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Ultraschall kommt heute in vielen Bereichen der industriellen Produktion zum Einsatz. Dies sind insbesondere Anlagen zum Schweißen, Bohren, Reinigen usw. Dabei enstehen an den Arbeitsplätzen tonale Komponenten mit erheblichen Pegeln, die bis weit in den Ultraschallbereich gehen. Diese Schallanteile sind zunächst nicht wahrnehmbar, da oberhalb der Hörbereichs.
Übliche Schallpegelmesser können diesen Bereich nicht erfassen, da diese für Frequenzen oberhalb von 20kHz nicht ausgelegt sind.

Wie verwenden spezielle Messgeräte, die Ultraschall bis 100khz erfassen können.
Besonders wichtig für die Auswertung sind die Filter gemäß DIN61012

Ultraschallmesssystem im Arbeitsschutz

 

Unser Messsystem verfügt über die folgenden Kenndaten

  • Analoge Bandbreite 1Hz-96000Hz
  • Meßbereich 42-140dB(A) (mit MK301E andere Mikrofone auf Anfrage)
  • Pegel: breitbandig / Oktav / Terz oder hochauflösende Spektralanalyse
  • Mittelungen und Spitzenwerte z.B. LcPeak
  • Pegel-Zeitverläufe
  • Energieequivalente Mittelung LEQ
  • Bewertungsfilter Z,A,C,AU,U (DIN 61012)
  • Spezielles US1-Filter, welches den Hörbereich ausblendet
  • Alle Bewertungsfilter werden gleichzeitig gespeichert

 Freq resp MV210 system1

 

MTG MK301E response

 

 

Wir führen schlüsselfertige Messungen incl. Auswertung bei Ihnen durch. Sie können ein solches Ultraschall-Messsystem auch bei uns direkt erwerben, oder bei nur gelegentlicher Nutzung auch mieten.

Beurteilung von Ultraschall am Arbeitsplatz

Für die Messung und Beurteilung von Ultraschallgeräuschen am Arbeitsplatz sind spezielle Messgeräte erforderlich. Die VDI 3766 definiert Anforderungen an die Messtechnik und die Durchführung entsprechender Messungen. Für die Geräuschbeurteilung unterscheidet man zwischen dem Hörschall- und dem Ultraschallfrequenzbereich. Nach der VDI 3766 ist der AU-bewertete Pegel zu erfassen, der die Belastung im Hörschallbereich beschreibt und den Ultraschallanteil weitgehend unterdrückt. Zur Vermeidung von Hörminderungen im Sprachfrequenzbereich (100 Hz bis 8 kHz) wird die Einhaltung eines AU-bewerteten Pegels von 85 dB empfohlen. Zum Schutz vor extraauralen Wirkungen des Ultraschalls, wie Kopfschmerzen, Schwindel und Übelkeit, sollten ein Terzbandpegel von 90 dB bei 16 kHz und Pegel von 110 dB für die Terzbänder von 20 bis 40 kHz eingehalten werden. Diese Richtwerte orientieren sich an in der Literatur und in anderen Ländern gegebenen Empfehlungen und lassen sich erfahrungsgemäß nach dem Stand der Technik auch realisieren.

Die in der VDI-Richtlinie 3766 zum Schutz des Gehörs im Sprachfrequenzbereich genannten Richtwerte können in Verbindung mit den im Entwurf der VDI 2058 Blatt 2 für höhere Frequenzen festgelegten maximalen Terzbandpegeln als Grundlage für die Gefährdungsbeurteilung entsprechender Arbeitsplätze dienen. Die Hersteller von Ultraschallanlagen erhalten damit konkrete Vorgaben, an denen sie sich bei der Planung der Anlagen orientieren können.

Hintergrund

Ultraschall wird heute in der industriellen Produktion häufig eingesetzt zum Reinigen, Schweißen, Bohren und Schneiden. Dabei entstehen an den Arbeitsplätzen Geräuschbelastungen mit Anteilen sowohl im Ultraschall- als auch im Hörfrequenzbereich. Um diese Geräuschen zu erfassen, sind spezielle Messgeräte erforderlich. Handelsübliche Schallpegelmesser sind nur für den Hörschallbereich (16 Hz bis 16000 Hz) ausgelegt und deshalb ungeeignet. Aufgrund bestehender Unsicherheiten bei der Beurteilung von Ultraschall wurde dieses Thema in den Technischen Regeln zur Lärm- und Vibrations-Arbeitsschutzverordnung bewusst ausgeklammert.

Für die Messung, Beurteilung und Minderung von Ultraschall an Arbeitsplätzen gibt es jedoch die VDI-Richtlinie 3766, die im Jahr 2012 fertiggestellt wurde. Die Erarbeitung dieser Richtlinie hat mehr als 11 Jahre gedauert, vor allem weil die Meinungen bezüglich der Wirkung von Ultraschallgeräuschen auf das Gehör und der anzusetzenden Grenzwerte stark divergierten. Um überhaupt einmal zu einem Ende zu kommen, wurde in dem Normenausschuss des DIN und VDI schließlich ein Kompromiss gefunden, indem der Abschnitt zur Wirkung von Ultraschall vollständig gestrichen und ein Verweis auf die VDI-Richtlinie 2058 Blatt 2 aufgenommen wurde.

In diesem Beitrag sollen die Durchführung von Geräuschmessungen und die Beurteilung von Ultraschall nach der VDI 3766 und VDI 2058 Blatt 2 beschrieben werden, um damit den Betrieben mit Ultraschall-Anlagen eine Grundlage für die Gefährdungsbeurteilung an entsprechenden Arbeitsplätzen anzubieten und den Herstellern konkrete Vorgaben für die Planung der Anlagen aufzuzeigen.

Vorkommen von Ultraschall

Die VDI 3766 beschreibt die verschiedenen industriellen Einsatzbereiche von Ultraschall in Form einer Tabelle. Die entsprechenden Anwendungen und die dabei genutzten Frequenzbereiche sind in der folgenden Tabelle zusammengestellt.

Industrielle AnwendungenTypische Frequenzbereiche
Reinigen 20 kHz bis 5 MHz
Schweißen 15 kHz bis 70 kHz
Aufbereitungs- und Verfahrenstechnik 20 kHz bis 400 kHz
Entgasung von Flüssigkeiten 20 kHz bis 100 kHz
Löten 20 kHz bis 100 kHz
Bohren und Schneiden 16 kHz bis 50 kHz
Abstandsmessungen in Luft 40 kHz bis 200 kHz
Füllstandsmessung (gasförmig und flüssig)  
Zerstörungsfreie Materialprüfung 30 kHz bis 100 kHz

Ultraschallanlagen erzeugen in der Regel Geräusche, die sich aus mehreren Einzeltönen zusammensetzen. Neben dem Hauptschall bei der Arbeitsfrequenz ergeben sich vielfach auch bei der Hälfte oder einem Viertel der Arbeitsfrequenz sogenannte Subharmonische, die damit in den Hörfrequenzbereich fallen und den A-bewerteten Pegel bestimmen können. Solche Subharmonische entstehen durch Nichtlinearitäten. Oberhalb der Arbeitsfrequenz der Mschchine entstehen Harmonische.

Messgrößen und Kennwerte

Die Eigenschaften von Schallpegelmessern sind in der Messgerätenorm DIN EN 61672-1 nur für Frequenzen bis 20 kHz definiert. Gerade bei höheren Frequenzen, oberhalb von 5kHz, läßt die Norm deutlich Abweichungen zu, wie die folgende Grafik zeigt.

Frequenzbereich bis 50kHz

Die VDI 3766 legt deshalb für die Messung von Ultraschall engere Toleranzen fest und erweitert den Frequenzbereich bis 50 kHz.

Bei einer Terzbandanalyse lässt sich damit der Frequenzbereich bis zu dem Terzband mit der Mittenfrequenz von 40 kHz abdecken. Diese Vorgaben der VDI 3766 erfordern die Verwendung von Mikrofonen mit Durchmessern von 1/4 Zoll oder 1/8 Zoll. Größere Mikrofone mit 1/2" Durchmesser zeigen bei diesen hohen Frequenzen deutliche Beugungseffekte.

Bewertungsfilter für Messungen in Anwesenheit von Ultraschall

Die A-Bewertung ist zur Beurteilung von Ultraschallgeräuschen ungeeignet, weil dabei hohe Pegel im Ultraschallfrequenzbereich das Gesamtergebnis bestimmen können. So würde man z.B. bei einem reinen Ultraschallgeräusch mit einem Pegel von 110 dB bei 20 kHz einen A-bewerteten Pegel von rund 101 dB messen und könnte daraus auf ein hohes Hörschadensrisiko schließen. Nach dem heutigen Kenntnisstand darf man jedoch davon ausgehen, dass bei dieser Ultraschallexposition (110 dB bei 20 kHz) noch keine Gefahr für das Gehör besteht.

Zur Beurteilung der Geräuschbelastung im Hörschallfrequenzbereich ist es erforderlich, den Hörschallanteil möglichst separat zu erfassen. Das lässt sich entweder durch eine Frequenzanalyse oder durch Messung mit einem geeigneten Hochpassfilter realisieren.

Das AU-Filter

Nach der VDI 3766 ist ein AU-Filter erforderlich, wie die folgende Grafik zeigt.

Dieses AU-Filter setzt sich aus der Kombination der A-Bewertung mit der U-Bewertung nach DIN EN 61012 zusammen und unterdrückt vorhandene höhere Frequenzen in starkem Maße. Bei 40 kHz sind dies schon 80dB. Mit diesem AU-Filter würde für das oben angenommene reine Ultraschallgeräusch mit 110 dB bei 20 kHz ein AU-Pegel von ca. 75 dB gemessen.

Es erscheint zunächst ungewöhnlich, dass man Schallpegel-Messungen in Anwesenheit von Ultraschall mit einem genau definierten Filter durchführt, dass den Ultraschallbereich gerade unterdrückt. Entscheidend ist, dass dieses Filter einen genau definierten Verlauf hat. Die Ultraschallanteil selbst, werden mit einer Terzbandanalyse oder einer FFT ermittelt und dokumentiert.

In vielen Messgeräten findet man zusätzlich ein Filter (ein Hochpass), dass den normalen Hörbereich ausblendet.

Als zusätzliche Messgröße ist nach VDI 3766 der Z-bewertete Spitzenschalldruckpegel LZpeak (Peak-Wert) erforderlich. Die Z-Bewertung bedeutet keine Bewertung im Frequenzbereich.

Eine Terzbandanalyse ist das wichtigste Messinstrument, um den Ultraschall genauer zu erfassen. Die Geräte sollten das 40kHz Band vollständig erfassen.

Sinnvoll ist auch eine schmalbandige FFT-Analyse, um damit vorhandene höhere Harmonische oder Subharmonische genau zu erkennen.

Grenzwerte nach VDI 3766

Zur Beurteilung einer Belastungssituation definiert die VDI 3766 Kennwerte, die aus den oben genannten Messgrößen abgeleitet werden. Ein wichtiger Kennwert ist beispielsweise der AU-bewertete Lärmexpositionspegel LEXAU,8h, der aus dem für die Arbeitsschicht ermittelten AU-bewerteten äquivalenten Dauerschallpegel LAUeq unter Berücksichtigung der Dauer der Arbeitsschicht (Einwirkzeit) mit Bezug auf 8 Stunden berechnet wird. Dieser Kennwert entspricht dem im Rahmen der Gefährdungsbeurteilung üblicherweise ermittelten Tages-Lärmexpositionspegel LEX,8h nach DIN EN ISO 9612 mit dem kleinen Unterschied, dass nach der VDI-Richtlinie 3766 der äquivalente Dauerschallpegel in der Frequenzbewertung „AU“ anstelle in „A“ gemessen wird. Als weiterer Kennwert wird der maximale 5-Minuten-Terzschalldruckpegel LZeq,Terz,5min definiert, der die Belastungssituation im jeweiligen Terzband für den lautesten 5-minütigen Zeitabschnitt der Arbeitsschicht beschreibt.

Die in der VDI 3766 beschriebenen Messgrößen und Kennwerte sind in der folgenden Tabelle aufgelistet.

Messgröße / KennwertFormelzeichen
AU-bewerteter äquivalenter Dauerschallpegel LAUeq
AU-bewerteter Lärmexpositionspegel LEXAU,8h
Z-bewerterter Spitzenschalldruckpegel LZpeak
Z-bewerteter Terzschalldruckpegel LZeq,Terz
Maximaler 5-Minuten-Terzschalldruckpegel LZeq,Terz,5min
Spektrum via FFT (optional) -

Durchführung der Messungen

Die Schallexposition an Ultraschall-Anlagen soll vorzugsweise in Abwesenheit des Beschäftigten gemessen werden, um mögliche Schallreflexionen und Abschattungseffekte durch die Person zu vermeiden. Da man bei hochfrequenten Lärmquellen mit starken Nahfeldeffekten und inhomogenen Schallfeldern rechnen muss, erfordert die Messung eine Erfassung der „Schallexposition an allen möglichen Kopfpositionen des Beschäftigten, zumindest aber an einer repräsentativ großen Anzahl von Positionen“. Dabei geht es wohl darum, die örtlichen Pegelunterschiede zu erfassen und den Ort mit der höchsten Schallexposition zu ermitteln. Für den Messpunkt mit der höchsten Schallexposition ist dann noch eine Kontrollmessung in Anwesenheit des Beschäftigten durchzuführen. Die VDI 3766 macht jedoch keine Aussage dazu, welche Messwerte als Ergebnis festzuhalten sind. Es wäre wohl sinnvoll, neben den ermittelten Höchstwerten auch räumlich gemittelte Werte anzugeben, um damit die durchschnittliche Geräuschbelastungssituation des Beschäftigten bei der entsprechenden Tätigkeit zu beschreiben.

Richtwerte nach VDI 3766 und VDI 2058 Blatt 2

Die Kenntnisse zur Wirkung von Ultraschall auf das Gehör basieren vor allem auf älteren Studien, wobei vielfach nur relativ kleine Gruppen untersucht wurden. Leider fehlen die notwendigen umfangreichen Daten zu Ultraschallexpositionen und Hörverlusten, um daraus eine Dosis-Wirkungs-Beziehung ableiten zu können. Zudem waren die meisten Beschäftigte an Ultraschall-Anlagen in ihrem Berufsleben auch anderen Lärmexpositionen ausgesetzt, so dass sich festzustellende Hörminderungen nicht eindeutig der Ultraschallbelastung zuordnen lassen. Es gibt auch kein anerkanntes Gehörschadensmodell, mit dem sich Gehörschäden durch Ultraschall erklären lassen. Unstrittig ist jedoch, dass man im Ultraschallfrequenzbereich höhere Schalldruckpegel zulassen kann als im Hörschallbereich, ohne mit Beeinträchtigungen oder Gehörschäden rechnen zu müssen. Deshalb ist es sicher sinnvoll, die Schallbelastungen im Hörschall- und im Ultraschallfrequenzbereich jeweils separat zu erfassen und zu beurteilen.

Im Rahmen der Erarbeitung der VDI-Richtlinie 3766 wurden in dem zuständigen Arbeitskreis des DIN und VDI alle verfügbaren Studien zur Wir­kung von Ultraschall ausgewertet und diskutiert. Man konnte sich jedoch nur auf die Aussage verständigen, dass der luftgeleitete Ultraschall keine Hörminderungen im Sprachfrequenzbereich (100 Hz bis 8 kHz) verursacht, wenn die in der folgenden Tabelle angegebenen Richtwerte eingehalten werden. Als Richtwerte nennt die VDI 3766 einen AU-bewerteter Lärmexpositionspegel LEXAU,8h von 85 dB und einen Spitzenschalldruckpegel von 140 dB.

KenngrößeRichtwert
AU-bewerteter Lärmexpositionspegel LEX AU,8h 85 dB
Z-bewerteter Spitzenschalldruckpegel LZ peak 140 dB

Der AU-bewertete Pegel beschreibt dabei die Schallexposition im Hörschallfrequenzbereich, während der Spitzenpegel auch Belastungen im Ultraschallfrequenzbereich beinhalten kann.

Die VDI-Richtlinie 3766 macht keine Angaben zum Schutz des Gehörs im oberen Hörfrequenzbereich (oberhalb von 8 kHz) und zur Vermeidung möglicher anderer gesundheitlicher Beeinträchtigungen, wie etwa Kopfschmerzen, Schwindel, Übelkeit und Druckgefühle. In einer Anmerkung wird allerdings auf die VDI 2058 Blatt 2 verwiesen, die in der seinerzeit vorliegenden Fassung aus 1988 einen Höchstwert von 110 dB für das Terzband von 20 kHz nannte. Danach sollten sich Beeinträchtigungen durch luftgeleiteten Ultraschall vermeiden lassen, wenn der Terzschalldruckpegel mit der Mittenfrequenz von 20 kHz den Wert von 110 dB nicht überschreitet.

Empfohlene Richtwerte für Ultraschallquellen gemäß Entwurf VDI 2058-2

Terzbandmitten­frequenz in kHzMaximaler 5-Minuten-Terz­bandpegel LZeq,Terz,5min in dB
16 90 dB
20 110 dB
25 110 dB
31,5 110 dB
40 110 dB