TV-Studios. Diese Verschleif-Zeit ist Ausdruck, wie sehr einem schnellen Stromanstieg mit der Spule entgegengewirkt wird. Aber noch besser wäre ein Phasenabschnittsdimmer. Die nächste Steigerung wäre der Sinusdimmer. Die Einstreuung auf asymmetrische Audiokabel lassen wir hier außen vor: Ist das Soundsystem symmetrisch gut aufgebaut und liegen die gedimmten Lastleitungen weit entfernt von den Tonkabeln und sind auch die Einspeisungen der Ton- und Lichtanlagen schön getrennt worden, ist ein Summen über die Tonanlage nicht zu erwarten. Wer tiefer in diese Materie einsteigen möchte, dem empfehlen wir unsere WIKI-Seite mit dem Titel „Warum summt der Dimmer?“ 

Haben wir es mit Scheinwerfern mit LED-Leuchtmittel zu tun, dann eröffnen sich ganz andere Möglichkeiten, aber auch „Gefahren“. Hier haben wir keinen klassischen Dimmer, der eine Phase 100 Mal in der Sekunde anschneidet, sondern die Netzspannung wird von einem Schaltnetzteil gleichgerichtet und eine Treiberelektronik pulst entsprechend dem Ansteuersignal. „Pulsen“ meint Puls-Breiten-Modulation, kurz PWM (Pulse Width Modulation – auch Pulsweitenmodulation). Es gibt auch Ausnahmen, die über ein analoges Einstellen der Stromstärke die LEDs dimmen. Weitere Optionen sind andere Modulationsarten sowie Kombination und Mischbetrieb verschiedener Steuertechniken, damit die negativen Effekte beseitigt oder zumindest minimiert werden. Aber betrachten wir jetzt die Geräuschentwicklung durch die am weitesten verbreitete Methode – der Pulsweitenmodulation.

Hat man einen lichtstarken LED-Scheinwerfer, der mit einer PWM angesteuert und nicht zu 100 % durchgesteuert ist, dann kann eine Farbfolie (am besten dunkel) vor dem Scheinwerfer oder auch ein in der Nähe angestrahlter schwarzer Stoff zu einem Pfeifen verhelfen. Ursache ist dabei der photoakustische Effekt, bei dem ein Teil der Lichtenergie beim Auftreffen auf Objekte dort in Wärme umgewandelt wird. Durch das periodische Auftreffen, verursacht von der PWM, bewirkt der Wechsel von Wärme und Abkühlung am Ziel eine Volumenänderung. Diese durch die Wärmewechsel beispielsweise in der Dekoration verursachte Druckschwankungen nehmen wir als ein Schallereignis wahr. Abhilfe hierbei wäre das Erhöhen der PWM- Frequenz außerhalb des hörbaren Bereiches. Das Verstellen der PWM an einem Scheinwerfer dient folglich nicht nur, um einem Kameraflickern Paroli zu bieten, sondern auch, um Geräusche des Scheinwerfers zu beseitigen. Leider gilt das nicht, wenn sich das Schaltnetzteil mit einem Pfeifen bemerkbar macht. Sind jedoch die Spulen der Treiberelektronik für das Pfeifen verantwortlich, kann man durchaus mit Verändern der PWM zum Erfolg kommen.

>>zurück zum Anfang

Worauf müssen wir achten?

Moderne LED-Scheinwerfer, die auch für lautstärkekritische Einsätze empfohlen werden, sollten mindestens Lautstärkeangaben wie oben beschrieben aufweisen. Das Ändern des Lüftermodus oder der Lüfterdrehzahl sollte über DMX oder RDM erfolgen können, um den Scheinwerfer bei kritischen Szenen geräuschmäßig einbremsen zu können. Einige Hersteller erlauben eine stufenlose Regelung der Lüfterdrehzahl. Andere setzen auf verschiedene Betriebsmodi wie „Lüfter aus“, „Lüfter leise“ oder bieten Studio- oder Automodi. Wichtig für den Anwender ist zu wissen, ob der Lüfter in einem Modus konstant dreht bzw. die Geräuschkulisse gleichbleibt, oder sich ändert. Genauso wichtig das Verhalten beim Umschalten in einen Silent- oder Lüfter-aus-Mode, ob dann die Helligkeit sprunghaft, langsam oder für eine Zeit gar nicht heruntergeregelt wird und man als Operator kompensieren muss.

››Das, was heute angeboten wird, ist nicht mehr zu vergleichen mit einem 20 Jahre alten 2-kW-Eni-Zoom oder Movinglight, deren Lüfter an Turbinengeräusche erinnerten. ‹‹

Aber was heute angeboten wird, ist nicht mehr zu vergleichen mit einem 20 Jahre alten 2-kW-Eni-Zoom oder Movinglight, deren Lüfter an Turbinengeräusche erinnerten. Moderne Silent-Operation-Modi messtechnisch zu beziffern, ist zu einer herausfordernden Messaufgabe geworden.

Grundbegriffe der Akustik

Begriff: Ton

Als Ton bezeichnet man aus technischer Sicht eine rein sinusförmige Schwingung im hörbaren Frequenzbereich.

Begriff: Klang

Ein Klang bildet sich aus Tönen verschiedener Frequenz und Amplitude, die sich zu einem komplexen Signal zusammenfügen. Der darin enthaltene niedrigste Ton bestimmt die Tonhöhe. Die höheren Töne ergeben die Klangfarbe. Ein kontinuierliches Lüftergeräusch würde als Bei- spiel aus der Lichttechnik in diese Kategorie fallen.

Begriff: Geräusch

Bei Tönen und Klängen geht man von einem stationären oder zumindest quasistationären Zustand aus, bei dem sich Frequenz und Amplitude der Teiltöne nur unerheblich ändern. Ein Geräusch dagegen ist meist fluktuierend, so wie es z. B. von einem anschlagenden Metallteil verursacht wird.

Begriff: Lautstärke

Die Lautstärke ist die zentrale Empfindung bei der Wahrnehmung von Schallereignissen. Sie hängt neben dem Schalldruck auch sehr stark von der Frequenz ab. Zwei Töne gleichen Schalldrucks, aber unterschiedlicher Frequenz können daher mit recht unterschiedlicher Lautstärke empfunden werden. Für den menschlichen Hörbereich besteht ein Zusammenhang zwischen Frequenz und Schalldruck und der dabei empfundenen Lautstärke. Mittlere Frequenzen werden zum Beispiel erheblich stärker wahrgenommen werden als tiefe Frequenzen.

Begriff: dB

dB-Größen werden immer dann gerne verwendet, wenn ein sehr großer Wertebereich darzustellen ist, so wie es bei den hörbaren Schalldrücken vorkommt. Man wählt sich hierzu einen Bezugswert und stellt jetzt alle anderen Werte in Bezug zu diesem dar. Bei Spannungen würde das z. B. bedeuten, daß man einen Bezugswert von 1 V auswählt, um sich bei einer Pegelangabe darauf zu beziehen. Die Berechnung lautet dann:

L = 20lg ⋅ U ⁄ U₀
mit
U₀ = 1V

Eine Spannungsverdopplung bewirkt immer eine Pegelerhöhung um 6 dB, ein zehnfacher Spannungswert bedeutet eine Pegelerhöhung um 20 dB. Bei entsprechenden Verkleinerungen bekommt der dB-Wert ein negatives Vorzeichen. Eine Halbierung der Spannung entspricht somit einer Pegelverschiebung um -6 dB. Handelt es sich um Leistung, so wird der logarithmierte Zahlenwert nicht mit dem Faktor 20 sondern mit 10 multipliziert. Eine Spannungsverdopplung (+6 dB) an einem Lastwiderstand bewirkt eine Vervierfachung der dort umgesetzten Leistung. Beides entspricht dann in dB-Größen ausgedrückt +6 dB.

Begriff: Schalldruckpegel

Der Schalldruckpegel SPL ist ein logarithmisches Maß für den Schalldruck (klein p) bezogen auf den Wert der Hörschwelle bei 20 Pa. Die Berechnung lautet:

Lp = 20lg ⋅ p ⁄ p₀

mit

p₀ = 20μPa