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