Messung und Beurteilung von Ultraschall- geräuschen · PDF fileTabelle 1 Industrielle...

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  • Arbeits- und Gesundheitsschutz

    Technische Sicherheit Bd. 2 (2012) Nr. 7/8 - Juli/August 51

    Messung und Beurteilung von Ultraschall -geruschen am Arbeitsplatz Jrgen H. Maue, Sankt Augustin

    Mit der Richtlinie VDI 3766 [1] wurde nun der zweite Entwurf

    einer Richtlinie fertiggestellt, die die Durchfhrung entsprechender Messun-gen an Arbeitspltzen und deren Beurtei-lung sowie geeignete Lrmminderungs-manahmen beschreibt. Da die Meinun-gen bezglich der Beurteilung von Ultra-schallgeruschen und der dabei anzuset-zenden Grenzwerte stark divergierten, hat die Erarbeitung dieser Richtlinie mehr als elf Jahre gedauert. Der neue Ent-wurf der Richtlinie VDI 3766 wird hier kurz vorgestellt, wobei insbesondere auf die Messgertetechnik und die zu bestim-menden Kennwerte eingegangen wird.

    Darber hinaus werden Empfehlungen zur Beurteilung der gewonnenen Ergeb-nisse gegeben.

    Vorkommen von Ultraschall Um einen berblick ber die verschie-

    denen industriellen Einsatzbereiche von Ultraschall zu geben, werden in der Richtlinie VDI 3766 [1] entsprechende Anwendungen zusammen mit den je-weils blichen Arbeitsfrequenzen in Form der Tabelle 1 aufgelistet. Die relativ hufig eingesetzten Verfahren der Ultra-schallreinigung und des Ultraschall-schweiens werden ausfhrlich be-schrieben. Zur Veranschaulichung der

    dabei entstehenden Gerusche finden sich im Anhang der VDI-Richtlinie Bei-spiele mit den entsprechenden Schmal-band- und Terzbandspektren.

    Da beim Schweien mit Ultraschall vielfach besonders hohe Schalldruck-pegel mit bedeutenden Anteilen im Hr-frequenzbereich entstehen, sei dieses Ver-fahren hier kurz erlutert. Das Ultra-schallschweien ermglicht eine Verbin-dung von thermoplastischen Kunststoff-teilen, wobei auch Metallteile in den Kunststoff eingebettet werden knnen. Zum Verschweien der Teile werden sie ber die Sonotrode zu Schwingungen an-geregt (siehe Bild 1). Durch die Grenz -flchenreibung an den Fgeflchen wird die eingebrachte Ultraschallenergie ab-sorbiert, sodass sich der Kunststoff er-wrmt und die Teile miteinander ver-schmelzen. Der groe Vorteil dieses Ver-fahrens liegt in der gezielten schnellen Erwrmung der zu verbindenden Kon-taktstellen, ohne das brige Material unntig zu erwrmen und damit mg -licherweise zu verformen. Aufgrund der rumlich begrenzten Erwrmung ist das Verfahren auch besonders energie -effizient.

    Ultraschall-Schweianlagen verursa-chen stark schwankende Geruschbelas-

    Tabelle 1 Industrielle Ultraschallanwendungen und typische Frequenzbereiche (nach VDI 3766).

    Ultraschall kommt heute in vielen Bereichen der indus-

    triellen Produktion zur Anwendung, z. B. zum Reinigen,

    Schweien, Bohren und Schneiden. Dabei entstehen

    an den zugehrigen Arbeitspltzen i. d. R. tonale

    Geruschbelastungen mit mehr oder weniger bedeu-

    tenden Anteilen bei Ultraschallfrequenzen wie auch im

    Hrfrequenzbereich. Da handelsbliche Schallpegel-

    messer nur fr die Erfassung von Geruschen im Hr-

    schallbereich ausgelegt sind, sind diese Messgerte

    nicht ohne Weiteres fr die entsprechenden Messun-

    gen an Ultraschallanlagen einzusetzen. Erfahrungs-

    gem knnen sich dabei je nach Schallpegelmesser

    deutlich abweichende Messwerte ergeben.

    Industrielle Anwendungen Typische Frequenzbereiche

    Reinigen 20 kHz bis 5 MHz

    Schweien 15 kHz bis 70 kHz

    Aufbereitungs- und Verfahrenstechnik 20 kHz bis 400 kHz

    Entgasung von Flssigkeiten 20 kHz bis 100 kHz

    Lten 20 kHz bis 100 kHz

    Bohren und Schneiden 16 kHz bis 50 kHz

    Abstandsmessungen in Luft40 kHz bis 200 kHz

    Fllstandsmessung (gasfrmig und fl ssig)

    Zerstrungsfreie Materialprfung 30 kHz bis 100 kHz

  • tungen, wobei die hchsten Pegel jeweils zu Beginn des Schweivorgangs beim

    ersten Kontakt der Sonotrode mit dem Werkstck entstehen.

    Bild 2 zeigt das Schmalbandspektrum einer Ultraschall-Schweimaschine mit einer Arbeitsfrequenz von 20 kHz. Ergn-zend dazu ist im Bild 3 das entspre-chende Terzbandspektrum dargestellt. Es ist typisch fr diese Ultraschallanlagen, dass sich der abgestrahlte Schall aus ein-zelnen tonalen Anteilen zusammensetzt, die die Gesamtbelastung bestimmen kn-nen. Neben der Schallabstrahlung bei der Arbeitsfrequenz ergeben sich i. d. R. auch bei der Hlfte oder einem Viertel der Arbeitsfrequenz sog. Subharmonische (Untertne), die in den Hrfrequenz-bereich fallen und den A-bewerteten Pegel bestimmen knnen. Oberhalb der Arbeitsfrequenz der Schweimaschine entstehen jeweils hhere Harmonische.

    Messgerte, Messgren und Kenn-werte

    Die Eigenschaften von Schallpegel-messern sind in der Messgertenorm DIN EN 61672-1 [2] nur fr Frequenzen bis zu 20 kHz beschrieben. Bild 4 zeigt die dort festgelegten Fehlergrenzen fr Schallpegelmesser der Klasse 1 (rot) und 2 (blau). Danach werden fr Frequenzen oberhalb von 10 kHz relativ groe Grenz-abweichungen toleriert. Selbst fr Schall-pegelmesser der Genauigkeitsklasse 1 sind z. B. bei 16 kHz negative Abwei-chungen bis zu - 17,0 dB zulssig. Des-halb knnen sich bei der Messung von Ultraschallgeruschquellen oder sehr hochfrequenten Geruschen je nach Schallpegelmesser durchaus um 10 bis 20 dB abweichende Messwerte ergeben.

    Die in Bild 4 grn eingetragenen Kurven zeigen die in der VDI 3766 definierten Feh-lergrenzen, die somit den Einsatz des Schallpegelmessers fr hhere Frequenzen erweitern. Der Schallpegelmesser soll da-mit eine Terzbandanalyse bis zum Terzband mit der Mittenfrequenz von 40 kHz ermg-lichen, d. h. er muss den Frequenzbereich bis mindestens 50 kHz erfassen. Fr die Mikrofone sind die Durchmesser von ein Viertel Zoll und ein Achtel Zoll vorgegeben, um diesen erweiterten Frequenzbereich ab-zudecken und den Einfluss der Richtcha-rakteristik des Mikrofons gering zu halten.

    Das Messgert muss neben der A-Be-wertung auch ber die Frequenzbewer-tung U nach DIN EN 61012 [3] verfgen, die die Frequenzen bis 10 kHz unver-ndert durchlsst, um dann zu hheren Frequenzen relativ steil abzufallen (Dmpfung ca. 25 dB bei 20 kHz, ca. 62 dB bei 40 kHz). Zur Beschreibung des Hrschalls ist der AU-bewertete Schall-druckpegel zu erfassen, der sich aus der

    Bild 1 Ultraschall-Schweimaschine.

    Bild 3 Terzbandspek-

    trum einer Ultraschall-

    Schweimaschine.

    Bild 2 Schmalbandspek-

    trum einer Ultraschall-

    Schweimaschine.

    Arbeits- und Gesundheitsschutz

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  • Arbeits- und Gesundheitsschutz

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    Kombination der A-Bewertung mit der U-Bewertung ergibt (in Reihe geschaltet) und somit den Ultraschallanteil weit-gehend unterdrckt. Bild 5 zeigt die bis 40 kHz berechnete A-Bewertung und die AU-Bewertung. Aufgrund der in der DIN EN 61672-1 [2] festgelegten relativ groen Toleranzen der A-Bewertung er-fllt die in der VDI 3766 mit geringeren Toleranzen festgelegte AU-Bewertung noch die entsprechenden Vorgaben fr die A-Bewertung.

    Als zustzliche Messgre und Kenn-wert ist nach VDI 3766 der Z-bewertete Spitzenschalldruckpegel LZpeak zu be-stimmen.

    Schlielich sollte das Messgert auch eine Echtzeit-Terzbandanalyse ermg lichen, um damit die Belastungs-situation genauer zu beschreiben. Op-tional kann auch eine Schmalband-Analyse durchgefhrt werden, sodass sich vorhandene hhere Harmonische oder Subharmonische genau erkennen lassen.

    Zur Beurteilung einer Belastungssitua-tion definiert die VDI 3766 Kennwerte, die aus den oben genannten Messgren abgeleitet werden. Ein wichtiger Kenn-wert ist beispielsweise der AU-bewertete Lrmexpositionspegel LEXAU,8h, der aus dem fr die Arbeitsschicht ermittelten AU-bewerteten quivalenten Dauer-schallpegel LAUeq unter Bercksichtigung der Dauer der Arbeitsschicht (Einwirk-zeit) mit Bezug auf acht Stunden berech-net wird. Dieser Kennwert entspricht dem im Rahmen der Gefhrdungs-beurteilung blicherweise ermittelten Tages-Lrmexpositionspegel LEX,8h nach DIN EN ISO 9612 [4] mit dem kleinen Unterschied, dass nach VDI 3766 der quivalente Dauerschallpegel in der Fre-quenzbewertung AU anstelle in A aufzunehmen ist.

    Als weiterer Kennwert wird der maxi-male 5-Minuten-Terzschalldruckpegel LZeq,Terz,5min definiert, der die Belastungs-situation im jeweiligen Terzband fr den lautesten fnfmintigen Zeitabschnitt der Arbeitsschicht beschreibt.

    Tabelle 2 zeigt eine bersicht ber die hier erluterten nach VDI 3766 zu be-stimmenden Messgren und Kenn-werte.

    Durchfhrung der Messungen Die Schallexposition an Ultraschall-

    Anlagen soll vorzugsweise in Abwesen-heit des Beschftigten gemessen werden, um mgliche Schallreflexionen und Ab-schattungseffekte durch die Personen zu

    vermeiden. Dabei ist auch zu prfen, ob es grere rtliche Pegelunterschiede gibt, d. h. die Schallbelastungen sind an mehreren Messpunkten im Arbeits-bereich des Beschftigten aufzunehmen und miteinander zu vergleichen. Als Messergebnis sind jeweils die Werte fr die Position mit der hchsten Schall-belastung festzuhalten.

    Alternativ zu der blichen ortsfesten Messung mit dem Schallpegelmesser sind

    auch personengebundene Messungen mit einem entsprechend den Vorgaben der DIN EN ISO 9612 [4] auf der Schulter des Beschftigten befestigten Mikrofon mglich. Das Mikrofon ist dabei auf der Schulterseite mit der hheren Schall-exposition anzubringen. Um die entspre-chend hher belastete Seite zu ermitteln, verlangt die VDI 3766 Vergleichsmessun-gen auf beiden Seiten des Kopfes. Bei die-ser personengebundenen Messung muss

    Tabelle 2 Messgren und Kennwerte nach VDI 3766.

    Bild 5 Frequenz -

    bewertungskurven A,

    AU und Z.

    Bild 4 Fehlergrenzen fr Schallpegelmesser nach DIN EN 61672-1 (Klasse 1 und 2) und VDI 3766.

    Messgre/Kennwert Formelzeichen

    AU-bewerteter quivalenter Dauerschallpe