Akustik: Brandschutz und Evakuierung – Durchsagen verständlich ...
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<strong>Akustik</strong>: <strong>Brandschutz</strong> <strong>und</strong> <strong>Evakuierung</strong> <strong>–</strong> <strong>Durchsagen</strong> <strong>verständlich</strong>!<br />
Seminarbeitrag vom 20.02.2008<br />
<strong>Akustik</strong>: <strong>Brandschutz</strong> <strong>und</strong> <strong>Evakuierung</strong> <strong>–</strong><br />
<strong>Durchsagen</strong> <strong>verständlich</strong>!<br />
1 Einleitung: Phänomen Sprach<strong>verständlich</strong>keit<br />
Dieser Teilbereich der <strong>Akustik</strong> ist seit den 1950er Jahren<br />
wichtiger Forschungsschwerpunkt der Peutz-Gruppe.<br />
Tabelle 1: Indikatoren der Sprach<strong>verständlich</strong>keit<br />
Vorteilige<br />
Kürzel Indikator<br />
Werte<br />
AL cons / %<br />
Maß für den Artikulationsverlust<br />
von Konsonanten<br />
< 10%<br />
C 50 / dB Klarheitsmaß < 3 dB<br />
STI (RASTI) Sprachübertragungsindex > 0,60<br />
Sprach<strong>verständlich</strong>keit ist ein deutlich komplexereres<br />
Phänomen als diese Indikatoren suggerieren, da beim<br />
Sprachkommunikationsprozess neben den akustischen<br />
Faktoren (s.u.) auch Aspekte der kognitiven<br />
Sprachverarbeitung <strong>und</strong> <strong>–</strong>erkennung eine Rolle spielen.<br />
Ob also in einer bestimmten Situation eine bestimmte<br />
sprachliche Information verstanden wird oder nicht, kann<br />
mit Hilfe dieser Indikatoren nicht ermittelt werden.<br />
Abb. 1: Sprachliche Informationsübertragung (Schema)<br />
In Abbildung 1 ist der Vorgang der sprachlichen<br />
Informationsübertragung schematisch dargestellt, wobei<br />
die rein physikalische Ebene die akustische<br />
Veränderung des Signals durch den reinen<br />
Übertragungsweg beschreibt, die psycho-physikalische<br />
Ebene hingegen auch die Faktoren des Sprecher- <strong>und</strong><br />
Hörereinflusses erfasst:<br />
Sprach<strong>verständlich</strong>keit ist nämlich abhängig von:<br />
Produktion - Übertragung <strong>und</strong> Erkennung.<br />
Spracherkennung ist dabei der kognitive Prozess, den<br />
Informationsgehalt des Übertragenen aufgr<strong>und</strong> des<br />
empfangenen akustischen Signals zu erraten.<br />
Bei der direkten sprachlichen Kommunikation werden<br />
meist noch zusätzlich nichtlautsprachliche<br />
Informationsquellen mit ausgewertet (Lippenlesen,<br />
Gestik, <strong>und</strong> Mimik).<br />
2 Messung der Sprach<strong>verständlich</strong>keit<br />
Die einzige Möglichkeit, die Sprach<strong>verständlich</strong>keit zu<br />
messen, besteht in Worttests, bei welchen viele<br />
phonetisch auf die jeweilige Sprache balancierte<br />
Logatome, das sind einsilbige Nonsens-Worte der Form<br />
Konsonant <strong>–</strong> Vokal <strong>–</strong> Konsonant wie etwa FUT, in<br />
Trägersetzen eingebettet, von Muttersprachlern verlesen<br />
werden <strong>und</strong> von vielen Testhörern notiert werden.<br />
Die in dieser Situation gemessene<br />
Sprach<strong>verständlich</strong>keit ermittelt sich aus dem<br />
Prozentsatz der falsch verstandenen Konsonanten der<br />
verlesenen Logatome, gemittelt über die Anzahl der<br />
Testteilnehmer. Dieses Messverfahren erfordert also<br />
eine statistische Auswertung vieler Antworten <strong>und</strong> ist<br />
somit sehr aufwendig.<br />
3 Der Einfluss der Raumakustik<br />
Bereits die Übertragung des Schallsignals im Raum<br />
besitzt erheblichen Einfluss auf dessen Verständlichkeit<br />
am Empfangsort.<br />
Als raumakustische Größen, welche hierbei von<br />
Bedeutung sind, sind vor allem Nachhallzeit <strong>und</strong><br />
Impulsantwort zu nennen (Beispiel siehe Abb. 1). Eng<br />
damit verb<strong>und</strong>en sind die Verhältnisse Direktschall /<br />
Nachhallpegel <strong>und</strong> Signal / Störpegel.<br />
Eine Messung von Parametern wie Klarheitsmaß für<br />
Sprache (C50), Deutlichkeit (D50), STI (Speech<br />
Transmission Index) ist mittlerweile in zahlreichen<br />
Messsystemen implementiert, jedoch sind diese<br />
Parameter lediglich Indikatoren für die Chance einer<br />
Verständlichkeit, gültig nur bei bestimmten<br />
Randbedingungen.<br />
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Diese Faktoren bestimmen in erster Linie die<br />
Sprach<strong>verständlich</strong>keit <strong>und</strong> somit die Aufenthaltsqualität<br />
in Räumlichkeiten für sprachliche Kommunikation.<br />
zwischen 1,5 <strong>und</strong> 12.5%, für gewöhnlich werden hier<br />
2,5 % angesetzt.<br />
Diesseits D ci lässt sich demnach der ALcons näherungsweise<br />
vorherbestimmen zu:<br />
2 2<br />
200D T60<br />
AL cons<br />
= + a<br />
QV<br />
.<br />
Abbildung 3 zeigt diese Abhängigkeit des AL cons vom<br />
Abstand des Empfangpunktes zur Schallquelle:<br />
Abb. 2: Raumimpulsantwort (in ETC-Darstellung)<br />
Firmengründer V. M. A. Peutz <strong>und</strong> W. Klein erforschten<br />
in h<strong>und</strong>erten von Worttests die Gesetzmäßigkeiten der<br />
räumlichen Verteilung der Sprach<strong>verständlich</strong>keit in<br />
Sälen. Sie führten 1971 das Konzept des Indikators für<br />
Sprach<strong>verständlich</strong>keit AL cons (Articulation Loss of<br />
Consonants) ein, welcher sehr gut mit dem Prozentsatz<br />
falsch verstandener Konsonaten in Logatomtests<br />
korreliert.<br />
Dem zu Gr<strong>und</strong>e lag die f<strong>und</strong>amentale Beobachtung,<br />
dass dieser Prozentsatz bei Zunahme der Entfernung<br />
vom Sender zunimmt, bis ein bestimmter Abstand D ci<br />
erreicht ist, jenseits jedoch konstant bleibt. Dieser sogenannte<br />
kritische Abstand D ci berechnet sich näherungsweise<br />
zu:<br />
QV<br />
D ci<br />
= 0 .2 ( m ) .<br />
T<br />
Dabei bedeuten V das Raumvolumen, Q den Bündelungsgrad<br />
der Quelle (-3 dB) <strong>und</strong> T 60 die Nachhallzeit bei<br />
1.4 kHz.<br />
Jenseits D ci lässt sich der AL cons nach diesen Forschungen<br />
näherungsweise vorherbestimmen zu:<br />
60<br />
= 9T<br />
60<br />
a (%).<br />
ALcons +<br />
Hierbei stellt der Summand a eine Nullkorrektur dar. Er<br />
ist ein individuelles Maß für die Professionalität der<br />
Kombination Sprecher <strong>und</strong> Hörer (Sprachfehler, Hörprobleme<br />
etc. ergeben höhere Werte von a) <strong>und</strong> beträgt<br />
Abb. 3: Abstandsabhängigkeit des AL cons (gestrichelt)<br />
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der zu erwartende<br />
AL cons - <strong>und</strong> mithin die Sprach<strong>verständlich</strong>keit -<br />
jenseits des kritischen Abstandes D ci direkt mit der<br />
Nachhallzeit zusammenhängt. Legt man einen Zielwert<br />
für eine gute Sprach<strong>verständlich</strong>keit von kleiner oder<br />
gleich 11,5 % AL cons zugr<strong>und</strong>e, ergibt sich ca. 1 s als<br />
Obergrenze für die Nachhallzeit, bei welcher eine gute<br />
Sprach<strong>verständlich</strong>keit realisiert werden kann, falls ein<br />
vernachlässigbar niedriges Störgeräusch vorliegt.<br />
In Räumen, wo beispielsweise für Notfalldurchsagen<br />
eine gute Sprach<strong>verständlich</strong>keit herrschen sollte, herrschen<br />
jedoch meist andere Bedingungen vor, s. Tab. 2.<br />
Tabelle 2: Typische Problemräume <strong>und</strong> ihre Probleme<br />
Typische Problemräume: Typische Probleme:<br />
Stadien, Fabrikhallen<br />
Bahnhöfe<br />
Flughäfen, Tunnels<br />
Glasfoyers, Kirchen, Konzertsäle<br />
zu hoher Störpegel<br />
zu große Volumina<br />
zu lange Distanzen<br />
zu viel Nachhall<br />
So liegen beispielsweise in Kirchen, aber vergleichbar<br />
auch in zahlreichen Fabrikhallen, Tunneln oder Stadien<br />
Nachhallzeiten oberhalb von 2 s bis hin zu 13 s vor,<br />
siehe Abbildung 4.<br />
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Abb. 4: Nachhallzeit (Frequenz) in St. Aposteln, Köln<br />
Allein dadurch ist in solchen<br />
Räumen eine deutlich<br />
zu geringe natürliche<br />
Sprach<strong>verständlich</strong>keit vorzufinden.<br />
Insbesondere bei<br />
Kirchen kommen vielfach<br />
noch sehr ungünstige<br />
Raumformen hinzu, wie<br />
beispielsweise Hallen,<br />
Kuppeln, Emporen, Seiten<strong>und</strong><br />
Querschiffe, siehe<br />
beispielsweise Abb. 5.<br />
einzelnen Lautsprecher (durch fehlende Delays) gegeneinander<br />
zeitverzögert eintreffen.<br />
Sind diese Echoprobleme im Prinzip durch geeignete<br />
Zeitverzögerungen der Lautsprecher im Freien noch in<br />
den Griff zu bekommen, erweist sich das „viele-<br />
Quellen“-Konzept als prinzipiell wenig geeignet für eine<br />
Anwendung in geschlossenen Räumen: Jede Quelle<br />
mehr in einem geschlossenen Raum erzeugt neuen,<br />
künstlichen Nachhall, insbesondere, wenn Ihre Richtcharakteristik<br />
wenig gerichtet ist. Alle anderen Quellen<br />
erzeugen künstlichen Nachhall <strong>und</strong> reduzieren somit für<br />
die dem Empfangsort nächste Schallquelle deren Direktschall/Nachhall-Verhältnis,<br />
s. Abb. 7.<br />
Abb. 5: St. Aposteln, Köln<br />
4 Herkömmliche Beschallungskonzepte<br />
Ein elektroakustisches System zur Beschallung <strong>und</strong><br />
Übertragung sprachlicher Informationen kann prinzipbedingt<br />
den Nachhall in einem solchen Raum nicht reduzieren,<br />
sondern lediglich etwas hinzufügen, <strong>und</strong> zwar in<br />
einem solchen Fall möglichst viel Direktschall beim Hörer,<br />
um das Direktschall / Nachhall- <strong>und</strong> das Signal /<br />
Störschall-Verhältnis zu verbessern.<br />
Herkömmliche Beschallungskonzepte insbesondere in<br />
Open-Air-Situationen sind für gewöhnlich „viele-<br />
Quellen”-Konzepte, wo viele Quellen dicht an allen Empfangspositionen<br />
für einen hohen Direktschallanteil sorgen<br />
sollen, um so die Sprach<strong>verständlich</strong>keit zu verbessern,<br />
z.B. an Bahnsteigen, siehe Abb. 6.<br />
Abb. 6: Das „viele-Quellen”-Konzept: Bahnsteige<br />
Dies ist das Standardkonzept beispielsweise in Bahnhöfen<br />
oder bei Open-Air Locations wie Freibädern etc.<br />
Problem hierbei sind starke Echos, welche bei großen<br />
Abständen beim Hörort entstehen, wenn die Signale der<br />
Abb. 7: Das „viele-Quellen“-Konzept in einer Kirche<br />
5 Innovative Beschallungskonzepte<br />
Innovative Beschallungskonzepte für eine hohe Sprach<strong>verständlich</strong>keit<br />
in Räumen hingegen sollten diese Probleme<br />
vermeiden. Dies gelingt nur über eine weitgehende<br />
Reduktion der Anzahl der Quellen <strong>und</strong> eine möglichst<br />
stark gerichtete Abstrahlung der Nutzinformationen ausschließlich<br />
auf die Flächen, wo diese empfangen werden<br />
können soll (<strong>und</strong> darüber hinaus nirgendwohin).<br />
Innovativ wäre darüber hinaus die Möglichkeit, die Verständlichkeit<br />
vorhersagen zu können: Das AL cons -<br />
Konzept erlaubt (in gewissen Grenzen) eine (zumindest<br />
annähernd) Prognose der AL cons -Werte über die Bestimmung<br />
der für eine bestimmte Sprach<strong>verständlich</strong>keit<br />
notwendigen Richtcharakteristik. Hierzu lässt sich obige<br />
Formel umstellen nach dem für eine bestimmte Sprach<strong>verständlich</strong>keit<br />
notwendigen Bündelungsgrad Q, ergänzt<br />
um die Anzahl der Quellen:<br />
2<br />
200d<br />
T<br />
V * AL<br />
Q *<br />
Ls<br />
Ls<br />
n<br />
60<br />
AS , min = .<br />
max us<br />
Hierbei bedeuten Q AS,min den minimalen Bündelungsgrad,<br />
AL max den geforderten Maximalwert des Indikators<br />
AL cons , den weitesten auftretenden Abstand der Quelle<br />
zum Empfangsort, L Sus die Anzahl Lautsprecher, welche<br />
2<br />
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am Empfangsort zum Direktschall beitragen, <strong>und</strong> L Sn die<br />
Gesamtanzahl im Raum aktiver Lautsprecher.<br />
Essenz dieser Beziehung ist: Je weniger Quellen umso<br />
mehr Direktschall erzeugen, desto besser für die Verständlichkeit.<br />
Dazu muss der Bündelungsgrad Q möglichst<br />
hoch sein.<br />
Diese Erkenntnis resultierte Anfang der 1990er Jahre in<br />
der Entwicklung stark richtender, aktiver Lautsprecherzeilen<br />
durch den Peutz-Mitarbeiter J. van der Werff<br />
(Beam-Arrays), welche ihre erste Anwendung am Flughafen<br />
Schiphol 1994 fanden.<br />
Solche aktiven Säulenlautsprecher können Bündelungsgrade<br />
von Q bis über 70 erreichen, wohingegen die<br />
menschliche Stimme einen Wert von nur etwa 2,5 erreicht,<br />
s. Tabelle 3. Durch die extrem starke Bündelung<br />
wird der Direktschall über weite Entfernungen auch nur<br />
minimal abgeschwächt, siehe Abbildung 8.<br />
Tabelle 3: Typische Quellen <strong>und</strong> ihre Bündelungsgrade<br />
Quelle Q Diagramm<br />
Raumakustik-Messquelle 1<br />
Menschliche Stimme 2,5<br />
Normaler PA-Lautsprecher 3 - 5<br />
Passive Säulenlautsprecher 5 - 10<br />
Aktive Säulenlautsprecher 15 - 72<br />
Abb. 8: Richtwirkung aktiver Lautsprecherzeilen; Alle<br />
Bilder <strong>und</strong> Photos: Peutz Consult GmbH<br />
6 Aktuelle Normgebung <strong>und</strong> Konsequenzen<br />
Tabelle 4: Normen zur Sprach<strong>verständlich</strong>keit<br />
IEC 60849<br />
(DIN EN)<br />
EN-IEC<br />
60268-16<br />
DIN<br />
18 041<br />
VDE<br />
0833-4<br />
DIN<br />
15905-5<br />
Elektroakustische Notfallwarnsysteme 1998<br />
So<strong>und</strong> system equipment <strong>–</strong> Part 16:<br />
Objective Rating of Speech Inteligibility<br />
by Speech Transmission Index<br />
Hörsamkeit in kleinen bis mittelgroßen<br />
Räumen<br />
Gefahrenmeldeanlagen für Brand,<br />
Einbruch <strong>und</strong> Überfall <strong>–</strong> Teil 4<br />
Maßnahmen zum Vermeiden einer<br />
Gehörgefährdung des Publikums<br />
durch hohe Schallemissionen elektroakustischer<br />
Beschallungstechnik<br />
2003<br />
2004<br />
2007<br />
2007<br />
September 2007 trat die neue Norm DIN VDE 0833, Teil<br />
4 in Kraft, in welcher (neben Ausfallsicherheit etc.) eine<br />
gute Sprach<strong>verständlich</strong>keit eine eindeutig definierte<br />
Anforderung an elektroakustische Gefahrenmeldeanlagen<br />
darstellt. Durch den in dieser Norm geforderten<br />
Wert für Sprach<strong>verständlich</strong>keit wurde die Qualitätsanforderung<br />
an Beschallungsanlagen erheblich verschärft.<br />
Der Mittelwert aller Messwerte im gesamten Wirkungsgebiet<br />
(minus Standardabweichung) muss einen STI-<br />
Wert von 0,5 übertreffen. Umgerechnet auf AL cons heißt<br />
dies, der Mittelwert aller Messwerte (plus Standardabweichung)<br />
muss einen Wert von AL cons < 11,5% unterschreiten.<br />
Dies ist eine anspruchsvolle Anforderung,<br />
welche weder trivial zu planen noch zu erfüllen ist, <strong>und</strong><br />
stellt hohe Anforderungen an Entwurf <strong>und</strong> Qualität der<br />
Beschallungsanlage in Zusammenspiel mit der Raumakustik.<br />
Bereits in der Norm selbst werden die Konsequenzen<br />
dieser Anforderung aufgezeigt: „Die frühzeitige Einschaltung<br />
von Raumakustikern ist empfehlenswert“, sowie:<br />
„[Die] Lautsprecher [...] sind an [...] die raumakustischen<br />
Bedingungen sowie die zu erwartenden Störschallpegel<br />
anzupassen. Hierzu ist in der Regel eine sorgfältige<br />
Planung notwendig.“<br />
Um das Ergebnis „gute Sprach<strong>verständlich</strong>keit“ garantieren<br />
zu können, bedarf es einer kompetenten, von Lieferanten<br />
unabhängigen Beratung, wo Durchführung <strong>und</strong><br />
Nachhaltigkeit der Maßnahme anhand prozessbegleitender<br />
Prüfpunkte objektiv kontrolliert werden, etwa<br />
durch Abnahmemessungen. Neben Simulation <strong>und</strong><br />
Prinzipdesign einer Anlage, die die Anforderungen erfüllt,<br />
sind hier Empfehlungen für bauliche Optimierung<br />
der Raumakustik oft essentiell. Die Kosten für eine solche<br />
Beratung sind unerheblich verglichen mit Kosten für<br />
evtl. Nachbesserungen.<br />
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