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Technische Universität Berlin Fakultät I: Institut für Berufliche Bildung und Arbeitslehre AlP4/Projekte im Modul Produkte und Produktion Prof.Dr. Hans-Liudger Dienel, Pamela Jäger WiSe 2014 Dokumentation zum Projekt P4 Inwiefern ist die Ausbreitung von Schallwellen bei Kopfhörern auf das menschliche Ohr gefährdend und inwieweit ist eine Optimierung möglich? 1 Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung ……………………………………………………………..3 2. Sinnesorgan Ohr ……………………………………………………..4 2.1 Aufbau und Funktion ……………………………………………………..4 2.2 Tabelle über das Hörempfinden …………………………………………..5 2.3 Statistik Hörschädigung in Deutschland 3. Kopfhörer ………………………………….5ff ………………………………………………………….……8 3.1 Aufbau und Funktion von Kopfhörern ………………………………….….8 3.2 Kopfhörerarten …………………………………………………………….….9 3.3 Gefahr bzw. Schädigungen durch Kopfhörer 4. Vom Schall zum Lärm ……………………………11 ………………………………………………..1 2 4.1 Definition Schall und Lärm ……………………….………………………..12 4.2 Auswirkungen von Lärm ………………………………………...…………15 5. Spannungsteiler und Widerstände …………………………….…..17 5.1 Definition: Spannungsteiler/ Widerstand …………………………………17 5.2 Stromteiler …………………………………...………………………………18 5.3 Duales Verhalten ……………………………………...…………………… .18 6. Schallminderung am Bsp. Kopfhörer …………………………….....20 6.1 Optimierung der Kopfhörer ……………………………………………..….20 6.2 Herstellung des Dämpfungsgliedes 6.3 Schallpegel Test/ Kemar Kopf 7. Reflexion 8. Reflexion …………………….…………….......22 ……………………………………………..23 …………………………………………………..……27 ……………………..…………………………...29 9. Eidesstattliche Erklärung …………………………………….……………..30 10. Quellen ………………………………..……………………………………...32 Einleitung Wenn man sich in den deutschen Großstädten umschaut, auf der Straße, in den Verkehrsmitteln, selbst in der Schule, kann man weit und breit Kinder und Jugendliche beobachten, die permanent ihre Ohren lauter Musik aussetzen. Dabei kann man die dauerhafte Benutzung von MP3-Playern, Handys etc. den Kindern und Jugendlichen nicht verübeln. Für sie ist es eine Art Therapie, um den emotionalen Stress den die Pubertät mit sich bringt zu bewältigen. Da heutzutage in fast jedem Haushalt Handys, MP3-Player und weitere Musikspielgeräte vorhanden sind, steigt auch die Gefahr, an einem dauerhaften Hörschaden oder sogar irreversiblen Hörverlust zu erkranken. Viele der Nutzer sind sich diesen massiven Folgen nicht bewusst und drehen die Lautstärke am Handy nochmal höher. Eine Studie aus den Niederlanden hat ergeben, dass ca. 32,2% der Kinder und Jugendlichen tagtäglich mehr als eine Stunde Musik über Handys etc. hören, wobei der Lautstärkebereich gefährlich hoch und somit auch auf Dauer schädlich für das menschliche Gehör ist1. Um diese Unwissenheit den Zielgruppen zu nehmen, haben wir uns dazu entschlossen, unser Projekt dahingehend zu konzipieren. Unsere ursprüngliche Idee, die Handy Ein- und Ausgänge durch Schutzkontaktstecker vor Verschmutzungen zu schützen, wurde in den Hintergrund gestellt, da wir der Meinung sind, das Thema der Gehörschädigung bei Jugendlichen durch Musikspielgeräte hat eine wichtigere Präsenz und Brisanz in der heutigen Gesellschaft. Zunächst wird das Sinnesorgan Ohr näher betrachtet und in seinem Aufbau und der Funktion näher beleuchtet. Ein weiteres Thema der Ausarbeitung sind die verschiedenen Kopfhörerarten, sowie die Gefahr beziehungsweise Schädigung durch diese. Weiter geht es mit der Herausarbeitung von der Entstehung des Lärms und dessen Auswirkungen. Die Spannungsteiler und Widerstände werden definiert und im letzten Punkt gehen wir unserer Fragestellung „Inwiefern ist die Ausbreitung von Schallwellen bei Kopfhörern auf das menschliche Ohr gefährdend und inwieweit ist eine Optimierung möglich?“ nach und geben Lösungsvorschläge an. Zum Schluss werden zwei individuelle Reflexionen verfasst, in denen die Arbeitseindrücke wiedergegeben werden. 1 vgl. Vogel et al. Estimating Adolescent Risk for Hearing Loss Based on Data From a Large School-Based Survey, American Journal of Public Health, June 2010, Vol. 100, No. 6, p.1098 3 2. Sinnesorgan Ohr 2.1 Aufbau und Funktion Das Ohr ist eines der wichtigsten Sinnesorgane des menschlichen Körpers. Der Mensch kann Lautstärken von 10 bis 140 Dezibel wahrnehmen. Dezibel ist eine Einheit mit der die Lautstärke angegeben wird. Außen sieht man vom Ohr nur die Ohrmuschel und den äußeren Gehörgang, an dessen Ende sich das Trommelfell (lat. Membrana tympanica) befindet, eine dünne Haut, die Mittel- und Innenohr (lat. Auris media – interna) schützt. Alle Töne und Geräusche senden unsichtbare Schallwellen aus, die auf das Trommelfell treffen und zum Schwingen bringen. Über die drei Gehörknöchel Amboss (lat. Incus), Hammer ( lat. Malleus) und Steigbügel (Stapes), werden die Schwingungen an die Gehörgangsschnecke (lat. Kochlea) weitergeleitet. Sie hat die Größe einer Erbse und ist mit tausenden Sinneshaarzellen bedeckt. Sie nimmt die Schallwellen aus der Luft auf und wandelt sie erst in mechanische Schwingungen, anschließend in elektrische Nervenimpulse um, die anschließend über den Hörnerv ins Hörzentrum, wo sie vom Gehirn als Töne interpretiert werden2. Abbildung 1: Das menschliche Ohr http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/1/1c/Anatomy_of_the_Human_Ear_de.svg/2000pxAnatomy_of_the_Human_Ear_de.svg.png 2 Gordon Cheers(2004): Deutsche Ausgabe :Anatomica KÖNNEMANN in: Tandem Verlag GmbH, Königswinter, S. 216-223 4 2.2 Tabelle über das Hörempfinden Die folgende Tabelle zeigt eine Auflistung verschiedener Geräuschquellen, deren entsprechende Lautstärke in Dezibel und die Auswirkung auf das menschliche Gehör. Die Farbe Rot steht dabei für eine höhere Hörgefährdung, die Farbe Grün für eine geringere Hörgefährdung. Abbildung 2: Schallpegel http://www.global.hsmittweida.de/~itau/fileadmin/downloads/Hoerschaeden_Sindermann-01Sept09neu.pdf 2.3 Statistik zu Hörschädigungen in Deutschland Derzeit existieren wenig Zahlen zu der Anzahl von Hörschädigungen in Deutschland. Die folgenden Diagramme zeigen Statistiken über die Verbreitung von Schwerhörigkeit in Deutschland aus dem Jahr 1999. Durchgeführt und untersucht wurden diese vom deutschen Schwerhörigenbund. Die Ergebnisse stammen aus einer Befragung von 2000 hausärztlichen Patienten. Entwickelt wurden die Untersuchungen von Dr. Sohn der Universität Witten/Herdecke in Zusammenarbeit mit Siemens Audiologische Technik3. 3 Deutscher Schwerhörigenbund e.V. , Statistische Angaben zur Hörschädigung in Deutschland von 2005 bis 2011: http://www.schwerhoerigen-netz.de/RATGEBER/SCHWERHOERIGKEIT/STATISTIK/statistik2011.pdf 5 Abbildung 3: Hörbeeinträchtigung bei Jugendlichen http://www.schwerhoerigen-netz.de/RATGEBER/SCHWERHOERIGKEIT/STATISTIK/statistik2011.pff 19% der deutschen Bevölkerung über 14 Jahren sind hörbeeinträchtigt leichtgradig schwerhörig mittelgradig schwerhörig hochgradig schwerhörig an Taubheit grenzend 2% 7% 35% 56% Abbildung 4: Hörschädigung bei zunehmenden Alter http://www.schwerhoerigen-netz.de/RATGEBER/SCHWERHOERIGKEIT/STATISTIK/statistik2011.pdf Zunehmende Hörschadigungen bei steigendem Alter 14-19 Jahre 20-29 Jahre 30-39 Jahre 50-59 Jahre 60-69 Jahre 70 Jahre und Älter 1% 2% 4% 41% 40-49 Jahre 5% 19% 28% Die folgende Statistik zeigt die Minderung der Hörfähigkeit in Abhängigkeit von Hörgewohnheiten, Alter und Geschlecht aus dem Jahr 2006. 6 Abbildung 5: Prävalenz von lärminduzierter Minderung der Hörfähigkeit in Abhängigkeit von Hörgewohnheiten, Alter, Geschlecht und Ausbildungsstatus http://www.rki.de/DE/Content/Gesundheitsmonitoring/Gesundheitsberichterstattung/GBEDownloadsT/Tabellen/tinnitus.pdf?__bl ob=publicationFile 35,00% 30,00% 25,00% 20,00% wenig Musikbelastung 15,00% viel Musikbelastung 10,00% 5,00% 0,00% viel Musikbelastung 13-15 Jahre 16-17 Jahre älter als 18 wenig Musikbelastung weiblich männlich Aus dem Diagramm zur Minderung der Hörfähigkeit in Abhängigkeit von Hörgewohnheiten, Alter und Geschlecht, aus dem Jahr 2006 geht hervor, dass in der Gruppe 13- 15 Jähriger 25,9% einer geringeren Musikbelastung ausgesetzt sind und 30,5% einer höheren. In der Altersgruppe von 16-17 Jahren sind 17,1% wenig musikbelastet und 27,7% viel musikbelastet. Bei Jugendlichen über 18 Jahren liegt die geringe Musikbelastung bei 4,9% und die hohe Musikbelastung bei14,4%. Auch bei den Geschlechtern zeigen sich Unterschiede bei der Musikbelastung. Bei den Frauen mit einer geringen Musikbelastung sind es 11,0% und bei höheren Belastungen 18,6%. Bei den Männern hingegen sind es 17,2% bei geringer Musikbelastung und 28,2% bei höheren Belastungen durch Musik. 7 3. Kopfhörer Kopfhörer gibt es heutzutage in allen verschiedenen Formen, Farben und Materialien. Ebenso vielfältig sind auch dessen Einsatzgebiete. Vom privaten Hören in der Freizeit bis hin zur aufwendigen Studiotechnik. Im weiteren Punkt werden der Aufbau und die Funktion von Kopfhörern näher betrachtet. Des Weiteren werden die einzelnen Kopfhörerarten in ihren Eigenschaften und Bauarten untersucht und als letzter Punkt die ausgehenden Gefahren beziehungsweise Schädigungen von Kopfhörern genannt. 3.1 Aufbau und Funktion von Kopfhörern Kopfhörer sind nichts weiter als kleinere Lautsprecher, die von einem Verstärker ein elektrisches Signal erhalten und daraus ein akustisches entwickeln. Es gibt eine äußere Hülle (Gehäuse), welche den Ton verstärkt. An diesem Gehäuse sind kleine Öffnungen installiert, um den Schall an das Ohr optimal abzugeben. Oftmals sind diese mit Schaumstoff oder Gummi ummantelt, um das Ohr und den Kopfhörer zu schützen. Unter dem Gehäuse befindet sich eine Kunststoffscheibe (Membran) die an einer Metallspule befestigt ist und mit elektrischen Drähten verbunden ist4. Abbildung 6: Aufbau von In-Ear-Kopfhörer http://www.hifi-regler.de/pictures/ultrasone/pyco-explosion-600x413.jpg 4 Vgl. Kopfhörer: http://www.hdm-stuttgart.de/~curdt/Kopfhoerer_Palzer.pdf 8 3.2 Kopfhörerarten Wie bereits erwähnt gibt es Kopfhörer in verschiedenen Ausführungen. Man spricht von In- Ear- Kopfhörern, geschlossene und halboffene beziehungsweise offene und halboffene Kopfhörer. Geschlossene Kopfhörer Bei den geschlossenen Kopfhörern schließt der Rand der Ohrmuschel mit dem Kopf ab. Die Kopfhörer umschließen dabei entweder komplett das Ohr oder sie sitzen auf dem Ohr drauf. Sie sind meistens mit Leder überzogen und sorgen so für ein gutes Tragegefühl aber auch für einen optimierten Druckausgleich zwischen der Umgebung und der Ohrmuschel. Der Vorteil liegt darin, dass so wenig wie möglich an Umweltgeräuschen neben der Musik zu hören sind und andersrum keine Lärmbelästigung stattfinden kann, da die isolierte Ohrmuschel wenig Geräusche nach außen durchlässt. Diese Art wird oft bei Gesangs oder Sprachaufnahmen verwendet. Jedoch ist bei längerer Tragedauer der Nachteil, dass man unter den Ohrmuscheln schnell schwitzt und sich ein gewisser Druck am Kopf bildet, der als unangenehm wahrgenommen wird. Ein großer Vorteil, auch in Bezug auf unsere Forschungsfrage ist, dass bei den geschlossenen Kopfhörern der Umgebungslärm um 20 dB gesenkt wird und man so die Lautstärke nicht komplett aufdrehen muss5. Abbildung 7: Geschlossene Kopfhörer http://www.justmusic.de/mall/1/pic/110834.jpg 5 Vgl. Kopfhörer, Tonseminar: http://www.hdm-stuttgart.de/~curdt/Kopfhoerer_Braeuning.pdf 9 Halboffene und offene Kopfhörer Diese Kopfhörer unterscheiden sich in einigen Punkten von den geschlossenen. Sie sind mit einem weichen perforierten Material ummantelt und sind so ebenfalls gut zum Kopf hin gedämmt. Es entsteht kein eingeschlossenes Luftvolumen wie bei den vorher beschriebenen. Im Gegensatz zu den geschlossenen Kopfhörern sind die halboffenen beziehungsweise offenen Kopfhörer in ihrer Klangfarbe wesentlich natürlicher und unverfälschter. Nachteilig hingegen ist, dass bei dieser Bauart sehr viel Schall nach außen abgegeben wird und die Lautstärke aufgedreht werden muss, um die Außengeräusche zu kompensieren. Abbildung 8: Halboffene Kopfhörer http://www.bax-shop.de/media/catalog/product/A/K/AKG-K240-Studio-semi-open-hoofdtelefoon-02.jpg In-Ear-Kopfhörer In-Ear-Kopfhörer sind meistens aus Acryl und Silikon und haben eine hervorragende Schalldämmung, da sie direkt in den Gehörgang eingeführt werden. Der Vorteil bei dieser Art ist, dass der Umgebungslärm stark reduziert werden kann und somit die Klangfarbe ausgeglichen wirkt. Sie sind bequem zu tragen und fallen optisch kaum auf. Ein großer Nachteil ist jedoch, dass dort ein Vakuum entsteht, und somit ein höherer Schalldruck. Wichtig ist, dass durch die gute Schalldämmung der Kopfhörer die Lautstärke nicht so hoch eingestellt werden muss als bei anderen Bauarten. Somit haben sie zum Ergebnis, dass das Gehör geschont und weniger geschädigt wird. Ebenfalls die Basswiedergabe ist besser ausgebaut. 10 Abbildung 9: In-Ear-Kopfhörer http://www.derkopfhoererspezialist.de/media/catalog/product/cache/1/image/9df78eab33525d08d6e5fb8d27136e95/c/r/creative _ep-630_in-ear_kopfh_rer_schwarz_1_3.jpg 3.3 Gefahr beziehungsweise Schädigung durch Kopfhörer Wie auch in unserem durchgeführten Test werden zur Messung der Belastung der Ohren durch Kopfhörer Kunstköpfe eingesetzt. Mit Hilfe dieser kann man beurteilen wie hoch die Frequenzbereiche von Kopfhörern sind und wie schädlich diese sein können. Bei diesen Messungen wurden Werte von bis zu 126dB erlangt. Diese wirken direkt am Trommelfell und können bei dauerhafter Benutzung gravierende Schädigungen hervorrufen. Grundsätzlich kann man als Empfehlung aussprechen, den Ohren Ruhephasen zu gönnen, damit die Hörsinneszellen nicht belastet werden und die Lautstärke nicht zu stark aufzudrehen. Ansonsten kann es zu Ohrensausen, Taubheitsgefühlen oder wie bereits beschrieben chronischen Schädigungen kommen. 11 4. Vom Schall zum Lärm Um erklären zu können wie Schall in Lärm umgewandelt wird, ist es wichtig, diese zwei Begrifflichkeiten zu definieren. 4.1. Definitionen Schall und Lärm Unter dem Begriff Schall versteht man mechanische Schwingungen und Wellen eines materiellen elastischen Mediums, insbesondere im Frequenzbereich des menschlichen Hörens. Dabei kann er sich in festen, flüssigen oder gasförmigen Körper ansammeln und wird so auf einen anderen übertragen. Es gibt drei Bereiche des Schalls. Körperschall, Trittschall und Luftschall. Unter Luftschall werden Schallschwingungen zusammengefasst, die wie Verkehrsgeräusche, Sprechen oder Musik direkt an die Luft abgegeben und in der Luft weitergetragen wird. Körperschall hingegen wird bei Tätigkeiten wie Bohren und Nageln durch in Schwingung setzen von Material erzeugt und verbreitet sich in diesem. Trittschall ist die dritte Form des Schalls und ist eine besondere Art von Körperschall. Er entsteht beim Begehen eines Fußbodens und breitet sich bei ungenügender Dämmung über Decken und Wände aus6. Die Abbildung zeigt verschiedene Schallquellen vom Schlüsselbund bis zu einer Stimmgabel, die dazugehörigen Schwingungsbilder und die unterschiedlichen Arten des Schalls. Abbildung 10: Bundeszentrale für gesundheitlich Aufklärung: http://www.global.hs-mittweida.de/~itau/fileadmin/downloads/Hoerschaeden_Sindermann-01Sept09neu.pdf 6 Vgl. Vorlesung Bauen und Wohnen; Dozentin Frau Josephine Barbe, Technische Universität Berlin 12 Anzumerken ist noch, dass sich Schallwellen mit einer besonderen Geschwindigkeit ausbreiten. Diese Schallgeschwindigkeit ist abhängig von der Temperatur. Je höher die Temperatur ist, desto höher ist auch die Schallgeschwindigkeit. Unter Lärm versteht man Geräusche, die auf einen Menschen einwirken und gesundheitsschädigend und störend empfunden werden. Dabei kann das seelische, körperliche und soziale Wohlbefinden erheblich beeinflusst werden. Je länger man Lärm ausgesetzt wird, desto stärker können die Schädigungen sein. Da Lärm Empfindungen für jede Menschen unterschiedlich wahrgenommen werden können ist es schwierig, dies subjektiv darzustellen. Wenn wir Musik hören, sei es über einen Lautsprecher oder über Kopfhörer, ist die Lautstärke Einschätzung für jedermann ganz unterschiedlich. Was dem einen bereits viel zu laut erscheint, ist für den anderen kaum zu hören und andersrum. In der Medizin wird eine Schmerzgrenze für den Menschen mit 120 dB angegeben. Man kann jedoch sagen, dass bereits geringere Werte (ab 85dB) schädigend wirken können. Grundsätzlich ist die Schädigungsbeeinflussung vom Pegel und der Dauer der Beschallung abhängig. Das heißt im Endeffekt ist es genauso schädigend, wenn man für kürzere Zeit einen höheren Pegel hat oder wenn man für längere Zeit einen niedrigeren Pegel hat. Abbildung 11: Abhängigkeit von Schalldruck und Einwirkzeit http://www.kinderrechte.rlp.de/fileadmin/kinderrechte/Broschueren/Broschuere_Viel_Dezibel_aufs_Trommelfell.pdf 13 In Deutschland wurde Arbeitsschutzverordnung7), gesetzlich dass vereinbart Arbeitgeber dafür (Lärm- und sorgen Vibrations- müssen, ihren Arbeitnehmern bei einer Gesamttagespegelbeschallung von acht Stunden einen Gehörschutz zu gewährleisten. Die unten aufgeführte Tabelle beschreibt die Auflistung verschiedener Geräuschquellen und deren entsprechende Lautstärke in Dezibel gemessen. Abbildung 12: Tontechnik-Rechner-Sengspielaudio http://www.sengspielaudio.com/tabelleDerSchallpegel.htm 190dBA Schwere Waffen, etwa 10 m hinter der Waffe (maximaler Pegel) 180 dBA Spielzeugpistole am Ohr abgefeuert (maximaler Pegel) Ohrfeige aufs Ohr, Feuerwerksböller auf der Schulter explodiert, Handfeuerwaffen 170 dBA aus etwa 50 cm Entfernung (alles maximale Pegel) Hammerschlag auf Messingrohr oder Stahlplatte aus 1 m Entfernung, Airbag-Entfaltung in 160 dBA unmittelbarer Nähe (30 cm - alles maximaler Pegel) 150 dBA Hammerschlag in einer Schmiede aus 5 m Entfernung (maximaler Pegel) 130 dBA Lautes Händeklatschen aus 1 m Entfernung (maximaler Pegel) 120 dBA Trillerpfeife aus 1 m Entfernung, Probelauf von Düsenflugzeug in 15 m Entfernung Schmerzschwelle, ab hier Gehörschäden schon bei kurzer Einwirkung möglich 115 dBA Startgeräusche von Flugzeugen in 10 m Entfernung Martinshorn *) aus 10 m Entfernung, häufiger Schallpegel in Diskotheken und in 110 dBA der Nähe von Lautsprechern bei Rockkonzerten, Geige fast am Ohr eines Orchestermusikers (maximaler Pegel) Kettensäge aus 1 m Entfernung, knallende Autotür aus 1 m Entfernung 105 dBA (max. Pegel), Rennwagen in 40 m Entfernung, möglicher Pegel bei Musik über Kopfhörer 100 dBA Häufiger Pegel bei Musik über Kopfhörer, Presslufthammer in 10 m Entfernung 95 dBA Lautes Schreien, Handkreissäge in 1 m Entfernung 90 dBA Handschleifgerät im Freien in 1 m Entfernung Hörschaden bei Einwirkdauer von 40 Stunden pro Woche möglich 85 dBA Motorkettensäge in 10 m Entfernung, lauter WC-Druckspüler in 1 m Entfernung Sehr starker Straßenverkehrslärm, vorbei fahrender lärmender LKW in 7,5 m 80 dBA Entfernung, stark befahrene Autobahn in 25 m Entfernung Vorbei fahrender PKW in 7,5 m Entfernung, nicht lärmgeminderter Gartenhäcksler 75 dBA aus 10 m Entfernung Dauerschallpegel an Hauptverkehrsstraße tagsüber, leiser Haartrockner aus 70 dBA 1 m Entfernung zum Ohr 65 dBA Erhöhtes Risiko für Herz-Kreislauf-Erkrankungen bei ständiger Einwirkung 60 dBA Lärmender Rasenmäher aus 10 m Entfernung Zimmerlautstärke*) von Radio oder Fernseher aus 1 m Entfernung, lärmender 55 dBA Staubsauger aus 10 m Entfernung 50 dBA Kühlschrank aus 1 m Entfernung, Vogelgezwitscher im Freien aus 15 m Entfernung 45 dBA Übliche Wohngeräusche durch Sprechen oder Radio im Hintergrund 40 dBA Lern- und Konzentrationsstörungen möglich 35 dBA Sehr leiser Zimmerventilator bei geringer Geschwindigkeit aus 1 m Entfernung 25 dBA Atemgeräusche aus 1 m Entfernung 0 dB Hörschwelle 7 Verordnung zum Schutz der Beschäftigten vor Gefährdungen durch Lärm und Vibrationen http://www.gesetze-im-internet.de/l_rmvibrationsarbschv/ 14 4.2. Auswirkungen von Lärm Wer sich über einen längeren Zeitraum Lärm ausliefert oder aber auch für kurze Zeit einer hohen Lärmbelastung unterliegt, der wird bald Folgen davontragen. Gerade in der heutigen Industriegesellschaft gibt es zahlreiche Betriebe in denen Maschinen mit ohrenbetäubenden Lärmpegeln anzutreffen sind. Wer sich dort nicht präventiv verhält, wird schnell einige Symptome spüren. Die Lärmbelastungen können sich akut oder im schlimmsten Falle chronisch zeigen. Fest steht, wer sich dem Lärm über Jahre hinweg aussetzt, der wird bald über Schwerhörigkeit oder Hörverlust klagen. Dabei muss man sagen, dass das Ohr eine gewisse Zeit lang versucht, den Lärm zu kompensieren und sich darauf einzustellen. Je mehr Jahre vergehen, in denen der Lärmpegel nicht reduziert wird, desto schlimmer wird der Verlust des Hörvermögens bis zum völligen Hörverlust. Der schädliche Einfluss von Musik ist dabei nicht außer Acht zu lassen. Bei Kindern und Jugendlichen ist die Benutzung von Musikspielgeräten einer der gravierendsten Faktoren. Die Auswirkungen von Lärm spiegeln sich auf den gesamten Organismus wieder. Man kann Veränderungen der Hirn- und Muskelaktivität beobachten, ebenso wie die des elektrischen Hautwiderstandes. Desweiteren kann es zu Bluthochdruck, Erweiterung der Pupillen, Erhöhung der Atem- und Herzfrequenz und der Reduzierung des Magensafts und der Speichelproduktion. Bei dauerhaftem Lärm kann es zu erheblichen geistigen und körperlichen Einschränkungen kommen. Die Leistungsfähigkeit der Betroffenen nimmt rapide ab und Schlafprobleme können auftreten. Durch Lärm jeglicher Art kann es bei Beteiligten zu massiven Einschlafstörungen kommen. Die sogenannte REM-Phase (engl. Rapid Eye Movement) wird durch einen erhöhten Lautstärkepegel verkürzt und damit ist die Erholungsphase, die wir durch den Schlaf erlangen eingeschränkt. Fehlt diese wichtige Phase im Schlaf kann es zu Kopfschmerzen und Gereiztheit führen. Weitere Folgen von dauerhafter Lärmbelästigung sind: Erhöhtes Bluthochdruck- und Herzinfarktrisiko Gehörschäden, Hörermüdung, Tinnitus Verminderte Durchblutung Kommunikations- Lern- und Konzentrationsstörungen Beeinträchtige Leistungsfähigkeit Beeinträchtigung im sozialen Verhalten zum Beispiel durch erhöhte Aggressivität Hormonelle Reaktionen Psychische Beeinträchtigung durch das Gefühl der Belästigung 15 Erhöhtes Unfallrisiko Im Kleinkindalter können noch zusätzliche Symptome wie Angstzustände und Artikulationsbeeinträchtigungen auftreten89. 8 Schäden durch Lärm: Folgen von Lärm http://www.onmeda.de/weitere-ratgeber/laerm-folgen-von-laerm10229-3.html 9 Vgl. Michael Dickreiter(1997)Handbuch der Tonstudiotechnik,S.138-140,K.G. Saur Verlag KG,München 16 5.Spannungsteiler und Widerstände 5.1 Definition Spannungsteiler/Widerstand Mit einem Spannungsteiler ist es möglich eine Spannung zu verkleinern. Im Allgemeinen besteht ein solcher aus einer Reihenschaltung und zwei Widerständen. Definition Widerstand Ein Widerstand wird auch als „Gegner“ der Spannung bezeichnet. Dieses elektrische Bauteil bremst die Elektronen in einem Stromfluss ab, sodass die Spannung verringert wird. Je geringer die Spannung ist, desto weniger Strom kann fließen. Die Einheit des Widerstandes ist Ohm, benannt nach dem deutschen Wissenschaftler Georg Simon Ohm, und wird mit dem Buchstaben „R“ abgekürzt (engl. Resistor).Die Maßeinheit ist Ohm und wird abgekürzt mit dem Kurzzeichen Ω (Omega).Der elektrische Widerstand eines Leiters hängt von Material, Querschnitt, Länge und Temperatur ab. Ermittelt wird der Wert eines Widerstandes mit einem Vielfachmessgerät (Multimeter), wobei während der Messungen das Gerät nicht an eine Spannungsquelle angeschlossen sein darf. Berechnet wird der elektrische Widerstand mit der Formel 1011: Elektrischer Widerstand R = Elektrische Spannung U Elektrischer Strom l Abbildung 13: Widerstand aus der Elektrowerkstatt der TU Berlin Fachbereich Arbeitslehre 10 http://www.elektronik-kompendium.de/sites/grd/formel/02011122.gif 11 Vgl. Paul, Paul (2010)Grundlagen der Elektrotechnik und Elektronik 1,S.99-102, Springer- Verlag Berlin Heidelberg 17 5.2 Stromteiler Beim Stromteiler handelt es sich um eine Parallelschaltung aus passiven magnetischen und elektrischen Zweipolen. Diese teilen den elektrischen Strom/magnetischer Fluss in mehrere Teilströme/-flüsse. Verwendet werden Stromteiler zur Messung von Strömen. Gemessen wird im Wesentlichen die abfallende Spannung am Hauptpfad, da diese nur von einem geringen Teilstrom durchflossen wird12. 5.3 Duales Verhalten In jedem Stromkreis befinden sich mehrere elektrische Widerstände, wie sie insgesamt wirken hängt von der jeweiligen Schaltung ab. Die Reihenschaltung und die Parallelschaltung verhalten sich dual zueinander. Die Gleichungen der Parallelschaltung verhalten sich dual zu der Gleichung der Reihenschaltung, sie stehen also in einem Verhältnis13. 12 Grundlagen der Elektrotechnik 1: http://f1.hs-hannover.de/fileadmin/media/doc/f1/tel/e-grundlagen_1.pdf Vgl. Schmidt, Schaller, Martius (2014)S.89-92,Grundlagen Elektrotechnik Netzwerke, Pearson Deutschland GmbH 13 18 Beispiel: Werden drei Widerstände der Größe R = 100 Ω in Reihe geschaltet, wirken diese wie ein Widerstand der Stärke 300 Ω 100 Ω + 100 Ω + 100 Ω = 300 Ω14 Werden drei Widerstände der Größe R = 100 Ω parallel geschaltet, so ergibt sich ein Gesamtwiderstand von 33,3 Ω 14 Reihen- und Parallelschaltungen: http://grund-wissen.de/elektronik/schaltungen/reihenschaltung-undparallelschaltung.html 19 6. Schallminderung am Beispiel Kopfhörer 6.1 Optimierung der Kopfhörer Um die Kopfhörer optimieren zu können mussten zunächst einige Berechnungen durchgeführt und ein Stromkreis aufgezeichnet werden. Wir wollten eine Dämpfung des Schalldruckpegels von ca. 10 dB (entspricht ca. 90%) erreichen, da dies für das menschliche Ohr eine Lautstärkenverringerung um ca. die Hälfte bedeutet. Nicht berücksichtigt wurde dabei, dass jeder Lausprecher auch schon einen Widerstand darstellt, der theoretisch mit einbezogen werden müsste, bei den folgenden Berechnungen aber der Einfachheit halber weggelassen wird. Bei den von uns verwendeten haben wir einen Widerstand von 30Ω ermittelt. Mithilfe unseres kompetenten Dozenten der Elektrowerkstatt, schätzen wir die Widerstände auf je � =100 Ω und � =10 Ω. Aufbau des Stromkreises: Diese Werte setzten wir nun in unsere Formel zur Pegelermittlung ein: �� (Kopfhörer)= � �� = 10/ (100 + 10) ����� ��� � � � ∙ � ⁄ � + � ) �� = 0,109V entspricht einer Dämpfung auf ca. 10 % (oder um ca. 90 %) 20 Dämpfung des elektrischen Pegels Kopfhörer Verstärker (Mp3) Längswiderstand(100Ω) RІ Hilfswiderstand für R ₂ RЇ 10Ω (R ˪) Querwiderstand Rᴢ Bei den Widerständen gilt zu beachten, dass der Querwiderstand also � , kleiner sein muss damit der Längswiderstand � wirken kann! Ist der Widerstand � höher, so beeinflusst er den Schall weniger, als wenn er niedriger ist. Merke: Ist � niederohmig, so ist der Einfluss vom Lastwiderstand RL niedrig. Ist � hochohmig, so ist der Einfluss vom Lastwiderstand RL hoch. 21 6.2 Herstellung des Dämpfungsgliedes Für die Herstellung unseres Dämpfungsgliedes benötigten wir ein Kunststoff Gehäuse, ein Kabel mit 2x 3,5 mm Stereoklinke Stecker und zwei Klinkenbuchsen. Zunächst bohrten wir jeweils ein Loch mit 5mm und gleichem Abstand in die Seiten des Gehäuses (5er Bohrer). Die Größe hatten wir zuvor mithilfe eines Messschiebers ermittelt. Anschließend entgrateten wir die Löcher, schoben die jeweilige Klinkenbuchse hinein und befestigten diese mit einer Mutter. Die Widerstände verzinnten wir und löteten diese mithilfe eines Lötkolbens an die ebenfalls verzinnten Kontaktstellen. Da sich zwei der Widerstände überschnitten, überzogen wir einen der Beiden mit Gummitüllen um einen Kurzschluss zu vermeiden. Aufbau des Dämpfungslides (Buchse) : Abbildung 14: Dämpfungsglied Innenansicht 22 6.3 Schallpegeltest / KEMAR Kopf Um unser Ergebnis mit Zahlen zu belegen wendeten wir uns an die Telekom Innovation Laboratories der Technischen Universität Berlin. Herr Dr.- Ing A., ein Audioexperte, der sich mit dem Thema Softwaretechnik und theoretischer Informatik beschäftigt, betreute uns. Den Test führten wir in einem schallgedämmten Raum durch. Hauptbestandteil unseres Versuches war der KEMAR Kopf, ein Kunstkopf der über Mikrofone im Ohr verfügt und so sehr detailliert den Pegel ermitteln kann. Über ein Messsystem werden die Ergebnisse an den Laptop weitergeleitet und können so ausgewertet werden. Diesen Versuch führten wir zunächst mit den Kopfhörern im Originalzustand und anschließend mit den optimierten Kopfhörern durch, um somit die Veränderung zu verdeutlichen. Durch eine Soundkarte wird ein sogenanntes weißes Rauschen, ein Geräusch, welches frequenzneutral ist. Alle Frequenzanteile sind mit gleichem Pegel vorhanden. Abbildung 15: Grafik 23 Ergebnis: In der vorliegenden Grafik handelt es sich bei der horizontalen Achse um die Frequenz und bei der vertikalen Achse um die Amplitude/Lautstärke. Die rote Kurve zeigt das Spektrum der Kopfhörer ohne Dämpfungsglied, die grüne Kurve das Spektrum mit Dämpfung. Zu erkennen ist, dass die rote Kurve höher liegt also lauter ist. Die Dämpfung entspricht ca. 18 DB, bei höheren Frequenzen entspricht die Dämpfung ca. 5 DB was immer noch ein signifikanter Wert ist. Somit können wir den Messwerten entnehmen, dass das hergestellte Dämpfungsglied, das Signal der Kopfhörer bei gleicher Verstärkerleistung, tatsächlich abdämpft. Abbildung 16: Kemar Kopf Abbildung 17: Soundkarte 24 Abbildung 18: Telekom Innovation Laboratories / Technische Universität Berlin (18. Stock Telekom Gebäude) 25 Abbildung 19: Aufbau Stromkreis Elektrowerkstatt Tu Berlin 26 7. Reflexion Auf längere Sicht gesehen ist der Einfluss von Schallwellen auf das menschliche Ohr schädigend (bei bestimmtem Pegel und Dauer). Die Schwere hängt jedoch von mehreren Faktoren ab, wie beispielsweise: die Häufigkeit der Einwirkung oder die Lautstärke. Derzeit liegen noch keine Forschungsergebnisse zu einer langfristigen Studie über die Schädigung des menschlichen Gehörs aufgrund von Smartphone Kopfhörern vor, da diese erst seit einigen Jahren auf dem Markt existieren und die jetzige Generation im Vergleich zur damaligen Zeit, bereits im frühen Kindesalter mit einer Vielzahl an Medien in Berührung kommen. Mithilfe unseres Dämpfungsgliedes haben wir eine Regulierung der Schalleinwirkung auf das Ohr erreichen können. Demzufolge ist mit doch recht einfachen Mitteln, eine Optimierung der Kopfhörer, zum Schutz vor Hörschädigungen, möglich. Bei der Auswahl unserer Fragestellung, fiel die Entscheidung relativ schnell auf das Thema Smartphones. Die Grundidee war es Smartphone Schutz Stöpsel herzustellen. Diese sollten Smartphone Ausgänge vor Staub, Wasser und anderen Schmutzquellen schützen und gleichzeitig mit individuellen Designs das Smartphone verschönern. Da jedoch nicht genug Quellen für die anschließende Dokumentation vorhanden waren, erwies sich die Umsetzung des Themas als relativ schwierig. Kurzer Hand entschieden wir uns das Thema: Schutz von Smartphones, in das Thema: Schutz des menschlichen Gehörs vor Schalleinwirkung, verursacht durch Smartphone Kopfhörer, zu ändern. Anstelle des Herstellungsprozesses beschäftigten wir uns mit der Optimierung, um die Gefahr von Ohrenerkrankungen zu verringern. Hierzu verabredeten wir uns mit einem technischen Mitarbeiter der Elektrowerkstatt. Gemeinsam erarbeiteten wir eine Möglichkeit zur Verringerung des Pegels der Kopfhörer. Um weitere Informationen zu unserem Thema zu erhalten, wendeten wir uns an das Institut für Audiokommunikation. Abschließend führten wir in den Telekom Innovation Laboratories, den Versuch mit dem KEMAR Kopf unter Anweisung von Herr Dr. Ing. A. durch. Dies empfand ich als Höhepunkt unserer Projektarbeit, da aus dem Test ein positives Ergebnis hervorging. Obwohl kurzfristig zwei Gruppenmitglieder aus unserem Projekt ausgestiegen sind, bin ich der Meinung dass unser Projekt nicht nur sehr interessant gestaltet, sondern auch in kürzester Zeit, genauestens untersucht wurde. Wir erhielten sehr viel Unterstützung, ohne die unser Projekt in dieser Form nie entstanden wäre. Die Arbeit in der Werkstatt bereitete uns große Freude, daher verbrachten wir hier auch die meiste Zeit. Gerne hätten wir unsere ursprüngliche Idee 27 mit den Smartphone Stöpseln in unser Projekt mit eingebaut, was aber leider nicht aufgrund der Verschiedenheit der Themen und der kurzen Zeit nicht möglich war. Trotzdem würde ich sagen, dass unser Projekt sehr erfolgreich war. 28 Reflexion Im vergangenen Semester haben wir zusammen das AL-P1 Projekt gemacht. Welcher zeitliche Aufwand hinter einem Projekt steckt konnten wir schnell feststellen. Wir hatten uns strickt vorgenommen, Fehler die wir bei diesem Projekt gemacht hatten, wie zum Beispiel die unzureichende Dokumentation etc. nicht noch einmal zu wiederholen. Diesmal haben wir einiges anders gemacht. Wir haben jeden Schritt dokumentiert, früh genug angefangen und viel Zeit investiert. Trotz das zwei Mitglieder aus unserer Gruppe ausgestiegen sind, haben wir alle Ziele, die wir uns vorgenommen hatten erreicht und sind mit unserer Leistung sehr zufrieden. Ich bin der Meinung, dass wir mit unserer Themenfindung absolut auf der richtigen Seite waren. Die Thematik ist sehr spannend und auch top aktuell. Wir haben uns sehr viele Informationen eingeholt, verschiedene Spezialisten befragt und neue Fachbereiche kennengelernt. Ich muss sagen, dass ich vorher nicht viel Ahnung von Elektronik hatte. Nun habe ich mir neues Wissen aneignen können und auch Interesse für diesen Bereich entwickelt. Zudem haben wir andere Einrichtungen der Technischen Universität besucht und so einen Einblick erhalten, welches breite Angebot von unserer Universität ausgeht. Wir sind stolz darauf, dass unsere vorherigen Berechnungen mit dem endgültigen Ergebnis übereinstimmen und alles einwandfrei funktioniert hat. Somit konnten wir Belege für unsere Arbeit finden und diese plausibel erklären. Zur Forschungsfrage kann man sagen, dass man sie teilweise mit Ja beantworten kann. In der Literatur und auch von Spezialisten behauptet, werden Kopfhörer als einer der Ursachen für Hörschäden genannt, wenn sie dauerhaft bei einer zu hohen Lautstärke getragen werden. Jedoch muss man dazu sagen, dass man dies nicht pauschal aussprechen kann, da die Forschungsergebnisse noch nicht vorliegen können, da die Generation, die Kopfhörer benutzt noch zu jung ist um dies zu beurteilen. Trotzdem haben wir mit unserer Optimierung der Kopfhörer zeigen können, dass eine Dämpfung möglich ist, um das Gehör zu schonen. Die Großkonzerne könnten also eine Optimierung vornehmen, wenn dies erwünscht wäre. 29 Eidesstattliche Erklärung Hiermit versichere ich, dass ich die vorliegende Arbeit selbstständig verfasst und keine anderen als die angegebenen Quellen und Hilfsmittel benutzt habe. Alle Ausführungen, die anderen veröffentlichten oder nicht veröffentlichten Schriften wörtlich oder sinngemäß entnommen wurden, habe ich kenntlich gemacht. Die Arbeit hat in gleicher oder ähnlicher Fassung noch keiner anderen Prüfungsbehörde vorgelegen. ____________________________ Ort, Datum ____________________________ Unterschrift 30 Eidesstattliche Erklärung Hiermit versichere ich, dass ich die vorliegende Arbeit selbstständig verfasst und keine anderen als die angegebenen Quellen und Hilfsmittel benutzt habe. Alle Ausführungen, die anderen veröffentlichten oder nicht veröffentlichten Schriften wörtlich oder sinngemäß entnommen wurden, habe ich kenntlich gemacht. Die Arbeit hat in gleicher oder ähnlicher Fassung noch keiner anderen Prüfungsbehörde vorgelegen. ____________________________ Ort, Datum ____________________________ Unterschrift 31 10.Quellen 1. Bücher Dickreiter, Michael(1997) Handbuch der Tonstudiotechnik, S.138-140, K.G. Saur Verlag KG,München Gordon Cheers(2004) Deutsche Ausgabe :Anatomica KÖNNEMANN in: Tandem Verlag GmbH, Königswinter, S. 216-223 Paul, Paul (2010) Grundlagen der Elektrotechnik und Elektronik 1,S.99-102, Springer- Verlag Berlin Heidelberg Schmidt, Schaller, Martius (2014) S.89-92,Grundlagen Elektrotechnik Netzwerke, Pearson Deutschland GmbH Vogel et al. Estimating Adolescent Risk for Hearing Loss Based on Data From a Large School-Based Survey, American Journal of Public Health, June 2010, Vol. 100, No. 6, p.1098 2. Internetquellen Bundesministerium der Justiz und für Verbraucherschutz, Verordnung zum Schutz der Beschäftigten vor Gefährdungen durch Lärm und Vibrationen URL: http://www.gesetze-im-internet.de/l_rmvibrationsarbschv/ [Stand: 14.02.2015] Deutscher Schwerhörigenbund e.V. (2012), Statistische Angaben zur Hörschädigung in Deutschland von 2005 bis 2011 URL: http://www.schwerhoerigennetz.de/RATGEBER/SCHWERHOERIGKEIT/STATISTIK/s tatistik2011.pdf [Stand: 15.02.2015] Kopfhörer (2009/2010), Tonseminar Prof. Oliver Curdt URL: http://www.hdm-stuttgart.de/~curdt/Kopfhoerer_Palzer.pdf [Stand: 16.02.2015] Kopfhörer (2009/2010), Tonseminar Sebastian Bräuning URL: http://www.hdm-stuttgart.de/~curdt/Kopfhoerer_Braeuning.pdf [Stand: 16.02.2015] Onmeda.de Für meine Gesundheit (2011), Schäden durch Lärm: Folgen von Lärm URL: http://www.onmeda.de/weitere-ratgeber/laerm-folgen-von-laerm-10229-3.html [Stand: 13.02.2015] 32 Grundlagen der Elektrotechnik I URL: http://f1.hs-hannover.de/fileadmin/media/doc/f1/tel/e-grundlagen_1.pdf [Stand: 14.02.2015] Reihen- und Parallelschaltungen: URL: http://grund-wissen.de/elektronik/schaltungen/reihenschaltung-undparallelschaltung.html [Stand: 17.02.2015] 3. Abbildungen und Tabellen Abbildung 1: Das menschliche Ohr http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/1/1c/Anatomy_of_the_Human_E ar_de.svg/2000px-Anatomy_of_the_Human_Ear_de.svg.png [Stand: 13.02.2015] Abbildung 2: Schallpegel http://www.global.hsmittweida.de/~itau/fileadmin/downloads/Hoerschaeden_Sindermann -01Sept09neu.pdf [Stand: 14.02.2015] Abbildung 3: Hörbeeinträchtigung bei Jugendlichen http://www.schwerhoerigennetz.de/RATGEBER/SCHWERHOERIGKEIT/STATISTIK/statistik2011.pff [Stand:14.02.2015] Abbildung 4: Hörschädigung bei zunehmenden Alter http://www.schwerhoerigennetz.de/RATGEBER/SCHWERHOERIGKEIT/STATISTIK/sta tistik2011.pdf [Stand: 14.02.2015] Abbildung 5: Prävalenz von lärminduzierter Minderung der Hörfähigkeit in Abhängigkeit von Hörgewohnheiten, Alter, Geschlecht und Ausbildungsstatus http://www.rki.de/DE/Content/Gesundheitsmonitoring/Gesundheitsberichterstattung/GBE DownloadsT/Tabellen/tinnitus.pdf?__blob=publicationFile Abbildung 6: Aufbau von In-Ear-Kopfhörer http://www.hifi-regler.de/pictures/ultrasone/pyco-explosion-600x413.jpg [Stand: 16.02.2015] Abbildung 7: Geschlossene Kopfhörer http://www.justmusic.de/mall/1/pic/110834.jpg [Stand: 16.02.2015] 33 Abbildung 8: Halboffene Kopfhörer http://www.bax-shop.de/media/catalog/product/A/K/AKG-K240-Studio-semi-openhoofdtelefoon-02.jpg [Stand: 16.02.2015] Abbildung 9: In-Ear-Kopfhörer http://www.derkopfhoererspezialist.de/media/catalog/product/cache/1/image/9df78eab33 525d08d6e5fb8d27136e95/c/r/creative_ep-630_in-ear_kopfh_rer_schwarz_1_3.jpg [Stand: 16.02.2015] Abbildung 10: Bundeszentrale für gesundheitlich Aufklärung: http://www.global.hsmittweida.de/~itau/fileadmin/downloads/Hoerschaeden_Sindermann-01Sept09neu.pdf [Stand: 17.02.2015] Abbildung 11: Abhängigkeit von Schalldruck und Einwirkzeit http://www.kinderrechte.rlp.de/fileadmin/kinderrechte/Broschueren/Broschuere_Viel_De zibel_aufs_Trommelfell.pdf [Stand: 15.02.2015] Abbildung 12: Tontechnik-Rechner-Sengspielaudio http://www.sengspielaudio.com/tabelleDerSchallpegel.htm [Stand:17.02.2015] Eigene Abbildungen Abbildung 13: Widerstand aus der Elektrowerkstatt der TU Berlin Fachbereich Arbeitslehre Abbildung 14: Dämpfungsglied Innenansicht Abbildung 15: Grafik Abbildung 16: Kemar Kopf Abbildung 17: Soundkarte Abbildung 18: Telekom Innovation Laboratories / Technische Universität Berlin (18. Stock Telekom Gebäude) Abbildung 19: Aufbau Stromkreis Elektrowerkstatt Tu Berlin 34
