Je tiefer ein Sound, umso aufwändiger ist er zu erzeugen – oder sogar zu kontrollieren. Besonders spannend wird es, wenn man noch eine Oktave tiefer nachsieht: Annäherungen an die Zone knapp über 0Hz.
(Bild: Shutterstock/FastMotion, ETAP )
Tieffrequenter Lärm gewinnt zunehmend an Aufmerksamkeit, da sich seit zwei Jahrzehnten zu den „klassischen“ Lärmquellen (Verkehr, Industrie, Landwirtschaft, Baustellen, Nachbarschaft, … Veranstaltungen) einige neue mit überwiegend tieffrequenten Signalanteilen dazu gesellen. Dazu gehören im Rahmen der Dekarbonisierung auch Anlagen zur regenerativen Energieerzeugung (Windenergie- und Biogasanlagen) und zur Herabsetzung des Primärenergieverbrauchs (wie Blockheizkraftwerke und Wärmepumpen).
Rotierende oder vibrierende Anlagenteile erzeugen unvermeidlich Schall. Dessen Frequenzen werden allerdings (ähnlich wie elektromagnetische Wellen von Antennen) nur dann einigermaßen effektiv abgestrahlt, wenn die Dimensionen der abstrahlenden Struktur in die Größenordnung ihrer Wellenlängen kommen. Sie liegt bei Luftschall am unteren Ende des Hörschallbereichs (20Hz) immerhin schon bei 17m und entspricht bei 1Hz dem in einer Sekunde zurückgelegten Weg, also ca. 340m. Vibrationen können auch in feste Strukturen (Fundament, Rohre) ein- und als Körperschall weitergeleitet werden, der dann seinerseits an anderen Stellen zu Vibrationen und Luftschallabstrahlung führt – in der Bauakustik ein bedeutsamer Aspekt.
Tieffrequenter Lärm kann durch den geringen Phasenunterschied an den Ohren nicht geortet werden (was in der Audiotechnik den praktischen Einsatz von räumlich abgesetzten Subwoofern ermöglicht). Bei Erhöhung des Pegels steigt außerdem die empfundene Lautstärke zügiger an als im mittleren Audio-Frequenzbereich. Hier ist im Zusammenspiel mit den äußeren Haarzellen auf der Basilarmembran der Cochlea des Innenohrs ein sehr effektiver Dynamik-Kompressor aktiv.
Innerhalb von Räumen können sich bei Wandabständen, die der halben Wellenlänge (und Vielfachen davon) entsprechen, stehende Wellen ausbilden. Deren tiefste Frequenz liegt bei kleinen Räumen um die 50Hz, kann bei sehr großen Wohnzimmern aber bis 15Hz hinab reichen, wie auf dem DEGA-Workshop im Vortrag von Sebastian Schmitter gezeigt wurde.
Tieffrequente tonale Anteile können als Brummen oder Dröhnen sehr unangenehm sein und die Lebensqualität deutlich schmälern, wenn sie dauerhaft präsent sind.
Voraussetzung ist ihre Wahrnehmung, die allerdings nicht immer auf eine tatsächlich vorhandene äußere Schallquelle zurückzuführen ist (Brummton-Phänomen). Zum unteren Ende des Hörbereiches sinkt die Empfindlichkeit unseres Hörsinns rapide und hat bei 20Hz bereits um ca. 70dB im Vergleich zu 1kHz abgenommen. Darunter geht es dann in die sagenumwobene Unterwelt des Infraschalls.
Obwohl er alltäglich, allgegenwärtig und bei üblichen Pegeln nicht wahrnehmbar und deswegen harmlos ist, ranken sich um Infraschall allerhand Mythen. Es handelt sich bekanntlich um den Frequenzbereich unter 20Hz, in welchem die menschliche Hörschwelle mit ca. 12dB/Oktave weiter stark ansteigt, weshalb nur noch sehr hohe Schalldruckpegel wahrgenommen werden können. Bei 10Hz liegt die Hörschwelle immerhin schon bei einem SPL von ca. 95dB und erreicht unterhalb von 2Hz schließlich Werte um 120dB.
Das bedeutet, dass Schall unterhalb dieser Frequenz eine Intensität (Leistung pro Fläche) aufweisen muss, die mindestens eine Billion mal höher ist als bei mittleren Frequenzen um 1kHz, um überhaupt wahrgenommen werden zu können. Allerdings ist die Hörschwelle auch bei Infraschall nicht bei allen Menschen gleich – sie kann in seltenen Fällen bei einigen Frequenzen bis zu 12dB tiefer liegen. Die dunkelblaue Kurve in Abb. 1 zeigt die Hörschwelle einer ausgewählten Person, die in der Lage ist, Infraschall mit deutlich tieferen Pegeln zu registrieren als der Durchschnitt der Bevölkerung. Allerdings überschreitet auch bei dieser Person die Hörschwelle unterhalb von 5Hz bereits die Marke von 100dB SPL.
Infraschall von Zug bis Windrad vs. Hörschwellen: Vergleich der Infraschall-Hörschwellen nach Kühler (PTB) und einer besonders infraschallempfindlichen Person (Lydolf, nach Møller) mit den Infraschall-Terzpegeln in verschiedenen Verkehrsmitteln sowie der Worst-Case Immission einer Enercon E115 -3.0 Turbine des Windparks Gagel (Sachsen-Anhalt) in 500m Abstand während einer siebenwöchigen Messkampagne der BGR mit MB2005 Mikrobarometer. Von oben nach unten: IC8 der SBB bei Durchfahrt durch den Lötschberg-Basistunnel, PKW bei Autobahnfahrt, VT612 Nahverkehrs-Dieseltriebwagen, ICE und ganz unten der maximale 44-Minuten Leq der WEA (Abb. 1) (Bild: Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe)
Der Übergang vom Hörschall zum Infraschall ist natürlich fließend und die Grenze von 20Hz willkürlich gewählt – gelegentlich werden auch 16Hz genannt. Allerdings geht bereits ab 30Hz abwärts die Tonhöhenempfindung verloren. Bei sehr niedrigen Frequenzen mit ausreichend hohen Pegeln wird der Schall schließlich nur noch als Folge periodischer Pulse und eher als Druck auf das Trommelfell denn als Ton wahrgenommen.
Infraschall entsteht auf natürliche Art, wann immer größere Luft-, Wasser oder auch Landmassen in Bewegung sind. So sind Meeresbrandung und Wasserfälle ebenso beachtliche Infraschallquellen wie Lawinen und stürmische Winde, wobei Abwärtswinde in Bergtälern (Föhn) Peak-Level jenseits der 130dB erzeugen können.
Auch die unterschiedlichsten anthropogenen Quellen erzeugen Infraschall. Zu den vom Menschen stammenden Aktivitäten gehören alle Verkehrsmittel, insbesondere solche, die mit (zumindest im PKW-Bereich voraussichtlich dem Niedergang geweihten) Verbrennungsmotoren angetrieben werden. Aber auch elektrisch betriebene Kompressoren wie an Kühlschränken und Wärmepumpen erzeugen wegen der bewegten Kolben Vibrationen, die zur Abstrahlung von Infraschall führen. Ebenso generieren große Lüftungsanlagen und schwere Maschinen in Industrie, Bergbau und Landwirtschaft neben dem hörbaren Schall – der als Stressfaktor das eigentliche Problem darstellt – auch Infraschall.
Infraschall mit Frequenzen <1Hz erleidet durch die von ihm bewirkte nur noch äußerst langsame Bewegung der Luft praktisch keine Verluste durch viskose Reibung der Luftmoleküle. Bei hohen Frequenzen machen sich diese Verluste dagegen schon nach wenigen Metern bemerkbar und werden bei Open-Airs durch an Temperatur und Luftfeuchtigkeit angepasstes EQing kompensiert.
Außerdem führt die mit der Höhe abnehmende Dichte der Luft insbesondere bei Inversionswetterlagen zu einer Führung der Wellen in Erdbodennähe. Einen ähnlichen Effekt hat die Zunahme der Windgeschwindigkeit mit der Höhe, die Schallwellen nach unten drückt und sehr weit in Windrichtung trägt.
Empfindliche Sensoren und Stärke des Schallereignis vorausgesetzt lässt sich daher Infraschall nachweisen, dessen Ursprung tausende Kilometer entfernt liegen kann. Auf diese Weise lassen sich also auch geächtete Aktivitäten wie das Zünden von Atombomben detektieren. Unter der Ägide der UN wurde 1996 der CTBT (Comprehensive Nuclear-Test-Ban Treaty) aufgesetzt, welcher allerdings von 8 der 44 aufgeführten Unterzeichnerstaaten noch nicht ratifiziert wurde und deswegen völkerrechtlich bindend noch nicht überall in Kraft getreten ist. Zur Überwachung des Vertrags wurde die CTBTO in Wien gegründet. Sie koordiniert den Aufbau eines IMS (International Monitoring Systems) mit 337 Messstationen und wertet die von ihnen gelieferten Daten aus. Gemessen werden die Konzentration von Radionukliden in der Luft, Seismik sowie Infraschall in Luft und Wasser.
Infrasound Sensor: Neues Mikrobarometer MB3a und im Hintergrund ein MB2005, wie es als zentraler Sensor in den Infraschall-Messstationen des IMS zum Einsatz kommt (Abb. 2) (Bild: Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe)
An zwei Standorten betreibt auch die BGR (Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe) Stationen, die Teil dieses Systems sind. Jeweils eine Station an jedem Standort dient der Messung von seismischen Erschütterungen, die andere von Infraschall. Ein Standort liegt im bayerischen Wald bei Haidmühle nahe dem Dreiländereck Deutschland – Österreich – Tschechien, der andere in der Antarktis.
Die übrigen 53 bereits zertifizierten Infraschallstationen des Netzes (in voller Ausbauphase werden es 60 sein) sind so über den Erdball verteilt, dass dem System keine Explosion ab einer Kilotonne TNT-Äquivalent entgeht.
Mikrobarometer – die etwas anderen Mikrofone für tiefste Frequenzen
Die Infraschall-Stationen des International Monitoring Systems nutzen keine normalen Kondensatormikrofone, wie sie sonst in der akustischen Messtechnik üblich sind, sondern sogenannte Mikrobarometer. Sie wiederum basieren in den älteren Modellen auf linear variablen Differenzialtransformatoren (LVDT).
Diese Differenzialtransformatoren bestehen aus einer Primärwicklung und zwei in Reihe geschalteten, links und rechts von der Primärwicklung angeordneten Sekundärwicklungen. Durch diese Anordnung hindurch ist ein Stab mit einen magnetisch hochpermeablen Nickel-Eisen-Mittelstück geführt.
Bild: Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe
Viertel-Element eines Infraschall-Arrays mit zentralem Mikrobarometer, zwölf Rohren und je zwei Einlassdosen der BGR-Station I26DE im bayerischen Wald (Abb. 3)
Bild: Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe
Viertel-Element eines Infraschall-Arrays mit zentralem Mikrobarometer, zwölf Rohren und je zwei Einlassdosen der BGR-Station I26DE im bayerischen Wald (Abb. 3)
Wenn sich das Mittelstück genau in der Mitte der Anordnung befindet, induziert ein in die Primärwicklung eingespeister Wechselstrom durch die entgegengesetzte Wirkung auf die beiden in Reihe geschalteten seitlichen Sekundärspulen so gut wie keine Ausgangsspannung. Bei geringster Auslenkung steigt die Ausgangsspannung, wobei im Minimum beim Mitteldurchgang ein Vorzeichenwechsel stattfindet. Durch Demodulation kann ein auslenkungsproportionales Ausgangssignal gewonnen werden.
LVDT sind sehr empfindlich und können winzigste Lageveränderung des Stabes detektieren. Sie sind deswegen in der Präzisions-Längenmesstechnik schon lange bekannt und populär. Bei einem Mikrobarometer ist der Stab mit einer Membran verbunden, die wie bei Barometern und Mikrofonen durch Luftdruckänderungen ausgelenkt wird. Fertig ist das „Low-Frequency-Mikrofon“ bzw. Barometer.
Mikrobarometer haben gegenüber Kondensatormikrofonen, deren Rauschen zu tiefen Frequenzen hin durch die sehr kleine Quellkapazität der Kapsel und somit steigende Impedanz stark zunimmt, den Vorteil geringeren Rauschens bei Frequenzen unterhalb von ca. 0,5Hz. Ein Nachteil ist die nach oben stark eingeschränkte Bandbreite, da die Trägerfrequenz üblicherweise bei nur wenigen kHz liegt.
Im praktischen Betrieb ist aber gar nicht unbedingt das elektrische Rauschen für Störungen verantwortlich, sondern häufig Sekundärgeräusche durch Turbulenzen bei starker Luftströmung. Diese werden bei den hochempfindlichen Infraschallmessstationen dadurch reduziert, dass an ein Mikrobarometer über einen Zwischenadapter vier mehrere gleich lange Schläuche eingestöpselt sind, die am anderen Ende wiederum zu Verteilern führen, die ihrerseits mit zwölf gleich langen, sternförmig wegführenden Rohren verbunden sind (siehe Foto). An deren Ende befinden sich wiederum je zwei Einlassdosen für den tieffrequenten Luftschall. Mit dieser Anordnung bekommt das Mikrobarometer also in etwa den mittleren Druck über die von der Anordnung belegte Fläche zu spüren. Die Dimensionen dieser Fläche müssen natürlich klein gegenüber der Wellenlänge der höchsten Frequenz von Interesse (normalerweise 5Hz) sein, da sich darüber durch unterschiedliche Phasenlage an den Einlässen Dämpfung bis hin zu Auslöschungen ergibt.
Mehrere Anordnungen dieser Art (bei I26DE sind es fünf) mit je einem Mikrobarometer als zentraler Sensor, die in einem weitläufigen Gelände in Abständen von einigen hundert Metern untereinander installiert sind, bilden zusammen ein Array. Die per Kreuzkorrelation ermittelten Laufzeitunterschiede der eintreffenden Signale erlauben die Bestimmung ihrer Einfallsrichtung. Diese wird nun mit den auf gleiche Weise ermittelten Einfallsrichtungen bei Stationen in anderen Ländern kombiniert, womit sich per Triangulation der ungefähre Ursprungsort des Infraschallereignisses bestimmen lässt.
Infra-Sounds von Vulkan bis Bombe umrunden die Erde
Registriert werden mithilfe der Arrays die unterschiedlichsten natürlichen und anthropogenen Ereignisse. Schwere Unwetter, große Ozeanwellen (die Micro-Barome erzeugen, welche übrigens als diffuser Hintergrundschall auch weit im Inland stets präsent sind), Vulkaneruptionen, Erdbeben, Lawinen, Meteoroide und aktive Aurora gehören zu den natürlichen Ereignissen. Überschallflüge, Raketenstarts, industrielle Aktivitäten und Explosionen aller Art zählen zu den anthropogenen. Die Ausbreitungsdämpfung ist nicht konstant – sie hängt von Wind und Wetter ab und gehorcht auch deutlichen jahreszeitlichen Schwankungen.
Die verheerende Explosion der für den Fassbombenbau im syrischen Bürgerkrieg bestimmten 2750 Tonnen Ammoniumnitrat im Lagerhaus Nr. 12 des Hafens von Beirut am 4. August 2020 wurde nicht nur von der Station I26DE im bayerischen Wald, sondern auch von mehreren anderen Stationen bis hin zu Cabo Verde im Atlantik, also über 6.000km vom Unglücksort entfernt, registriert. Sie war übrigens nicht die erste ihrer Art – schon knapp 100 Jahre zuvor führte die Explosion von 500 Tonnen ammoniumnitrathaltigen Düngemittels in einem Silo des Werks Oppau der BASF zur Zerstörung des Ortes und über 500 Toten. Beim Beirut Blast ließ sich aus den Daten der IS-Messtationen nicht nur der Entstehungsort des Infraschalls, sondern auch die ungefähre Detonationskraft von ca. 1kt TNT bestimmen.
Auch die erfolgreiche Sabotage an drei der vier Nord Stream Pipelines am 26. September 2022 nahe Bornholm ließ sich in den Aufzeichnungen von I26DE nachweisen.
Das Aufbrechen des geschätzt 12kt schweren Meteors von Tscheljabinsk am 13. Februar 2013 ca. 30km über dem russischen Ural erzeugte ebenfalls einen Infraschall-Burst. Er umlief die gesamte Erde sogar mehr als ein Mal.
Das stärkste registrierte Event seit dem Beginn des Aufbaus des IMS war freilich die Eruption des Hunga-Tonga-Vulkans am 15. Januar 2022. Es wurde nicht nur von allen 53 schon in Betrieb befindlichen Infraschall-Messstationen des IMS, sondern wegen der extrem niederfrequenten Schwerewellen-Anteile auch von vielen „normalen“ Barometern registriert und war durch die 100 bis 200Mt TNT entsprechende Detonationswirkung auch Tage später nach der achten Erdumrundung noch in den Aufzeichnungen zu sehen.
Seinen Ursprung hat Infraschall häufig in einer großen, mit entsprechender Frequenz und meist unerwünscht vibrierender Struktur. Um solche Vorgänge untersuchen und anschließend eventuell Gegenmaßnahmen treffen zu können, werden traditionell Beschleunigungsaufnehmer an verschiedenen Stellen befestigt und die Aufzeichnungen anschließend ausgewertet (Modalanalyse). Die Befestigung und Verkabelung der Sensoren ist relativ aufwändig, vielfach gefährlich wie bei hohen Eisenbahnbrücken oder gar unmöglich, so bei in Betrieb befindlichen Hochspannungs-Schaltanlagen.
Eine Alternative bietet die Abtastung der Oberflächen mit Laser-Doppler-Vibrometern (LDV). Diese funktionieren nach dem Mach-Zehnder-Interferometer-Prinzip und liefern ein zur Geschwindigkeit des abgetasteten Objekts proportionales Signal. Daraus kann durch einfache Integration die Auslenkung berechnet werden. Bei den traditionellen Beschleunigungsaufnehmern muss diese hingegen durch zweifache Integration gewonnen werden, was bei tiefen Frequenzen, wo die Beschleunigung im Vergleich zur erzeugten Auslenkung sehr gering ist, zu Rauschproblemen führen kann.
Für kurze Distanzen werden normalerweise die bekannten Helium-Neon-Laser verwendet. Diese sind preiswert, haben eine hohe Lebensdauer, sehr geringes Rauschen und bieten durch die relativ kurze Wellenlänge von 633 nm eine hohe Auflösung, gute Reflektionseigenschaften des abgetasteten Objekts vorausgesetzt. Allerdings liegt ihr Licht im sichtbaren Bereich, weswegen seine Leistung auf 1mW begrenzt werden muss, soll es augensicher sein. Außerdem ist die Frequenz nicht stabilisiert, was zu Drift-Problemen beim Weg-Signal führen kann.
Neben LDV auf HeNe-Basis für Indoor-Use bietet Marktführer Polytec, auf dem DEGA-Workshop vertreten durch Robert Mörl, auch solche mit Infrarot-Laser (1550 nm) an. Da sie unsichtbar sind, kann ihre Leistung problemlos auf 10mW gesteigert werden, ohne beim Auftreffen auf die Netzhaut die Augen zu gefährden (Klasse 2). Sie durchdringen auch Nebel (allerdings nicht Regen) und können mehrere hundert Meter überbrücken, so dass sich bequem vom Boden aus Vibration wie an den Türme von Windenergieanlagen nahe der Gondel oder von anderen hohen Bauwerke abtasten lassen. Dabei sind die Messmöglichkeiten nicht auf den Infraschallbereich beschränkt.
Verlässliche akustische Messergebnisse verlangen gerade für gerichtsverwertbare Ergebnisse neben einem sorgfältigen Mess-Setup die Verwendung von Mikrofonen, deren Empfindlichkeit (angegeben in V/Pa) genau bekannt ist. Schließlich wird der Schalldruck durch Division der vom Mikrofon gelieferten Spannung durch die Empfindlichkeit ermittelt. Die Kalibrierung des Mikrofons, die in diesem Zusammenhang nichts anderes bedeutet als die Bestimmung seiner (frequenzabhängigen) Empfindlichkeit, kann durch Vergleich zu einer wohlbekannten Referenz (sekundäre Kalibrierung) oder aber durch eine Methode erfolgen, aus der sich bei exakt bekannten Wechseldruckverhältnissen direkt die Empfindlichkeit ermitteln lässt (primäre Kalibrierung). Letztere bietet normalerweise die höchste Akkuratesse und wird üblicherweise nur von den NMIs (National Metrology Institutes) durchgeführt, die geeignete hochgenaue Messmethoden entwickeln und deren Ergebnisse in Ringversuchen untereinander vergleichen. Das NMI von Deutschland ist die PTB (Physikalisch-Technische Bundesanstalt) in Braunschweig, deren Fachbereich Schall (1.6) unter Leitung von Christian Koch sehr aktiv in der Forschung und Entwicklung im Infraschallbereich ist.
Explosion der 2750t Ammoniumnitrat im Hafen Beirut: Detektion an den drei Infraschall-Station Tunesien, Deutschland und Elfenbeinküste des Netzwerks International Monitoring System (Abb. 4) (Bild: Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe)
Während nämlich für die Kalibrierung von „normalen“ Mikrofonen ab 2Hz an allen NMIs seit Jahrzehnten etablierte primäre und sekundäre Verfahren existieren, gab es zum Beispiel für die von der BGR verwendeten Mikrobarometer in ihren recht voluminösen Gehäusen anfangs nur Werkskalibrierungen vonseiten des französischen Herstellers CEA.
Bestimmung des Ursprungsorts der Ammoniumnitrat-Explosion im Hafen von Beirut aus der Triangulation der ermittelten Richtungsdaten von drei Stationen des Infraschall Messnetzes des IMS (Abb. 5) (Bild: Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe)
Diesen Service bietet jetzt auch die PTB an. Der Prüfling wird dabei zusammen mit einem Referenzmikrofon in einem großen soliden Plexiglasrohr, an dessen unterer Stirnfläche ein Tieftöner in das luftdicht abgeschlossene Rohr hineinschallt, untergebracht und die Ausgangsspannung von beiden bei Beschallung durch den Lautsprecher aufgezeichnet. Es handelt sich also um eine Sekundärkalibrierung, deren Präzision auch von der Genauigkeit abhängt, mit welcher das Referenzmikrofon selber kalibriert werden kann.
Dafür hat die PTB eine Vorrichtung nach einer Idee von Ole-Herman Bjor, dem langjährigen Mastermind des norwegischen Messgerätherstellers Norsonic, entwickelt. Sie beruht auf einer simplen Begebenheit: Die Abhängigkeit des Luftdrucks von der Höhe über dem Meeresspiegel ist genau bekannt. In tiefen Lagen nimmt er mit immerhin ca. 12Pa pro Meter Höhengewinn ab. Selbst geringe periodische Höhenänderungen von nur ±1cm, wie sie beispielsweise ungefähr beim Gehen an den Ohren entstehen, entsprechen einem Spitzenschalldruckpegel von immerhin fast 76dB. Dieser Wert liegt übrigens noch oberhalb von Worst-case-Infraschall-Immissionen von Windenergieanlagen, von denen manche Menschen glauben, sie würden krank machen, obwohl sie mindestens 30dB unter jeglicher Wirk- und Wahrnehmbarkeitsschwelle und auch weit unterhalb der Infraschallpegel liegen, denen wir in beliebigen Verkehrsmitteln ausgesetzt sind.
Zurück zur Idee: ein sinusförmiges Schalldrucksignal unter Ausnutzung des höhenabhängigen Druckunterschieds lässt sich an einem Prüfling (DUT = device under test) erzeugen, in dem er am Rand einer kreisförmigen Scheibe montiert wird, die vertikal aufgestellt ist und in Rotation versetzt wird. Der Druckunterschied lässt sich anhand des Abstands des DUT von der Mittelache genau berechnen. Die Frequenz lässt sich wiederum durch die Motorsteuerung genau vorgeben. Mit dieser Methode kann die PTB Mikrofone praktisch ab DC bis 5Hz mit einer Wiederholbarkeit von <0,1dB kalibrieren, wie sich durch Vergleich mit der Laser-Pistonphon-Methode des französischen NMI, des LNE (Laboratoire National de Métrologie et d´Essais) ergab. Darüber ergeben sich zunehmend Abweichungen durch Strömungsgeräusche, die sich mithilfe eines aerodynamisch geformten Nasenkonus, welcher parallel zur Drehbewegung vor der Mikrofonkapsel angebracht wird, um fast 20dB senken lassen.
Kondensatormikrophone sind wegen ihrer nur durch eine gelöcherte oder geschlitzte metallische Staubschutzkappe geschützten hauchdünnen Membran ziemlich vulnerable Sensoren, die bei groben Umgang oder unter harschen Umwelteinflüssen sehr leicht Schaden nehmen können. Deswegen ist bei wichtigen Messeinsätzen die Überprüfung der Funktionsfähigkeit und gewohnten Empfindlichkeit vor und auch nach den Messungen wichtiger Bestandteil des Protokolls. Allerdings liefern gängige Kalibratoren typischerweise eine feste Frequenz (1kHz oder auch 250Hz) und sind deswegen nicht dazu geeignet, die Frequenzabhängigkeit der Empfindlichkeit zu ermitteln.
Durch verschiedene Defekte kann es zu größeren Abweichungen des Frequenzgangs kommen, die bei der Einton-Kalibrierung nicht unbedingt auffallen. So kann ein seitlicher Schlag auf die Kapsel, der typischerweise beim Hinfallen auf den Boden entsteht, zu einer Deformierung der Zylinderwand und daraus folgender Abnahme der mechanischen Membranspannung führen. Die Folge ist eine drastische Abnahme der oberen Grenzfrequenz und auch eine leichte Erhöhung der Empfindlichkeit im Frequenzbereich darunter, die aber nicht unbedingt Verdacht schöpfen lässt.
Eine Verstopfung des Kapillars (der hauchdünne Kanal zum Druckausgleich vom Inneren der Kapsel zur Außenwelt) durch Schmutz führt wiederum zu einer Abnahme der unteren Grenzfrequenz, da sie schnelleren Druckausgleich behindert. Umgekehrt bedeuten Löcher in der Membran, die nur all zu leicht entstehen können, zusätzliche Ausgleichskanäle parallel zum Kapillar, was die untere Grenzfrequenz deutlich ansteigen lässt. Christian Koch zeigte in seinem DEGA-Vortrag, dass bereits eine winzige Perforierung mit ca. 100µm Durchmesser in der Membran einer Kapsel B&K 4133 dazu führte, dass die Empfindlichkeit im Infraschallbereich um bis zu 25dB absackte, während sie bei der Frequenz des Kalibrators von 1kHz nur um unverdächtige 0,1dB sank.
Vergleich der Messungen von Mikrobarometern und Infraschallmikrofonen
Die PTB begleitete auch die jüngsten Messungen der BGR an zwei Windparks in Norddeutschland, um die Mikrobarometer-Messungen mit „normalen“ Mikrofonmessungen (mit Infraschall-fähigen Labormikrofonkapseln) zu vergleichen. Dabei ergab sich, dass bei Befestigung an einem Stativ die Mikrofone bei nur moderaten Windgeschwindigkeiten bis 7m/s (gemessen in Gondelhöhe der WEA) der Frequenzbereich <7Hz bereits durch turbulenzbedingte Sekundärgeräusche überdeckt war. Mit einem in einer runden Bodenplatte eingelassenen Grenzflächenmikrofon und zweischaligem Windschutz entsprachen die gemessenen Terzpegel hingegen schon eher denen der Mikrobarometer (siehe Abb. 6).
Herausforderung Outdoor-Messung: Gemessene Infraschall-Terzpegel in 500m Abstand einer Windenergieanlage E115-3.0 bei mittlerer Windgeschwindigkeit. Die Messung auf einem Stativ (entspricht Exposition unserer Ohren) wird unterhalb von 7Hz durch den Wind stark gestört. Unterhalb von 3Hz ist auch die Messung auf der Bodenplatte leicht gestört (Abb. 6) (Bild: Physikalisch-Technische Bundesanstalt)
Bei starken Wind bis 12m/s lieferte aber auch das besser geschützte Grenzflächenmikrofon auf der Bodenplatte unterhalb von 10Hz durch die turbulenzbedingten Störgeräusche zu hohe Pegel, die Messung des Mikrofons auf dem Stativ war sogar völlig unbrauchbar. Bei windigen Wetter zeigt sich der verteilte Einlass um ein zentral angeordnetes Mikrobarometer also überlegen. Der Vergleich zeigt auch, wie schwierig Messungen des Infraschallpegels von technischen Anlagen durchzuführen sind, denn die Gefahr ist sehr groß, dass die Windgeräusche die Messergebnisse dominieren und die sich daraus ergebenden Pegel fälschlicherweise dem Messobjekt angekreidet werden.
Einen sehr spannenden und weniger technischen, aber dennoch sehr vielseitigen und tiefgründigen DEGA-Vortrag hielt die Evolutionsbiologin und Hörforscherin Manuela Nowotny. Sie zeigte, dass auch Insekten Hörorgane besitzen, wenngleich diese vergleichsweise simpel aufgebaut sind, teilweise nur aus wenigen Zellen bestehen und auch nur wenige synaptische Verschaltungsebenen bis zum Gehirn aufweisen. Dabei ist deren Lage keineswegs nur auf den Kopf beschränkt – sie können sich an allen möglichen Stellen des Körpers befinden, bei Grillen zum Beispiel sogar an den Vorderbeinen.,
Die hohe Frequenzauflösung und vor allem Empfindlichkeit des Gehörs von Säugetieren erreichen die simplen Gehörorgane von Insekten allerdings bei weitem nicht. Diese wird bei Säugetieren hauptsächlich durch die äußeren Haarzellen (OHC = outer hair cells) bewirkt, welche durch Dehnung und Verkürzung das Schwingen der Basilarmembran in der Cochlea selektiv durch aktive Mitkopplung verstärken (was sich anhand der otoakustischen Emissionen nachweisen lässt und bei Fehlfunktion zu Tinnitus führen kann). Zusammen mit der Resonanz des Außenohrkanals und der Impedanzanpassung durch die Knöchelchen des Mittelohrs führt dies bei mittleren Frequenzen zu einer Empfindlichkeit, die nicht mehr weit vom thermischen Rauschen der Brown´schen Molekularbewegung entfernt ist. Die Hörschwelle von Insekten liegt wegen des Fehlens dieser eindrucksvollen Features, welche die Evolution hervorgebracht hat, mindestens 30dB höher. Dennoch hilft ihnen die „Phonotaxis“ bei der Aufspürung von Partnern für den Nachwuchs sowie Nahrung bzw. zur Herabsetzung der Gefahr, selber zu solcher zu werden.
Mit konventionellen Subwoofern Infraschallfrequenzen bei akzeptablen Wirkungsgrad und Schalldruck abzustrahlen ist aus physikalischen Gründen ein gar nicht so leichtes Unterfangen.
Bekanntlich nimmt bei geschlossenen Boxen der Schalldruck unterhalb der Resonanzfrequenz um 12dB/Oktave ab. Grund ist die sinkende akustische Impedanz der gegenüber der Wellenlänge immer kleiner werdenden Dimensionen der abstrahlenden Fläche. Anschaulich gesprochen schiebt die Membran nur noch langsam Luft hin und her, ohne dass dadurch nennenswerter Druck aufgebaut werden kann (dazu ist die Luft zu nachgiebig) und sich eine signifikante Druckwelle vom Ort der Luftverdrängung ablösen würde. Die Schallschnelle ist deswegen im Nahfeld des Lautsprechers viel höher als im Fernfeld einer fortschreitenden Welle gleichen Schalldrucks und außerdem im Gegensatz zu Letzterer um bis zu 90° zum Wechseldruck phasenverschoben.
Dies ist für Hörtests zur Bestimmung der Wahrnehmbarkeitsschwelle von Infraschall durchaus von Bedeutung, kann doch der hohe Volumenfluss der bewegten Luft zu sekundärer Schallanregung durch Rattern und Klappern von vibrierenden losen Gegenständen bzw. breitbandigen Strömungsgeräuschen an scharfen Kanten führen. Solche Tests müssen deshalb eigentlich in luftdicht geschlossenen Räumen stattfinden, was auch die Druckerzeugung sehr vereinfacht. Die Schallschnelle ist in einer hermetisch geschlossenen Druckkammer aber sogar kleiner als in einer Welle im Fernfeld. Für eine vollständig korrekte Nachbildung der Druck- und Schnelleverhältnisse einer tieffrequenten Schalwelle müsste die Hülle des Raums also eine genau kontrollierte frequenzunabhängige Impedanz besitzen – ein nahezu unmögliches Unterfangen.
Subwoofer-Arrays wirken für die Abstrahlung von tieffrequenten Wellen als gemeinsame große Frontfläche – die akustische Impedanz und somit die Effizienz steigen also bekanntlich deutlich gegenüber einer Einzelbox. Allerdings sind Beschallungs-Subwoofer fast immer als vented design ausgeführt, arbeiten also nach dem „Bassreflex-“ (ein Helmholtzresonator) oder Bandpass-Prinzip (zwei Helmholtzresonatoren). Unterhalb der (tiefsten) Resonanzfrequenz fällt der Schalldruck durch den akustischen Kurzschluss (direkter Luftfluss zwischen Vorder- und Rückseite der Membran) sogar mit 24dB/Oktave zu tieferen Frequenzen ab. Gleichzeitig verspüren die Membranen keinen nennenswerten Widerstand mehr und die Lautsprecher können deshalb sehr leicht durch exzessive Auslenkung zerstört werden. Deshalb ist ein passend abgestimmtes Hochpassfilter ein absolutes Muss beim Signal Processing für die einzelnen Wege einer PA. Obwohl der Frequenzbereich des hörbaren Schalls heutzutage weitgehend ausgenutzt wird (typischerweise bis ca. 30Hz hinab), wird bei Shows üblicherweise kein echter Infraschall abgestrahlt.
Für ein Experiment von Meyer Sound für die Fernsehsendung MythBusters auf Discovery Channel im Jahr 2005 wurden allerdings die Bassreflexöffnungen von zwölf ringförmig um die Testpersonen angeordneten Subwoofern 700-HP verstopft (um den akustischen Kurzschluss zu eliminieren) und die Grenzfrequenz der Hochpassfilter der Meyer-typischen aktiven Elektronik herabgesetzt. Mit dieser Konfiguration konnte die Frequenz 9Hz mit noch immerhin 120dB, deutlich über der Wahrnehmbarkeitsschwelle, wiedergeben werden. Der widerlegte unsinnige Mythos durch das Experiment war übrigens der, dass es durch Infraschall bei einer bestimmten Frequenz („brown note“) zu einem Kontrollverlust über den Schließmuskel des Enddarms kommen können soll.
Brown Notes? Meyer Sound Rig mit zwölf modifizierten Subwoofern 700-HP zum Testen des „Brown Note“-Mythos (Abb. 7) (Bild: Meyer Sound / Beyond Production)
Ein ganz anderes Prinzip für die Erzeugung tiefster Luftschallfrequenzen als klassische elektrodynamische Lautsprecher ist die Modulation eines Luftstroms, ähnlich wie es auch in Sirenen passiert. Zu diesem Zweck hat Eminent Technology den „Rotary Speaker“ TRW-17 entwickelt. Dabei handelt es sich nicht etwa um ein Leslie-Kabinett, sondern um einen schnöden Ventilator, dessen Flügelblätter allerdings durch Verstellen des Anstellwinkels (pitch control wie bei modernen Windenergieanlagen) die beförderte Luftmenge im Takte des angelegten Audiosignals ändern können. Zum Gleichanteil (Luftstrom) kommt also ein Wechselanteil (Änderung des beförderten Luftstromvolumens pro Zeiteinheit) dazu. Damit dies auch tatsächlich zu nennenswerter Generierung von Infraschall führt, muss der Ventilator in eine passende kreisrunde Öffnung einer sehr großen, innen mit Dämmstoff verkleideten Holzbox eingebaut werden, die einerseits der Vermeidung des unmittelbaren akustischen Kurzschluss und andererseits der Verringerung von Strömungs-Störgeräuschen dient.
Rotary Speaker Eminent Technology TRW-17 Ventilator mit verstellbaren Rotorblättern zur Modulation des beförderten Luftstroms (Abb. 8) (Bild: Eminent Technology)
Dieses Prinzip kam in einer Hörtestserie zur Wahrnehmbarkeit von verschiedenen Infraschallsignalen unter Leitung von Detlef Krahé von der Bergischen Universität Wuppertal zum Einsatz. Sie fand in einem abgelegenen Häuschen des stillgelegten Militärflughafens in Eggebek nahe Flensburg statt.
Wie elektrodynamische Lautsprecher ist auch der TRW-17 nicht frei von nichtlinearen Verzerrungen. Diese Oberwellen mussten für die Hörtests so gut wie möglich unterdrückt werden, denn durch die zu höheren Frequenzen schnell steigende Empfindlichkeit unseres Gehörs kann es leicht passieren, dass die Oberwellen wahrgenommen werden, während es die eigentlich interessierende Grundwelle alleine nicht tun würde. Deswegen wurden mit Hilfe eines Neumann-Subwoofers KH 870, der im Auslasskanal des Rotary Subwoofers positioniert war, diese Oberwellen durch aktive Gegenkopplung mithilfe des phaseninvertiert eingespeisten Oberwellenspektrums des TRW-17 weit unter die Hörschwelle gedrückt.
Den mit Absicht erzeugten Infraschall gibt es natürlich auch, wobei seine Erzeugung gar nicht so einfach ist, wie Frank Hergert von der Hochschule Koblenz in seinem spannenden DEGA-Vortrag über technische Erfindungen, die den Klang von Pfeifenorgeln mit tiefsten Tönen bereichern, zeigte. Offene Orgelpfeifen müssen beispielsweise die halbe Wellenlänge besitzen, was bei 16Hz (C0, nur bei größeren Orgeln vorhanden) schon über 10m Länge bedeutet. Geschlossene Pfeifen können halb so lang sein, außerdem lassen sie sich falten, wie in einem Patent von Haskell beschrieben. Die Übergänge zu Helmholtz-Resonatoren und anderen Blasinstrumenten sind dabei durchaus fließend – so lässt sich durch Schließen des offenen Endes die Frequenz halbieren oder durch eine Reihe seitlich angekoppelter Kästen, deren Volumina per Magnetschalter an das Hauptvolumen angekoppelt werden, gleich acht verschiedene Töne spielen (Compton´s Polyphone).
Verstimmbare Resonatoren gibt es in vielfältigen Ausführungen – von den Okarinas (kleine Gefäßflöten mit einem Schnabel zum Anblasen und mehreren Fingerlöchern zur Abstimmung des Resonators) bis hin zu 8m³ großen Kuben in Form des „SubBassProtoTon“, dessen erstes Exemplar 1987 in Deutschland erbaut wurde. Darin kann man zu zweit sitzen und die Tonerzeugung von innen steuern, um in den körperlich erfahrbaren Genuss abgrundtiefer Frequenzen zu kommen. Ein Exemplar steht auch Besuchern des bis zu seiner Pensionierung vom deutschen Computermusik-Avantgardisten Johannes Goebel geführten EMPAC (Experimental Media and Performing Arts Center) des RPI (Rensselaer Polytechnic Institute) in Troy, NY zur Verfügung (siehe Bild).
Walk-in cubical organ pipe: Bietet zwei Leuten Platz zur Selbstbedienung: SubBassProTone im EMPAC des Rensselaer Polytechnic Institute (Abb. 9) (Bild: Rensselaer Polytechnic Institute)
Die Grundschwingung einer C0- oder gar C-1 -Orgelpfeife reicht pegelmäßig nur im Nahfeld aus, um selber wahrgenommen zu werden. Allerdings erzeugen solche „32-Foot“ bzw. „64-Foot“ hohe Pfeifen ja auch Oberwellen mit hörbarer Lautstärke und verleihen den gespielten Tönen durch Amplitudenmodulation eine gewisse Rauigkeit. Außerdem können durch Nichtlinearitäten Differenztöne gebildet werden.
Die größte Orgel der Welt mit 33.112 Pfeifen, zu denen auch eine „64-foot“ für 8Hz gehört, wurde in den Jahren 1929-1931 in der berühmten Boardwalk Hall (früher: Atlantic City Convention Hall) mit ursprünglich 41.000 Sitzplätzen in Atlantic City (New Jersey) eingebaut. Vom Orgelbauer Sam Hovsepian ist überliefert, dass bei der ersten Betätigung der „64-foot“ Monsterpfeife schallabsorbierende Leichtziegel aus dem Dach der Halle fielen, eine lose Niete eines Stahlträgers in der Mitte des Dachs ein Rattern wie von einem Maschinengewehr erzeugte und die Feuerschutztüren ebenfalls Probleme machten. Sie wird deshalb hauptsächlich nur für Vorführzwecke verwendet.
Zur Diskussion der Themenfelder rund um Infraschall lud die DEGA (Deutsche Gesellschaft für Akustik) im September 2022 zum Seminar „Infraschall und tieffrequenter Schall“ ein. Die Vortragsreihe, aus der wir hier berichten, bestand aus einer Reihe Beiträge aus den verschiedensten technischen und auch biologischen Bereichen. Zu den Themen und Fachausschüssen der DEGA mit Sitz in Berlin gehören beispielsweise der Arbeitsring Lärm, Bau- und Raumakustik, Elektroakustik und Fahrzeugakustik, aber auch Ultraschall und Virtuelle Akustik.
