schallwirkungen beim Menschen - Müller

4
----schallwirkungen beim Menschen
C.
MASCHKE
und U.
WIDMANN
4.1 Physiologische Aspekte
4.1.1 Ohr
.r
Das Ohr wird anatomisch in Außenohr, Mittelohr
und Innenohr unterteilt. Das Außenohr umfasst
die Ohrmuschel und den Gehörgang. Eine dünne
Membran, die Trommelfell genannt wird, trennt
das Außenohr vom Mittelohr.
Das Mittelohr ist ein luftgefüllter Hohlraum
(Paukenhöhle), in dem sich zur Schallleitung drei
Gehörknöchelchen (Hammer, Amboss, Steigbügel) befinden. Der Luftdruck im Mittelohr muss
an die Luftdruckveränderungen im Außenraum
angepasst werden können. Deshalb besteht eine
schlauchartige Verbindung (Eustachsche Röhre)
zum Rachenraum. Beispielsweise beim Schlucken oder Gähnen findet so ein Druckausgleich
statt. Der Hammergriff ist mit dem Trommelfell
Bogengänge
..-.
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•~. Knochen •
tI,
• • ».
;).
••
•
.•
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':.'
Abb.4.1 Anatomie des Außen-, Mittel" und Innenohres (Quell~:Uridsay 1977)
4.1 Physiologische Aspekte
81
1....
I.
.:
I
Sn
verwachsen und überträgt die Schallschwingungen des Trommelfells auf Amboss und Steigbügel, der wiederum mit dem ovalen Fenster
(Innenohr) verwachsen ist. An den Gehörknöchelchen setzen zwei Muskeln an, die als Trommelfellspannmuskel bzw. Steigbügelmuskel bezeichnet werden. Sie können über den akustischen Reflex eine Verminderung der Schallleitung bewirken.
Bewegungen des ovalen Fensters werden auf
die Lymphflüssigkeit des Innenohres (Cochlea)
übertragen. Das Innenohr ist in 2,5 Windungen
schneckenförmig aufgewickelt und in drei Bereiche (Scalen) unterteilt. Die Scala vestibuli, die
Scala tympani und die Scala media werden durch
die Basilarmembran bzw. die Reissnersche Membran voneinander getrennt. Die Scala media ist
mit Endolymphe gefüllt. Die beiden anderen Scalen, die an der Spitze der Schnecke ineinander
übergehen (Helicotrema), enthalten Perilymphe.
In der Perilymphe sind überwiegend Natriumionen vorhanden, in der Endolymphe dagegen
Kaliumionen. Diese unterschiedliche Ionenkonzentration dient als "Batterie" für die in den
Schallrezeptoren stattfindenden bioelektrischen
Vorgänge.
Auf der Basilarmembran befindet sich das
Cortische Organ, in dem die Schallrezeptoren,
die so genannten Haarzellen, eingebettet sind.
Die Haarzellen bestehen aus einem ZeIlkörper
und Sinneshärchen, die als Stereozilien bezeichnet werden. Eine Auslenkung der Basilarmembran durch Bewegungen der Lymphflüssigkeit
führt zu einer Scherbewegung der Stereozilien
und bewirkt eine Ausschüttung von Botenstoffen
in den synaptischen Spalt. Ist die Konzentration
von Botenstoffen ausreichend, so werden bio_
elektrische Impulse (Aktionspotentiale) in der
angrenzenden Nervenzelle ausgelöst. Die Anzahl
der pro Zeiteinheit in der Hörbahn ausgelösten
Aktionspotentiale kodiert die Lautstärkewahr_
nehmung (z.B. [Zwislocki 1969]).
Aufgrund der Dämpfungseigenschaften der
Basilarmembran haben die Wellenbewegungen
im Innenohr ihr Maximum an unterschiedlichen
Orten der Basilarmembran, und zwar abhängig
von der Frequenz des Schallereignisses. Durch
hohe Frequenzen ausgelöste Wanderwellen
steilen sich bereits in der Nähe des ovalen Fensters auf. Die Maxima tiefer Frequenzen liegen
in der Nähe der Schneckenspitze. Aufgrund dieser Frequenz-Orts-Transformation ist das Ge.
hör in der Lage, Tonhöhen zu entschlüsseln
[Bekesy 1960].
Die mechanischen Eigenschaften der Basilarmembran reichen jedoch nicht aus, die hohe Fre.
quenzauflösung des Hörens zu erklären. Es iSI
nach heutigem Kenntnisstand von aktiven Pro.
zessen in der Cochlea auszugehen. Untersuchun.
gen von BrowneIl (1986) zeigten, dass die äuße·
ren Haarzellen die Fähigkeit besitzen, Kontrak·
tionen im kHz-Bereich durchzuführen und so dü
Auslenkung der Basilarmembran auf einem klei·
nen Gebiet zu verstärken.
4.1.2 Hörbahn
Die Hörbahn umfasst Nervenfasern, die Nerven
impulse aus dem Innenohr zur Hörrinde leitel
(afferente Hörbahn), und Nervenfasern, die Im
pulse von höheren Verarbeitungsebenen an nied
Draufsicht auf die Schnittebene
Abb.4.2 Schematische Darstellung des Mittel- und Innenohres (nach lindsay1977)
82
4 Schallwirkung beim Menschen
· re Verarbeitungsebenen und zurück an das
[lgeeno hr senden (efferente Hörbahn).
InnFür die exrraaurale Wirkung von Schall ist die
fferente Hörbabn von besonderer Bedeutung.
~, n dieser afferenten Hörbabn zweigen auf vervO
biedenen Verarbe'ltungsebenen Nervenfasern
s~ und stellen direkte Verbindungen mit anderen
~unktionssystemen her. Dies ist der direkte Weg
der Schallaktivierung.
Die afferente Hörbahn ist stark vereinfacht
mit ihren Verarbeitungsebenen und den Übergänuen zu anderen Funktionssystemen in Abb. 4.3
daruestellt.
Die erste Verarbeitungsstation nach dem
Innenohr (I) sind die Nuclei cochlearis (2) (Hörkerne). Hier teilt sich die Hörbabn und führt zu
unterschiedlichen Arealen.
Ein Strang führt zur lateralen Olive (3). Der
Hauptstrang führt zu der Olive, die dem erregten
Ohr gegenüberliegt (kontralaterale Seite). Ein
dritter Strang verlässt die Hörbahn und endet in
der Formatio reticularis. Bei ihr handelt es sich
um eine Zellformation, die sich vom Rückenmark bis in das Mittelhirn erstreckt. Über die
Formatio reticularis wird der Aktivierungszustand
bzw. der Schlaf-Wach-Rhythmus gesteuert.
Über die seitliche Schleifenbabn (Lemniscus
lateralis) führt die Hörbabn weiter zur Vierhügel-
-~
Abzweig zu anderen
Funktionssystemen
region (4). In diesem Bereich findet die Frequenz- und Intensitätsauflösung statt. Es wird der
Hörereignisort (Lokalisation) gebildet und es
können Reflexe ausgelöst werden. Die Hörrinde
(6) ist letzte Station der afferenten Hörbahn. Sie
wird über den mittleren Kniekörper (5) erreicht
und ist für die bewusste Wahrnehmung, das Hörereignis, verantwortlich.
Im Bereich des mittleren Kniekörpers bestehen direkte Abzweigungen von der Hörbahn zum
Mandelkern (Amygdala) und zum Hypothalamus. Der Mandelkern zeichnet sich durch eine
außergewöhnliche Lernfähigkeit hinsichtlich
aversiver Schallreize aus (Furchtzemrum). Er
kann sich bei häufig wiederholter Reizung so verändern, dass der gesamte Organismus sensibler
auf aversive Geräusche reagiert [Spreng 2000].
Im Endstadium liegt dann ein sehr schnelles und
grobes Verarbeitungsmuster vor, welches auf bekannte akustische Reize (z.B. Flugzeugschalle)
mit direktem Zugriff auf vegetative und hormonelle Funktionseinheiten sowie auf emotionale
Bereiche reagiert (Konditionierung). Es ist hinzuzufügen, dass dieses derart gebahnte Verarbeitungsmuster auch während des Schlafs nahezu
voll aktiv ist.
Ebenen der
neutralen Verarbeitung
bewusste
Amygdala
Wahrnehmung
Hypothalm-u-s--+~~--"""~:---~~-~-i"""+---r-e7'la""ti:--ve
Reflexe
Formatio
retikUlaris--~4-:--~..:::*~r.,..
Schwellen
Auflösung
Intensität
Frequenz
Lokalisation
~
Abb.4.3 Afferente Härbahn (nach WHO 2000) .
:i"
4.2 Die Wahrnehmung
.,
-,
83
~~
'·':'_'id
.......lo_ _......
4.2 Wahrnehmung
Die akustische Wahrnehmung ist die spezifische
Wirkung eines Schallereignisses, die auch als
Hörereignis bezeichnet wird. Sie lässt sich in verschiedene Wahmehmungskomponenten (Dimensionen) aufteilen, vergleichbar etwa mit der Aufteilung der Geschmackswahrnehmung in bitter,
süß, salzig und sauer.
Gut erforscht sind die dominanten Wahrnehmungskomponenten Tonhöhe und Lautheit [Zwicker & Fastl1990], die ein Hörereignis aber nicht
vollständig beschreiben. Komponenten der Hörwahrnehmung, die nicht durch Tonhöhe und
Lautheit erfasst werden, wurden in der Vergangenheit oft unter dem Begriff der Klangfarbe zusammengefasst [Letowski 1992; Schouten 1968;
Benedini 1979]. Heute werden weitere psychoakustische Wahrnehmungsgrößen wie Schärfe
[Aures 1985b; v. Bismarck 1974], Rauhigkeit
[Fast! 1977; Aures 1985c] und Schwankungsstärke [Zwicker & Fast! 1990] definiert. Diese
Hörempfindungen können vom Gehör unabhängig voneinander beurteilt werden. Es wurden
Funktionsmodelle erarbeitet, mit denen die jeweilige Hauptwahrnehmungskomponente allgemeingültig aus den physikalischen Kenngrößen
des Schallereignisses abgeleitet werden kann.
Die Wahmehmung wird aber zu einem nicht
unerheblichen Teil durch die situativen Gegebenheiten und durch die mit den Geräuschen verknüpften Assoziationen (Emotionen) bestimmt.
Allgemeingültig können die bisher genannten
psychoakustischen Parameter z.B. die "Angenehmheit" eines Geräusches nur unbefriedigend
erklären [Johannsen 1997].
In den letzten Jahren beschäftigten sich daher
viele Arbeiten rnit der Erfassung der akustischen
Qualität von definierten SchaIIereignissen bzw.
SchaIlfeldern, z.B. Warnsignalen bzw. Autoinnenräumen. Die Ergebnisse dieser Arbeiten sollen dazu führen, die SchaIIimmissionen hinsichtlich ihrer Akzeptanz zu erhöhen oder in ihrer
Wirkung zu optimieren. Speziell in der Automobilindustrie hat sich "product sound quality"
etabliert [Blauert 1986; Blauert, Jekosch 1997;
Widmann 1998].
Spezielles Ziel ist es, dass das Geräusch vom
unvoreingenommenen Kunden mit wichtigen
Kriterien wie Solidität und Wertigkeit des Produkts in Verbindung gebracht wird. Auch die Verbesserung der sprachlichen Kommunikation
(z.B. im Fahrzeuginnenraum) ist wichtiges Entwicklungsziel im Sound-Design. Die Sprachqua-
84
4 5challwirkung beim Menschen
lität hängt im Wesentlichen von Pegel und Spektrum der Sprache und der Störgeräusche ab. Aber
auch die Artikulation, das Hörvermögen, Blickkontakt zwischen Sprecher und Zuhörer oder
Halligkeit des Raumes spielen eine Rolle.
4.2.1 Allgemeingültige psychoakustische
Ansätze
Die in diesem Abschnitt beschriebenen Wahmehmungsgrößen sind durch eine Wahrnehmungsfunktion eindeutig mit einer oder mehreren Reizgrößen verbunden. Sie gehen, mit Ausnahme der
Dichte, auf Arbeiten der "Münchner Schule" um
Zwicker und Fast! [Zwicker 1982; Zwicker &
Fast! 1990] zurück und wurden aus Hörversuchen ermittelt. Vertiefende Darstellungen findet
der interessierte Leser z.B. in [Aures 1985a, b, c;
v. Bismarck 1974a, b; Heldmann 1994; Terhardt
1981, 1998].
4.2.7.7 Lautstärke
Die Wahrnehmung der Lautstärke hängt vom
Schalldruckpegel, von der Frequenz, von der
Bandbreite des SchaIlereignisses und von Verdeckungseffekten ab.
Für Töne oder schmalbandige Geräusche
kann die frequenzabhängige Lautstärkewahrnehmung des Menschen bei der Pegelbildung berücksichtigt werden, indem die Messwerte anhand der Kurven gleicher Lautstärke korrigiert
werden. Dieser frequenzbewertete Pegel wird als
Lautstärkepegel Ls bezeichnet und erhält die Einheit phon (DIN 1318). Für breitbandige Geräusche sind Hörversuche zur Ermittlung des Lautstärkepegels notwendig. Dem Lautstärkepegel
wird im Hörversuch ein Zahlenwert zugeordnet,
der mit dem SchaJIdruckpegel eines gleich lauten
1-kHz-Tones identisch ist (vgI. Kap. 5).
Oberhalb von 40 phon bedeutet eine Zunahme
des Lautstärkepegels um 10 phon ungefähr eine
Verdoppelung der subjektiv empfundenen Lautstärke. Werden 40 phon = 1 gesetzt, so erhalten
50 phon den Wert 2, 60 phon den Wert 4, 70 phon
den Wert 8 usw. Diese Lautstärkeskalierung wird
als Lautheit N mit der Einheit sone bezeichnet.
Zusätzlich zum SchaIIdruckpegel und der
Frequenz ist die Lautheit auch von der Bandbreite eines Signals abhängig. So führt eine Vergrößerung der Bandbreite zu einer Erhöhung deI
Lautheit, wenn der Frequenzumfang des SchaU·
Tabelle 4.1 Reizgrößen und Wahrnehmungsgrößen. In der linken Spalte sind dominante physikalische Parameter (Reizgrößen), in der rechten Spalte die psychoakustischen Komponenten der Wahrnehmung aufgelistet, (vorgeschlagene) Einheiten sind in eckigen Klammern vermerkt.
Dominante Reizgrößen
Wahrnehmungsgrößen
Schalldruckpegel [dBJ
Lautheit [sone]
Lautstärkepegel [phon]
Frequenz [Hz]
Tonheit [Bark]
Verhältnistonhöhe [mel]
Modulationsgrad [%]
Modulationsfrequenz [Hz]
Rauhigkeit [asper]
Frequenz [Hz]
Schärfe [acum]
Modulationsgrad [%]
Modulationsfrequenz [Hz]
Schwankungsstärke [vacil)
Spektrale Komponenten [dBJ
Ausgeprägtheit der Tonhöhe
Klanghaftigkeit [dB]
Impulsdauer [s]
subjektive Dauer
Impulshaftigkeit [IU]
Schalldruckpegel [dB]
Frequenz [Hz]
Dichte [dasy]
ereignisses die Frequenzgruppenbreite überschreitet. Die Frequenzgruppenbreiten (!'J.jü)
können oberhalb von 500 Hz relativ gut durch
Tenbänder angenähert werden.
Ein Ton oder ein Geräusch kann durch ein
zweites Schallereignis in seiner Lautheit vermindert werden (Drosselung) oder es wird nur noch
das lautere Schallereignis wahrgenommen (Verdeckung). Um die Abhängigkeiten der Verdeckung zu untersuchen, bedient man sich der
Messung der Mithörschwelle. Die Mithörschwelle gibt denjenigen Schalldruckpegel des Testschalles (meist ein Sinuston) an, den dieser haben
muss, damit er neben dem Störschall gerade noch
100;-~-~~-~~----~--....-;;,....,
50
sone
20
10
5
N
2
1
0,5
L1kHz _ 40
dB
10
2
h
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....:/'~/-+-_ _ N'kH'
0,2
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= ~ (/,,,",)0,3 =
16
/0
0,1 / /
0,050
10
20
30
40
50
60
70 dB
90 100110
L'kHz -------Abb.4.4 Lautheitsfunktion für einen l-kHz-Ton (durchgezogene Linie). Oberhalb von 40 dB entspricht eine Erhöhung
von 10 dB einer Verdoppelung der empfundenen Lautstärke. Unterhalb von 40 dB genügen niedrigere Schällpegeldifferenzen zur Verdoppelung der lautstärkewahrnehmung (Quelle: Zwicker19B2, S. 81)
4.2 Die Wahrnehmung
85
20
o
0,02
0.05
0.1
0,2
0.5
2kHz
5
10
'T-
20
Abb. 4.5 Mithörschwelle (MHS) von Sinustönen. verdeckt durch Schmalbandrauschen unterschiedlichen Pegels LG bei
1 kHz-Mittenfrequenz. Die Mithörschwellen steigen von tiefen Frequenzen her kommend steiler an, als sie nach hohen
Frequenzen hin abfallen. Nach höheren Frequenzen hin zeigt sich die pegelabhängige "nichllineare Auffächerung" der
oberen Flanke (Quelle: Zwicker 1982. S. 41).
wahrgenommen werden kann, d. h. gerade noch
mitgehört wird.
Soll die Lautheit eines Schallereignisses aus
den physikalischen Kenngrößen bestimmt werden, so müssen Frequenzgruppenbildung, Verdeckung und Drosselung berücksichtigt werden.
Ein Verfahren, das die Funktionsweise des
menschlichen Gehörs für stationäre Geräusche
umfassend berücksichtigt, ist die Berechnung der
Lautheit nach Zwicker. Eine aktuelle Version der
Lautheitsberechnung enthält DIN 45 631 für PCs.
Ein C-source-Code zur weiteren Verwendung
findet sich bei Widmann (1994).
Bei instationären Schallen muss das Lautheitsmodell erweitert werden [Zwicker 1977], da
hier zeitliche Verdeckungseffekte, insbesondere
die Nachverdeckung [Zwicker 1984] berücksichtigt werden müssen.
Aktuelle Lautheitsmodelle für instationäre
Schalle unterscheiden sich insbesondere in der
Simulation der Nachverdeckung [Widmann et al.
1998; FastI, Schmid 2001]. Die Normung auf
diesem Gebiet ist noch nicht abgeschlossen.
4.2.7.2 Tonhähe
Die Tonhöhenwahrnehmung von Sinustönen ist
neben dem Pegel im Wesentlichen von der Frequenz abhängig. Durch Experimente mit reinen
Tönen kann folgende Wahrnehmungsfunktion er-
86
4 Schallwirkung beim Menschen
mittelt werden (Abb. 4.6). Für einen 125-Hz-Ton
wird die Verhältnistonhöhe H mit 125 mel definiert.
Bis ca. 1 kHz wird eine Verdoppelung der Frequenz als Verdoppelung der Tonhöhe empfunden.
Darüber sind größere Frequenzsprünge notwendig, um eine Tonheitsverdoppelung zu bewirken.
Ein interessantes Phänomen stellt die so genannte virtuelle Tonhöhe dar. Diese entsteht
dadurch, dass das Gehör bei komplexen Schallen aus den vielfach vorhandenen Spektraltonhöhen eine virtuelle Tonhöhe ermittelt [Zwicker
1982].
4.2. 7.3 Ausgeprägtheit der Tonhähe
Die Ausgeprägtheit der Tonhöhe (piteh strength),
von einigen Autoren auch als Tonalität bezeichnet
[Terhardt et al. 1981], bezeichnet die Wahrnehmung der Tonhaltigkeit eines Schalles. Ein Sinuston wird stark tonal wahrgenommen. Andere Signale, z.B. Klänge oder Hochpassrauschen, werden weniger stark tonal bzw. nur noch schwach
tonal wahrgenommen. Für diese Wahrnehmungsgröße ist es bislang nicht gelungen, ein allgemeingültiges Funktionsmodell zu formulieren. Lediglich für einfache Schalle gibt es Vorschriften zur
Bestimmung der Tonhaltigkeit von Geräuschen
(DIN 45681). Aus diesem Grund wurde der Tonhaltigkeit bisher keine Einheit zugewiesen.
o
-1
5000
me I
2
4
3
H-
5
h
6 Okt. 7
5
mel
Okt.
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I
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I
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I
50
50
I
100 131 200
500 Hz 1
2
5
10 kHz 20
f-
Abb.4.6 Tonhöhenwahrnehmungsfunktion (Quelle: Zwicker 1982, S. 58), Aufgetiagen ist hier die Funktion, die zu einer
Frequenz f, (Abszisse) die Frequenz des Tones fIl2 (Ordinafe) angibt, welcher die doppelte Tonhöhenwahrnehmung hervorruft. Die gestrichelt eingetragene' Kurve entspricht der Verhältnistonhöhe H in mel.
..
z
-
12=---__1:.;:5=---_-=2",0"'B""o'-'rk-'----'Z"lL.
100;:-_ _4.;-_ _.:;:.8_ _----'r
ocum
LN = 60 phon
5
(go
1
s
=10kHz; F(fgu )
-----
Z
--- ---
·f~u=O.2kHZ;
0.5
0.5
1
2
fgu - - - - - f m -
F(fgol
510kHz
fgo··· .. ··-
Abb.4.7 Die Schärfe von Schmalbandrauschen (durchgezogen), Tiefpassrauschen (punktiert) und Hochpassrauschen
(gestrichelt) als Funktion der Mittenfrequenz Fm' der oberen Grenzfrequenz {go bzw. der unteren Grenzfrequenz {gu (Quelle:
ZWicker 1982, S. 84)
bn
4.2 Die Wahrnehmung : 8 7 1 .
"
:,;",11
~.:!i·..
1984; Zwicker, Fast11990] und sind heute in modernen Simulationssystemen verfügbar.
Im Allgemeinen kann die Ausgeprägtheit
komplexer Schalle nur aus Hörversuchen abgeleitet werden.
4.2.1.5 Klanghaftigkeit
4.2. 1.4 Schärfe
Für die Klanghaftigkeit werden nach Aures
(1985 a, c) aus dem Amplitudenspektmm eines
Signals zwei Komponenten extrahiert. In dem einen befinden sich alle tonalen bzw. Schmalbandanteile, in dem anderen die Rauschanteile. Die
Differenz des Gesamtpegels beider Spektren in
dB wird nach Tonhöhenkorrektur und Korrektur
der Verdeckungsphänomene als Maß für die
Klanghaftigkeit definiert. Es soll ein Zusammenhang zwischen der Klanghaftigkeit und dem sensorischen Wohlklang bestehen. Der sensorische
Wohlklang setzt sich nach Aures (1985 c) aus der
Rauhigkeit, der Schärfe, der Klanghaftigkeit und
der Lautheit zusammen.
Die Schärfe eines Schallereignisses hängt von
seiner Frequenzzusammensetzung ab (Abb. 4.7).
Grundsätzlich ist die Schärfe um so höher, je
mehr hohe Frequenzen im Signal enthalten sind.
Einem Schmalbandrauschen (/:;.f::; /:;.f~) der Mittenfrequenz 1 kHz mit einem Schalldruckpegel
von 60 dB wird definitionsgemäß eine Schärfe
von 1 acum zugeordnet.
Für breitbandigere Schalle hängt die Schärfe
von der Bandbegrenzung bei tiefen und insbesondere bei hohen Frequenzen ab. Ob das Spektrum einen kontinuierlichen Verlauf hat
oder aus Linien zusammengesetzt wird, hat kaum
einen Einfluss auf die Schärfe. Aus den Ergebnissen kann abgeleitet werden, dass der Faktor,
der am meisten zur Schärfe beiträgt, die Verteilung
der spektralen Hüllkurve eines Schalles ist.
Besonders interessante Anwendungsmöglichkeiten der Schärfe ergeben sich im Sound-Design
dadurch, dass es möglich ist, durch Zurnischen
tieffrequenter Schallanteile die Schärfe von
Schallen zu erniedrigen. Obwohl dadurch die
Lautheit etwas ansteigt, wird häufig das Klangbild wegen der geringeren Schärfe bevorzugt
[Widmann 1998].
Mehrere Funktionsmodelle der Schärfe wurden vorgeschlagen [v. Bismarck 1974; Aures
asper
t
fm =1kHz
fmod=70Hz
4.2.1.6 Rauhigkeit
Die Rauhigkeit ist eine Wahrnehmungskomponente, die insbesondere bei frequenz- und bei
amplitudenmodulierten Schallen hervortritt.
Für einen l-kHz-Ton mit einem Pegel von
60 dB, der mit einer Modulationsfrequenz von
70 Hz und einem Modulationsgrad von 1 amplitudenmoduliert ist, wird eine Rauhigkeit von
I asper definiert.
Die empfundene Rauhigkeit von modulierten
Tönen ist stark von der Trägerfrequenz, der Mo-
asper
0.5
m= 1
0.5
R
0.2
0,1
Oj
7'
0,2
r
0,2
0.5
m
..•.
0,1
'I
..
10
20
50
m
fmod
..
200Hz 400
Abb.4.8 Rauhigkeit R (Quelle: Zwicker 1982. 5.107). Rauhigkeit eines harmonisch amplitudenmodulierten Tones in Abhängigkeit vom Modulationsgrad m und der Modulationsfrequenz fmo<!. Die MittenfrequeriZ fm ist hier Parameter
88
4 Schallwirkung beim Menschen
dlilationsfrequenz und dem Modulationsgrad abhängig (s. Abb. 4.8). Die Abhängigkeit vom
Schalldruckpegel ist weniger stark ausgeprägt.
Erst eine Erhöhung des Schalldruckpegels um ca.
40 dB bewirkt eine Verdoppelung der Rauhigkeit.
Bei Frequenzmodulationen treten höhere Rauhigkeitswahmehrnungen auf als bei der Amplitudenmodulation.
4.2.1.7 Schwankungsstärke
Bei Schallsignalen mit zeitlich schwankender
Hüllkurve, z. B. amplituden- oder frequenzmodulierte Schalle, bei denen die Modulationsfrequenz maximal 20 Hz beträgt, wird keine Rauhigkeit des Schalls wahrgenommen, sondern eine
Fluktuation. Einem l-kHz-Ton mit einem Schalldruckpegel von 60 dB, der mit einem Modulationsgrad von I und einer Modulationsfrequenz
von 4 Hz amplitudenmoduliert wird, wird daher
eine Schwankungsstärke von 1 vacil zugeordnet
[Zwicker, Fastl1990]. Bei einer Modulationsfrequenz von 4 Hz ergibt sich sowohl für die Amplitudenmodulation als auch für die Frequenzmodulation die maximale Schwankungsstärke (s.
Abb.4.9).
Die Hörempfindung Schwankungsstärke ist
insbesondere im Hinblick auf die Lästigkeit von
Schallen von Bedeutung. Sie ist in Alarmsignalen
100
Ql
%
-"
:ro 80
besonders ausgeprägt, die zusätzlich laut, scharf
und tonal sein sollten.
Bei modulierten Schallen ergeben sich wegen
der zeitlichen Verdeckungseffekte Mithörschwellen-Periodenmuster. Die Modulationstiefe des
Mithörschwellen-Periodenmusters spielt bei der
Erklärung von Hörempfindungen, wie Schwankungsstärke und Rauhigkeit (s. Absch. 4.2.1.6),
eine zentrale Rolle [FastlI977; Fastl1982; Widmann, Fastl1998].
Mithörschwellen-Periodenmuster sind in der
Praxis besonders wichtig, weil wegen der nichtlinearen Auffächerung der oberen Verdeckungsflanke sich periodische Änderungen tieffrequenter Schallanteile insbesondere bei mittleren
und hohen Frequenzen auswirken. Damit können
tieffrequente Schalle als Störschalle (z. B. Sprache) periodisch modulieren und die sprachliche
Kommunikation stören. Weitere Anwendungsbeispiele sind die Geräusche, die bei bestimmten
Fahrgeschwindigkeiten und Öffnungswinkeln
des Schiebedachs oder der Fenster von Pkw auftreten können ("Wummern").
4.2.1.8 Weitere psychoakustische Wahrnehmungsgrößen
In einer Untersuchung von Heldmann (1994) wird
die psychoakustische Wahmehrnungsgröße Im-
AM
BBN
2
vocil
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1.5 -"
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(f)
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~
(f)
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4Hz
32
I
0.25
14Hz
32
0.25
t.Hz
32
Modulationsfrequenz
~bb. 4.9 Die Schwankungsstärke eines amplitudenmodulierten Breitbandrauschens (al, eines amplitudenmoduliNten
ones (b) und einesfrequenzmodulierten Tones (c) in Abhängigkeit von der Modulationsfrequenz.Die Ordinaten sind
~nterschiedlichskaliert. Für Frequenzmodülationen ergeben sich höhere Schwankungsstärken (Quelle: Zwicker & Fasil
~~~
.
.'
9 89
______4_.2_D_i_e_w_a_hr_ne_h_m_u_n_....J1L...-
':.·.•...•;;.....
1Itz.....
pulshaftigkeit definiert. Als Einheit wird TU (impetus unit) vorgeschlagen. 1 IU wird einem
l-kHz-Tonpuls mit der Impulsdauer von 20 ms
und einem Impulspegel von 73 dB zugeordnet,
dessen zeitliche Änderung der Einhüllenden gausförmig auf einer Zeitskala von 3,5 ms verläuft.
Die Dichte wurde von Guirao und Stevens als
psychoakustische Wahrnehmungsgröße definiert
[Guski 1996]. Sie ermittelten sowohl für die Frequenz als auch für den Schalldruckpegel einen
positiven Zusammenhang zur Dichte. Als Einheit
wurde das griechische Wort für Dichte "dasy"
vorgeschlagen. Ein l-kHz-Ton mit einem Schalldruckpegel von 40 dB hat nach dieser Arbeit eine
Dichte von 1 dasy. Für diese Wahrnehmungsgröße existiert noch kein anerkanntes Berechnungsverfahren.
4.2.2 Spezifische psychologische Ansätze
Eine Möglichkeit, Wahrnehmungsdimensionen
in definierten Situationen zu erforschen, eröffnen
psychologisch orientierte Ansätze. Hier steht neben Grundlagenforschung die "product sound
quality" im Vordergrund, wie sie z.B. in letzter
Zeit in Arbeiten von Kuwano et al. (1994, 1997)
und Namba et al. (1993) verfolgt wurde. Als
Untersuchungsmethode wird häufig ein "semantisches Differential" eingesetzt [Hashirnoto
1996; Kuwano et al. 1994; Takao et al. 1994]. Die
Ergebnisse liegen dann in Form von Geräuschattributen wie Erstklassigkeit oder Mächtigkeit
vor.
Untersuchungen der Wahrnehmung von Geräuschen mit dem semantischen Differential erfolgten bereits im Jahre 1958 durch Solomon. In
den letzten Jahren beschäftigten sich viele Arbeiten mit der Erfassung der akustischen Qualität
von einzelnen Schallereignissen bzw. Schallfel_
dern, z.B. mit Warnsignale oder dem Autoinnen_
raum.
4.2.3 Lokalisation
Das Gehör ist in der Lage, einem Hörereignis einen "Entstehungsort" (Hörereignisort) ZUZUordnen (Lokalisation). Im Allgemeinen wird die
Richtungsinformation aus den Pegel- und Frequenzunterschieden der Schalldruckverteilungen
am li nken und rechten Ohr abgeleitet. Bei der Lokalisati.on wird im Wesentlichen zwischen drei
Arten unterschieden:
Richtungshören in der Horizontalebene,
Richtungshören in der Medianebene,
Lokalisation des Hörereignisortes sowie Lokalisationsunschärfe; Entfernungshören.
Bei dem Entfernungshören ist die Vertrautheit
mit dem Schallereignis von großer Bedeutung.
Bei Sprache entspricht die Hörereignisentfernung recht gut der SchallquelJenentfernung. Bei
ungewohnter Sprechweise (z.B. Flüstern) ergeben sich bereits wesentliche Abweichungen. Eine
vertiefende Darstellung der Lokalisation findet
der Leser z.B. bei Blauert 1996.
"j.,
4.2.2.1 Semantisches Differential
9
Bei einer solchen Untersuchung muss die Versuchsperson Geräusche auf einer Skala zwischen
zwei gegensätzlichen Adjektiven (z. B. scharfstumpf) einordnen. Verwendet werden in der
Regel 7-stufige Skalen. Die Untersuchungen
werden mit verschiedenen (mehr als 10) Adjektivpaaren durchgefülut. Mit Hilfe von Dimensionsanalysen (Faktorenanalyse, Clusteranalyse)
werden die Komponenten der Wahrnehmung
(Faktoren) ermittelt, durch die sich ein großer
Teil der Varianz des gesamten Datensatzes erklären lässt.
Eine grundsätzliche Schwierigkeit dieser
Methode besteht darin, die gefundenen Faktoren
mit den Reizparametern der Geräusche zu verbinden.
9_0-l.1_4_sc_h_a_lIw_i_rk_u_ng_be_im_M_e_n_sc_h_en
CI)
c: m
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lii 6
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Ul
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CI)
.~
3
~
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J:
0,9
0:9
36m
Schallquellenentfernung
9
Abb. 4.10 Lokalisation zwischen. !-Jörereignisentfernung und Schallquellenentfernung bei unterschiedlichen Sprechweisen
.~
Verschmelzen zwei Schallereignisse zu einem
görereignis, dann wird der Hörereignisort durch
den Schall bestimmt, der als erster das Ohr erreicht
hat. Cremer bezeichnete diesen Effekt als "Gesetz
der ersten Wellenfront" [Cremer 1948]. Ohne diese Eigenschaft des Gehörs wäre die akustische
Orientierung in Räumen kaum möglich.
4.3 Gesundheitliche Beeinträchtigungen durch Lärm
Hohe Schalldruckpegel können das Gehör schädigen und zu riskanten neuro-vegetativen Reaktionsmustern führen. Lärm ist aber nicht einfach
ein physikalischer Reiz, sondern auch ein individuelles Erlebnis. Eine unzureichende Bewältigung kann ebenfalls zu inadäquaten Reaktionsmustern und schließlich zu Regulationsstörungen
führen. Regulationsstörungen sind als adverse
Effekte einzustufen, als Übergangsstadium von
Gesundheit zur Krankheit.
Die Einbeziehung des individuellen Erlebens
berücksichtigt die Tatsache, dass der Mensch
eine biopsychosoziale Einheit darstellt [von UexküIl1990]. Folglich sind gesundheitliche Beeinträchtigungen nicht nur organisch nachweisbare
. Schäden, sondern auch funktionelle Störungen
der psychischen und biologischen Prozesse, die
nicht voneinander getrennt werden können. Beeinträchtigungen der psychobiologischen ReguI<ltion äußern sich nicht selten als somatoforme
Störungen (Hecht et a1. 1998]. Darunter wird
.das Reflektieren von Störungen geistig-seelis.cher Prozesse (z. B. lTberfordenmgen, chronische
Lärmwirkungen, unterdrückte Emotionen, Dauerärger, häufiges Aufregen, soziale und Zeitkonflikte, Hilflosigkeit, Ausweglosigkeit, sich nicht
gegen Einflüsse wehren können usw.) in körperlichen Beschwerden (z.B. Kopfschmerzen,
Rückenschmerzen, Erschöpfung, Verdauungsstörungen, Herz-Kreislaufstörungen, Asthma, Hautkrankheiten, Impotenz) verstanden.
eine zu lange Einwirkdauer zu einer unphysiologischen Stoffwechsellage, treten Ermüdungserscheinungen an den Haarzellen auf (vg1. Abschn.
4.1), die zeitweilige oder bleibende Schäden
hinterlassen können. Infolge einer Beschallung
lässt sich demzufolge, abhängig von ihrer intensität und Dauer, eine verminderte Empfindlichkeit
der Schallrezeptoren in Form einer zeitweiligen
Anhebung der Hörschwelle messen. Die Differenz
zwischen der vor und nach der Schallexposition
gemessenen Hörschwellenpegel wird als TTS
(Temporary Threshold Shitt) bezeichnet.
Eine Abnahme der Hörfähigkeit mit dem Alter
wird als altersbedingter Hörverlust bezeichnet
und medizinisch mit dem Ausdruck Presbyacusis
belegt. Der altersbedingte Hörverlust ist ein allmählicher Prozess, der in den westlichen Industriestaaten mit einem Alter von etwa 30 Jahren
beginnt.
4.3.1.7 Kommunikationsstörung
Die Sprachverständlichkeit ist ein sehr empfindlicher Indikator für die Störwirkung von Lärm.
Das Ausmaß, in dem Kommunikationsschall
durch Störschall verdeckt wird, wird durch spezielle Messverfahren wie den Artikulationsindex
oder den Störgeräuschpegel LNA elfasst. Die
Störung hängt nicht nur von der Pegeldifferenz
und den Frequenzspektren der beiden Schalle ab,
sondern auch von der Deutlichkeit der Artikulation, dem Informationsgehalt des Textes und dem
Vorverständnis des Hörers, der Möglichkeit von
Sichtkontakt und den akustischen Verhältnissen
des umgebenden Raumes [Lazams et a1. 1985).
Kinder und Personen mit Hörstörungen werden
in ihrer Sprachverständlichkeit weit eher gestört
als Norrnalhörende [UBA 1990]. Bei breitbandigen Umweltgeräuschen ist die Sprachverständlichkeit praktisch nicht beeinträchtigt, wenn der
Störgeräuschpegel mindestens 10 dB(A) unter
dem Sprachpegelliegt [UBA 1990].
4.3.1 Aurale Beeinträchtigungen
4.3.1.2 Hörschaden (LärmschwerhörigkeitJ
Neben dem Hörschaden gehören Kommunikahonsst"
I'.
orung und Ohrgeräusche zu den markanten
~bedlOgten BeeinträChtigungen des Gehörs.
I nfolg e einer Beschallung mit genügend hoher
ntenSltät I'
.
St .
legt 1m Innenohr des Menschen ein geeIgener seh
k
seI
,Wer zu ompensierender Stoffwechvor. FÜhren eine zu hohe Schallintensität oder
Durch andauernde oder häufige Schalleinwirkung hoher Intensität kann sich eine nicht mehr
reversible Verschiebung der Hörschwelle (Hörverlust, Noise Induced Permanent Threshold
Shift: NIPTS) ausbilden. Der Hörverlust wird als
Pegeldifferenz zwischen der Hörschwelle des geschädigten Ohres und der Normalhörschwelle er-
4.3 Gesundheitliche Beeinträchtigungen durch lärm
91
mittelt (vgl. DIN45620 und DIN45630-2).
Überschreitet ein Hörverlust für ausgewählte
Frequenzen einen vorgegebenen Wert, so wird
der Hörverlust als Hörschaden oder Lärmschwerhörigkeit bezeichnet [VDI 2058-2; BG 1991].
Die VDI 2058 definiert einen Hörschaden als audiometrisch nachweisbaren Hörverlust im Innenohr, sofern bei 3000 Hz eine Hörminderung von
40 dB überschritten wird.
Die Lärmschwerhörigkeit führt in Deutschland noch immer die Liste der häufigsten anerkannten Berufskrankheiten an. Neben dem Arbeitslärm ist aber heute der Freizeitlärm, mit einer Gehörgefährdung durch Walkman-Benutzung und Diskothekenbesuche zu beachten. So
lassen die Schallpegel in Diskotheken und beim
Hören tragbarer Musikabspielgeräte sowie die
Nutzungsdauern von jungen Erwachsenen erwarten, dass nach 10 Jahren bei ca. 10% der heutigen Jugendlichen ein musikbedingter Hörverlust von mindestens 10 dB(A) auftreten wird
[Zenner 1999]. Da z. B. bei 40-jährigen Männern
bereits von einem altersbedingten Hörverlust
von ebenfalls etwa 10 dB auszugehen ist, sind
bei 10% der 40-Jährigen Hörverluste von 20 dB
und mehr zu erwarten, die in dieser Größenordnung die Kommunikation deutlich beeinträchtigen.
Außer dem sich allmählich aufbauenden lärmbedingten Hörverlust kann auch eine kurzfristige Überlastung des Gehörs durch extrem hohe
Schallintensitäten zu einem Hörverlust führen.
Hier sind insbesondere Spielzeugpistolen und
Schreckschusswaffen sowie Feuerwerkskörper
zu nennen. Die Spitzenpegelliegen zum Teil weit
über der Schädigungsschwelle für einmalige Ereignisse von L peak = 140 dB.
Ein vermindertes Hörvermögen muss als
starkes soziales Handikap eingestuft werden.
Schwierigkeiten bei der Sprachverständlichkeit
sind zuerst in lauter Umgebung (Selbstbedienungsrestaurants, Feste, laute Veranstaltungen)
festzustellen, später treten Schwierigkeiten auch
während Gottesdiensten, Theateraufführungen
und öffentlichen Sitzungen auf. Eine reduzierte
Hörfähigkeit kann teilweise durch ein Ablesen
der Mundbewegungen kompensiert werden,
ohne dass es dem Gehörgeschädigten bewusst
wird.
Hörverluste treten aber nicht nur durch eine
übermäßige Geräuschbelastung auf. In diesem
Zusammenhang sind z. B. Krankheiten, ototoxische Drogen, erbliche Faktoren und Entzündungen des Mittelohres im Kindesalter zu nennen.
92
4 Schallwirkung beim Menschen
4.3.7.3 Tinnitus (Ohrgeräusche)
Viele Menschen leiden unter Tinnitus, d.h. unter
Ohrgeräuschen, die z. T. als außerordentlich störend empfunden werden. Nach zwei Untersu_
chungen des amerikanischen National Center for
Health Statistics tritt in den USA der Tinnitus bei
32 % der Bevölkerung auf, bei 2 % der Bevölke_
rung ist er stark ausgeprägt. Aus England gibt es
ähnliche Daten [de Camp 1989]. Tinnitus kann
im bisher gesunden Gehör nach einer akustischen
Überbeanspruchung häufig in Verbindung mit einem Hörsturz auftreten und ist in der Regel ein
Zeichen für einen zumindest vorübergehenden
Hörverlust. Die Ursachen für den Tinnitus sind
noch nicht eindeutig erforscht, die Erklärungen
reichen "von mangelhafter Durchblutung" und
Schädigung der Haarzellen im Innenohr bis zu
Störungen in höheren Zentren der Hörbahn
[Feldmann 1971]. Tinnitus tritt verstärkt bei
Stress auf.
Üblicherweise werden durchblutungsfördernde Medikamente gegeben, die jedoch meist keinerlei oder nur einen kurzzeitigen Erfolg haben
[de Camp 1989]. In den letzten Jahren gibt es verstärkt Versuch den Tinnitus mit psychophysiologischen Methoden zu beeinflussen. Auch wird
versucht, mit zeitweiligen ,,Maskern" (z.B. über
Ohrhörer angebotenes Rauschen) den Wahrnehmungsprozess zu desensibilisieren.
4.3.2 Extraaurale Beeinträchtigungen
Parallel zur spezifischen Schallwirkung der Wahrnehmung kann Schall eine unspezifische Aktivierung des Organismus verursachen. Zunächst erfolgen diese Prozesse mit dem Ziel, die Anpassung
des Organismus an veränderte Situationen zu gewährleisten. Als Folge werden vegetative Reaktionen im Bereich des peripheren Kreislaufsystems
wie z.B. Abnahmen des galvanischen Hautwiderstands, der Hauttemperatur und der Fingerpulsarnplitude oder Änderungen der Herzschlagfrequenz
beobachtet [Neus et al. 1980; Jansen et al. 1980;
Rebentisch et al. 1994J sowie erhöhte Konzentrationen der Stresshormone wie Adrenalin und Cortisol in Körpelflüssigkeiten gemessen.
Das pathogenetische Konzept, das Lärmeinwirkungen mit Gesundheitsgefahren verbindet,
lehnt sich an bekannte Stressmodelle an. Es ist
medizinisch zwischen Eustress und DisstresS ZU
unterscheiden. Eustress ist ein leistungs- und gesundheitsfördernder Stress, Disstress eine Abart
'.. ;
Abb.4.11 Extraalirale Reaktionslinien (Quelle: nach Jansen 1992)
des Stress mit pathologischen Erscheinungsbildern. Eustress ist in der Regel zeitweilig. Bei
langfristiger Belastung oder immer wiederkehrender kurzfristiger psychobiologischer Übersteuerung (Disstress) können funktionale Störungen auftreten. Folglich ist nicht von einer spezifischen extraauralen Lärmkrankheit auszugehen.
Lärm wirkt als Stressor und begünstigt Krankheiten, die durch Stress mitverursacht werden. Das
können Herz-Kreislal1fkrankheiten aber auch
Psychische Störungen (Neurosen) sein.
4.3.2.1 Schlaf, Schiafstörungen und deren
Konsequenzen
Sehtaf'Ist kem
.
Zustand genereller motorischer,
sensorischer, vegetativer und psychischer Ruhe,
s~ndem besitzt eine komplexe Dynamik. Die
c arakteristischen Merkmale des menschlichen
Schlafs sind Periodik, Dynamik, veränderte Motorik und Sensorik sowie eine veränderte Bewusstseinslage. Durch die Aufzeichnung des
Elektroenzephalogramms (EEG), des Elektromyogramms (EMG) und des Elektrookulogramms (EOG) ist es möglich, den Schlaf in vier
NON-REM-Schlafstadien und den REM-Schlaf
(benannt nach den schnellen Augenbewegungen
"rapid eye movements" in diesem Schlafstadium) einzuteilen. Der Anteil der einzelnen
Schlafstadien am Gesamtschlaf ist weitgehend
altersspezifisch. Von bis zu 60% REM-Schlafanteil im Neugeborenenalter verbleiben dem Erwachsenen etwa 20%.
Die Zeitspanne vom Einschlafen bis zum
REM-ScWaf wird als REM-Latenz bezeichnet,
die Intervalle zwischen den REM-Phasen als
Schlafzyklen.
In Abb. 4.12 ist das Schlafzyklogramm eines
jungen gesunden Schläfers und der nächtliche
4.3 Gesundheitliche Beeinträchtigungen durch Lärm
93
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-
REM
- 81
- 82
- 83
- 84
____.. .LI.!. I_.u.II_......J....1.w11....JJu.I_--l-_ _.l.--...l.I.!..1
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I
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Abb.4.12 Typisches Schlafzyklogramm eines jungen. gesUnden Schläfers und nächtlicher Verlauf der Plasma-CortisolKonzentration sowie der Wachstumshormone. Die gestrichelten Kästchen kennzeichnen die REM-Schlafzeiten (Quelle: Born
2000)
Verlauf der Plasma-Cortisol-Konzentration und
der Wachstumshormone dargestellt.
Die für die Erholung des Menschen wichtigsten Stadien sind Stadium III & IV des NONREM-Schlafes (Deltaschlat) und der REMSchlaf. Der Deltaschlaf (tiefer Schlaf) ist für die
körperliche Erholung ursächlich, der REMScWaf (Traumschlaf) für die geistig-emotionelle
Erholung sowie für die kontinuierliche Vervollkommnung des individuellen Verhältnisprogramms, indem der Transfer vom Kurz- ins
Langzeitgedächtnis stattfindet.
Neben der biologischen ist auch die psychische Komponente des Schlafs zu beachten. Jegliche Störung des Nachtschlafs wird von den Menschen als etwas Unangenehmes, als ein Eingriff
in ihre Intimsphäre bewertet. Das Erwachen während des Nachtschlafs wird subjektiv als unan-
94
4 Schallwirkung beim Menschen
genehm erlebt und ruft negative emotionale Zustände hervor.
Auswirkungen von Lärm auf den Schlaf
Schlafstörungen werden in Beschwerden als besonders schwerwiegend beklagt. Die durch Lärm
hervorgerufenen Störungen lassen sich anhand
ihrer zeitlichen Folge in Primär- und Sekundärreaktionen unterscheiden.
Zu den Primärreaktionen gehören kurzfristige
Änderungen im EEG (Nullreaktionen), Verflachung der momentanen Schlaftiefe (Stadienwechsel) bis hin zu Aufwachreaktionen, Veränderungen der Schlafstadienverteilung, Verlängerungen der Latenzzeiten (insbesondere der Einschlaflatenz), Verkürzung der Gesamtschlafzeit,
Zunahme (Dauer) der Zeiten hoher Muskel an -
spannung (Körperbewe.gungen), aber auch vegetative Reaktionen wie Anderungen der Atemfrequenz, Änderungen der Hormonausschüttung,
Änderungen der peripheren Durchblutung.
Sekundärreaktionen sind reversible Beeinträchtigungen des Allgemeinzustandes nach dem
Erwachen. Zu ihnen gehören die Beeinträchtigung der physischen und der psychischen Verfassung, des Schlaferlebens, des Wohlbefindens, der
Leistung und der Konzentration.
Die Beeinträchtigung des Schlafes durch
Schall ist mit Veränderungen physiologischer
Größen verbunden. Die Empfindlichkeit der Indikatorsysteme fällt in der Reihenfolge EEG, ve"etativ-hormonelles System (Herzfrequenz, peri~here Durchblutung, Hormonsekretion) und motorisches Verhalten ab. Wiederholte oder andauernde Schallreize im Schlaf bewirken eine
Aktivierung des Nervensystems, die sich im EEG
bei intermittierenden Geräuschen als fragmentierter Schlafverlauf (Zerstörung der Schlafzyklen) bzw. bei quasi kontinuierlichen Geräuschen
als oberflächlicher Schlaf zeigt. Beide Geräuscharten führen zu einer Verkürzung der Tiefschlafzeiten (Stadien III & IV) der REM-Phasen und
einer Störung der Schlafpedodik. Neben den zentrainervösen Erregungsprozessen ist die veränderte Ausschüttung von Aktivierungshormonen
ein markantes Charakteristikum von Schlafstörungen. Stressorientierte Verkehrslärmuntersuchungen [Maschke 1992; Maschke et al. 1995;
Braun 1998; Ising et al. 2001] legen nahe, dass
die nächtliche Cortisolausscheidung durch Verkehrslärm gestört wird. Gleichzeitig sind das
SchlaferIeben und die morgendliche Befindlichkeit der Versuchspersonen verschlechtert.
Die schallbedingte Aktivierung kann bis hin
zum Erwachen führen. Abgesehen von physikalischen Besonderheiten der Störschalle - insbesondere Diskontinuität -, ist deren Informationsgehalt für den Schläfer bedeutsam. Die AlarmfUnktion des Gehörsinnes kann auch bei sehr leisen Geräuschen zum Erwachen führen wenn im
G ..
'
erausch eine unvertraute oder gar auf Gefahr
hindeutende Information enthalten ist (vgl. Abschn . 433
..). Umgekehrt kann Gewöhnung an
chronisch vertraute Geräusche soweit führen
dass
.
.. ein II nerwartetes Ausbleiben
zum Erwachen'
fUhrt (- B A
z. . usfallen planmäßiger seltener Zugvorbeifahrte
) B'
.
..
GJerausch n .. el. wemger ungewöhnlichen
em wesentlicher Anstieg der
A. nzahl den. tntt
A
40 IB
el ufgeweckten erst oberhalb von
e
von
auf. Bemerkenswert hohe Schallpegel
(A) und mehr können besonders von
96iB
Kindern überschlafen werden. Die Weckwirkung
ist nicht nur von der Höhe des Schallpegels abhängig, sondern auch von dessen Abstand zum
jeweiligen Grundgeräuschpegel.
Gnmdsätzlich muss die häufige Stönmg
physiologisch programmierter Funktionsabläufe
als gesundheitlich bedenklich gelten. Dies gilt
auch für die Aufwachreaktionen. Lärmbedingte
Wachphasen müssen als abnormal und langfristig
als Gesundheitsrisiko beurteilt werden. Andererseits ist eine grobe Störung physiologischer
Funktionsabläufe bereits unterhalb der Aufwachschwelle zu verzeichnen. Es ist daher wenig sinnvoll, allein aus einer mittleren experimentellen
Weckschwelle einen hygienischen Grenzwert für
den Schutz des Schlafes abzuleiten.
Nach den Empfehlungen der World Health
Organization [WHO 2000], soll ein äquivalenter
Dauerschallpegel nachts von Leg innen = 30 dB (A)
und Maximalpegel von Lmaxinnen = 45 dB (A)
nicht überschdtten werden, um Schlafstörungen
zu vermeiden. Vergleichbare Empfehlungen sind
auch dem interdisziplinären Arbeitskreis für
Lärmwirkungsfragen beim Umweltbundesamt
[UBA 1982] zu entnehmen. Ein nächtlicher äquivalenter Dauerschallpegel von 30 dB(A) am Ohr
des Schläfers und Maximalpegel unter 40 dB(A)
sind nach Ansicht des Arbeitskreises geeignet,
Schlafstörungen weitgehend zu vermeiden. Diese Richtwerte schützen nicht nur einen "Durchschnittsmenschen" vor lärmbedingten Schlafstörungen, sondern garantieren eine nächtliche Umweltqualität, die auch den lärmempfindlicheren
Mitgliedern der Gesellschaft Rechnung trägt.
Leistungsstörungen gehören zu den häufig genannten und als erheblich beklagten Lärmwirkungen. Grundsätzlich können alle mentalen
Leistungen und solche körperlichen Tätigkeiten,
die einer besonderen geistigen Kontrolle bedürfen, bereits durch Mittelungspegel ab 45 dB(A)
beeinträchtigt werden [Sust 1987]. Die Beeinträchtigung wird durch jede Art von Auffälligkeit
des Schallreizes verstärkt, durch intermittierenden, unvorhersehbaren Lärm, unregelmäßige
Pegelschwankungen, hochfrequente Anteile oder
besondere Ton- und Informationshaltigkeit des
Schallereignisses (z.B. Sprache).
4.3.2.2 Konzentrationsund Leistungsbeeinträchtigungen
In vielen Belastungssituationen wird die lärmbedingte Leistungseinbuße durch einen erhöhten
4.3 Gesundheitliche Beeinträchtigungen durch Lärm
95
Aufwand, z. B. zusätzliche Konzentrationsanstrengungen, kompensiert, so dass vorübergehend sogar Leistungssteigerungen auftreten können. Zahlreiche Untersuchungen belegen aber
eine Nachwirkung des Lärms über den Belastungszeitraum hinaus, die sich in Form erhöhter
Ermüdung oder herabgesetzter Konzentrationsfähigkeit und Belastbarkeit zeigen kann [UBA
1983].
4.3.3 Belästigung
Lärm ist für den Menschen nicht nur die Einwirkung eines physikalischen Reizes, sondern ein Erlebnis. Das Lärmerlebnis und die dabei ablaufenden veränderten Funktionen können sich als Belästigung nachhaltig in das Gedächtnis der Menschen einprägen. Belästigung bezeichnet daher
den Ausdruck negativ bewerteter Emotionen auf
bestimmte Einwirkungen aus dem äußeren und
inneren Milieu des Menschen. Belästigung drückt
sich z.B. durch Unwohlsein, Angst, Bedrohung,
Ärger, Ungewissheit, eingeschränktes Freiheitserleben, Erregbarkeit oder Wehrlosigkeit aus.
In das Belästigungsurteil (eng!.: annoyance,
auch mit Lästigkeit, Störung, Plage, Verdruss,
Ärger übersetzbar) gehen sowohl schallbezogene
Variablen (Mediatoren, Stimulusvariable) ein als
auch auf das exponierte Individuum bzw. die exponierte Gruppe bezogene Variablen, die als Moderatoren bezeichnet werden (vg!. Kap. 4.5). Als
bewusster Wahrnehmungsprozess zeigt sich die
Belästigung auch als Veränderung im vegetativen
und hormonellen Regulationsprozess [Cannon
1928; Simonow 1975; Felker et al. 1998). Lang
anhaltende starke Belästigung ist als Gesundheitsrisiko einzustufen.
Funktionale Beziehungen zwischen Belästigung (annoyance) und Lärmbelastung (exposure)
wurden international wiederholt untersucht und
sind z.B. von Miedema (1993) in einer MetaAnalyse zusammengefasst worden. Er untersuchte sowohl Transportlärm (Flug-, Straßen-, Eisenbahnverkehr) als auch stationäre Quellen (Industrie, Rangierbahnhöfe, Schießstände). Die ermittelten Dosis-Wirkungsbeziehungen sind Abb.
4.13 zu entnehmen.
Immissionswerte, die aus solchen Dosis-Wirkungsbeziehungen gewonnen werden, unter-
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20
40
80 dB (A)
Abb. 4.13 Prozentsatz stark belästigter Personen in Abhängigkeit von "L dn : Punkte, di~ niitdurchgetogenen Kurven
bunden sind, entstammen der vorliegenden Studie (Aaircraft, H highway, 0 other road traffic,Rrailway, I impulse
ces). Die Synthese'Kurve von Schultz (1978) ist gepunktet (Quelle: nach Miedema 1993)
96
4 Schallwirkung beim Menschen
ver-
heiden sich grundsätzlich von den umweltmebzw. ~hygi~nischen ~chwellen- und
Grenzwerten für mcht smnesvermlttelte Umweltfaktoren. Während die Schadstoffhygiene mit
Hilfe von No Observable Adverse Effect Level
(NOAEL), Acceptab~e ~aily Intake (~DI), Ma!lienal zulässige ImmissIOnskonzentration (MIK)
und ähnlichen dosisbezogenen Beurteilungsgrößen "Nullrisiken" und damit biologische Individualakzeptanz zu schaffen versucht, bleibt die
Lärmvorsorge auf die statistische Auswertung
von Belästigungsuneilen beschränkt. Das Schutzziel besteht in der sinnvollen Minimierung der
Zahl der Belästigten bzw. der Belästigungsintensität [Schuschke et al. 2001].
Im Allgemeinen wird der Bereich von 1015% stark Gestörter als nominale Schwelle für
eine lärmbedingte Belästigung angesehen, da der
Anteil der besonders Empfindlichen in der Bevölkerung ebenfalls zwischen 10 und 15 % liegt
[Griefahn 1985].
Das Deutsche Bundesimmissionsschutzgesetz
definiert die Belästigung als "schädliche Umwelteinwirkung", sofern sie "erheblich" ist. Bei
dem Versuch, umweltpsychologische Kriterien
zur ,,Erheblichkeit" von Belästigungen zu entwickeln, wurden von Verkehrslärm betroffene An. wohner nach ihren Vorstellungen über "Erheblichkeit" befragt, wobei eine Belästigungssitua!ion als erheblich eingestuft wurde, wenn der
Prozentsatz Belästigter 25 % oder mehr betrug. In
'ähnlicher Größenordnung liegt der Vorschlag von
Hörmann (1974), bei einem Prozentanteil "stark
Gestörter" von mehr als 25 % "sofortige Schutzmaßnahmen", von 10 bis 25 % "stark Gestörter"
"langfristige Gegenmaßnahmen", bis 10% "stark
Gestörter" hingegen keine Immissionsschutzmaßnahmen einzuleiten.
~~zinischen
4.3.4 Herz-Kreislauf-Krankheiten
Über zentralnervöse Prozesse beeinflusst der
Lärm entweder direkt oder indirekt über das subJektive Erleben (Störung, Belästigung) das neuroend oknne
. System. Als Folge werden Stoff~echselvorgänge beeinflusst und die Regelung
ebenswichtiger Körperfunktionen. Zu nennen
~;ld z.B. der Blutdruck, die Herztätigkeit, die
."utfette (Cholesterin, Triglyzeride, freie Fettsauren) d
sch
' er Blutzuckerspiegel und hämostatiei" e Faktoren (z.B. Fibrinogen), die die Fließ"enschaft d
V"k'
en es Blutes beeinflussen (Plasma., osn"t) [F .
a
nedmann et aL 1974]. Da es sich
dabei um klassische (endogene) Risikofaktoren
für Herz-Kreislaufkrankheiten handelt, wird
Lärm als (exogener) Risikofaktor für die Entwicklung von Bluthochdruck und Herzkrankheiten einschließlich Arteriosklerose und Herzinfarkt angesehen [VDI 2058-21988].
Nach vorliegenden Untersuchungen ist zu befürchten, dass das relative Risiko für Herzkrankheiten bei Personen aus Wohngebieten mit Verkehrslärmimmissionspegeln von tagsüber mehr
als 65 dB(A) erhöht ist, und zwar in einer Größenordnung von ca. 20 bis 30% [Ising et al.
1998]. Dieser Einschätzung schließt sich auch
der Rat von Sachverständigen für Umweltfragen
in seinem Sondergutachten "Umwelt und Gesundheit - Risiken richtig einschätzen" an, in dem
er einen Tagesimmissionspegel von 65 dB(A) als
Schwellenwert für mögliche lärmbedingte Infarktrisiken ansieht.
4.4 Nichtakustische Einflussgrößen
(Moderatoren)
Da Lärm ein psychophysikalischer Reiz ist, können Lärmwirkungen nicht allein durch die Intensität des Geräusches, d.h. durch SchaIlpegel, erklärt werden. Bevölkerungsuntersuchungen zeigen, dass z.B. maximal ein Drittel der Varianz
von Belästigungsurteilen unter Feldbedingungen
durch den äquivalenten Dauerschallpegel erklärt
werden kann [Guski 1987]. Ein Zugewinn der
Prädiktion individueller Belästigungsreaktionen
bei Verwendung psychoakustisch motivierter Geräuschindikatoren wurde in komplexen akustischen Situationen beispielsweise nach Schallschutzmaßnahmen oder in alpinen Regionen
nachgewiesen [Lercher et al. 1998].
Mit dem Konzept von "non acoustical factors"
können die individuellen Unterschiede weiter aufgeklärt werden. Die Lärmforschung geht heute davon aus, dass situative, personale und soziale Faktoren die Wirkung der akustischen Belastung beeinflussen, ohne selbst wesentlich durch die akustische Belastung beeinflusst zu werden.
Zu den wichtigsten situativen Moderatorvariablen gehört der (Tages-)Zeitpunkt der akustischen Belastung. Ergebnisse internationaler
Felduntersuchungen zeigen, dass Anwohner von
Lärmquellen Ruhe vor allem in der Nacht, in den
späten Abendstunden und am Wochenende (v. a.
sonntags) wünschen, und die Lästigkeit einer
Lärmquelle steigt, wenn sie nicht nur tagsüber,
sondern auch abends und nachts aktiv ist. So
4.4 Nichtakustische Einflussgrößen (Moderatoren)
97
Schallexposition (Schallpegel)
hoch
moderat
I
Direkte Wir/(ung
Q.direkte Wir/(ung
I
Hörverlust
Störung von
Aktivitäten, Schlaf,
Kommunikation
I--
--
Kognitive und
emotionale Reaktion
.I
....
."
Lärmbelästigung
Stressindikatoren
I
Physiologische Stressreaktionen (unspezifisch)
- Autonomes Nervensystem (Sympathikus)
- Endokrines System (Hypophyse, Nebenniere)
I
Ris.ikofaktoren
I
Fettstoffwechsel
Blutzuckerspiegel
Blutdruck
Herztätigkeit
Blutviskosität
Blutgerinnung
I
Krankheit
I
Herz-Kreislauf-Risiko
Hypertonie
Arteriosklerose
Abb.4.14 Wirkungsschema zum lärmbedingten
fterz~Kreislauf-Risiko
zieht Fields (1985) aus einer großen US-amerikanischen Untersuchung den Schluss, dass ein
24-Stunden-Tag grob in vier unterschiedlich
sensible Perioden eingeteilt werden sollte: die
Nacht (0 bis 5 Uhr), den Tag (9-16 Uhr) und
zwei Übergangsperioden. Er begründet diese
Einteilung vor allem durch die unterschiedlichen
Tätigkeitsintentionen der Betroffenen zu verschiedenen Tageszeiten. Zu ähnlichen Ergebnissen kommen auch Hecht et al. (1999). Sie verarbeiteten die in den letzten 35 Jahren publizierten
Tagesverläufe verschiedener Körperfunktionen
und kommen zu dem Schluss, dass der Organismus besonders in der Nacht und in der Übergangszeit zwischen Tag und Nacht empfindlich
auf Lärm reagiert.
98
4 Schallwirkung beim Menschen
Herzinfarkt
(Quelle: Babisch 2000)
Zu den wichtigsten personalen Moderatorvariablen gehört der Grad der individuellen Lärmempfindlichkeit. Schon McKennell (1963) konnte zeigen, dass Personen, die sich selbst als lärmempfindlich bezeichnen, deutlich stärker auf
Fluglärm reagieren als Personen, die sich selbst
als weniger lärmempfindlich bezeichnen.
Dagegen zeigen demographische Variablen
wie Alter, Geschlecht, Ausbildung und Hausbesitz in der Regel keinen systematischen EinfluSS
auf die Auswirkungen von Lärm. Allenfalls bei
Veränderungen der Lärmbelastung werden geringe Effekte berichtet [Hatfield et al. 1998a].
Auch wenn personale und soziale Faktoren
selten exakt voneinander getrennt werden können, schlägt Guski (1998 a, b) vor, solchen Fakto-
ren besondere Beachtung zu widmen, die sozialen Charakter haben, d. h. ganze Gruppen von
rvtenschen betreffen. Diese Faktoren spielen bei
der Ausbildung von Belästigungsreaktionen eine
zentrale Rolle. Zu ihnen gehören vor allem
_ die generelle Bewertung einer Lärmquelle,
_ Vertrauen in die für Lärm und Lärmschutz
Verantw011lichen,
_ die Geschichte der Lärmexposition und
_ Erwartungen der Anwohner.
Diesen Faktoren sollte bei Lärmminderungsmaßnahmen bzw. bei Neubau oder Erweiterung von
Järmintensiven Anlagen (z.B. Flughäfen) große
Bedeutung beigemessen werden. Sie müssen positiv gestaltet werden. So erzeugt z.B. ein Misstrauen lärmbetroffener Bürger gegenüber verantwortlichen Behörden bzw. Institutionen auch
Misstrauen gegen geplante (durchgeführte)
Lärmschutzmaßnahmen. Unabhängig vom physikalischen Erfolg der Schutzmaßnahmen kann
die Belästigung weiter auf einem hohen Niveau
bestehen bleiben. Die Erhöhung der Akzeptanz
einer Lärmquelle ersetzt aber keine schalltechni.s·ehen oder Lenkungsmaßnahmen.
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