Unter Schall versteht man eine mechanische Schwingung, die sich in festen Körpern, Luft, Wasser oder Gas ausbreitet. Wissenschaftlich wird die Schwingung als periodische, schnelle Druckschwankung bezeichnet, die durch eine Schallquelle verursacht wird. Das kann menschliche Sprache oder ein Musikinstrument sein. In diesem Fall sprechen wir von Akustik. Wird der Schall in elektrische Signale umgewandelt oder elektrische Signale in Schallwellen, sprechen wir von Elektroakustik.
Der Schall kann auf zwei Arten übertragen werden: auf natürliche Weise oder umgewandelt in Form von elektrischen Signalen. In Gasen und Flüssigkeiten breiten sich die Schallwellen in Längsrichtung aus. Im Vakuum ist wegen des fehlenden Mediums keine Schallübertragung möglich. Ein solches Vakuum wird z. B. bei der Schallisolation in Fenstern verwendet, um die Schallwellen zu unterbrechen. Die Amplitude bezeichnet die Stärke der Druckschwankungen, sie wird Schalldruck genannt und in Dezibel (dB) gemessen.
In einem Raum den richtigen Ton zu treffen, hat großen Einfluss z. B. auf das Publikum in einem Theater oder einer Konzerthalle. Doch das gilt genauso für Gespräche in einem Restaurant oder Durchsagen in einem Einkaufszentrum. Für eine elektroakustische Anlage spielen die raumakustischen Verhältnisse daher eine wesentliche Rolle. Von einer Schallquelle ausgehend breitet sich der Schall strahlenförmig aus. Ein Teil der Schallwellen wird von den Wänden im geschlossenen Raum reflektiert, ein Teil wird je nach Raumausstattung absorbiert. Wenn der reflektierte Schall den direkten Schall überwiegt und nicht zu schnell abklingt, kann das bei Musikdarbietungen, etwa beim Orgelspiel, als angenehm empfunden werden. Bei einer Sprachübertragung führt der reflektierte Schall hingegen dazu, dass die Verständlichkeit deutlich abnimmt. Bauliche Gegebenheiten in einem Raum können leicht zu Hindernissen im Schallfeld werden. Das trifft z. B. auf Säulen zu, die eine Schallausbreitung erheblich stören. Der Schall wird vom jeweiligen Hindernis reflektiert, zerstreut oder abgelenkt.
Die wichtigste physikalische Größe für die Elektroakustik ist in einem Raum die Nachhallzeit. Sie definiert die Zeit, die vergeht, bis der Schallpegel um 60 dB gesunken ist. Beträgt der Pegel eines Schallereignisses in einem Raum 90 dB, so verbleibt nach Absinken um 60 dB ein Restschall von 30 dB. Dieser Restschall entspricht dem normalen Grundgeräusch eines größeren Raumes. Natürlich bestimmen das Volumen, die Raumnutzung und das Schallschluckvermögen eines Raumes dessen Nachhallzeit. Die Nachhallzeit ist unabhängig von der Frequenz, da unterschiedliche Materialien den Schall unterschiedlich stark absorbieren.
Das Absorptionsvermögen von Wandverkleidungen und Innenausstattungen:
- Schlecht: Glasflächen, Marmor, Glattputz
- Gut: Holzflächen, Rauputz, Parkett
- Sehr gut: Teppiche, Akustikelemente
Für die Übertragung von Sprache ist in der Elektroakustik eine erhöhte Schallabsorption vorteilhafter. Sie verringert die Nachhallzeit und erhöht die Silbenverständlichkeit. Das gilt z. B. für Hörsäle, Vortrags-, Konferenzräume, Klassenzimmer oder Unterrichtsräume. Die höhere Schallabsorption kann problemlos durch eine höhere akustische Leistung ausgeglichen werden.
Die Sprachverständlichkeit gehört zu den wichtigsten Kriterien bei der akustischen Raumgestaltung. In Notfallsituationen kann ein verständlich übertragenes Wort Menschenleben retten oder bei einer Veranstaltung die Konzentration der Zuhörer unterstützen.
In der Elektroakustik ist die Sprachverständlichkeit abhängig von vielen Faktoren: dem Frequenzgang der Übertragungsstrecke, den Umgebungsgeräuschen, der Nachhallzeit, dem Echo, der Qualität und Richtcharakteristik der Lautsprecher sowie der Lautstarke des Sprachsignals und den psychoakustischen Verdeckungseffekten. Um die Sprachverständlichkeit von elektroakustischen Anlagen zu gewährleisten, wird ein international genormtes, physikalisches Messverfahren angewandt: STI (Speech Transmission Index). Dabei empfangt ein Messmikrofon ein Testsignal, das ein STI-Messgerat auf seine Sprachverständlichkeit analysiert.
Der Mindestwert für Sprachalarmanlagen (SAA), elektroakustische Anlagen (ELA) und elektroakustische Notfallwarnsysteme (ENS) nach Anwendungsnormen muss auf der STI-Bewertungsskala bei 0,5 oder hoher liegen.
STI-Wert
0,00–0,30 schlecht
0,30–0,45 schwach
0,45–0,60 angemessen
0,60–0,75 gut
0,75–1,00 ausgezeichnet
Bei einer Signalübertragung über einen 100-V-Verstärker werden die Spannung und Impedanz erhöht – dadurch wird der Strom stark reduziert. So ist es möglich, auch bei großen Entfernungen verhältnismäßig kleine Leitungsquerschnitte zu verwenden. Größere Anlagen bestehen nicht selten aus weit über 100 Lautsprechern unterschiedlichster Bauart und Leistungen.
Deshalb bietet die 100-V-Technik bei komplexen Beschallungsanlagen mit einer großen Anzahl Lautsprecher folgende Vorteile:
- Die Impedanzanpassung wird vereinfacht
- Bei einem Lautsprecherdefekt fallen nur einzelne Lautsprecher aus
- Bei langen Leitungswegen werden die Leistungsverluste reduziert
Umgebungsgeräusche haben einen erheblichen Einfluss auf die Sprachverständlichkeit: Sie werden als Störschall bezeichnet. Die Anwendungsnormen schreiben vor, dass z. B. die Durchsage bei einem Sprachalarmierungssystem mindestens 10 dB über dem Störschallpegel liegen muss. Verdoppelt man den Abstand zur Schallquelle, vermindert sich der Schallpegel um 6 dB.
Zu beachten sind die beiden folgenden Normen:
Anwendungsnorm VDE 0833-4
Die Planung, Installation und der Betrieb von akustischen Sprachalarmierungssystemen nach EN 54-16 werden in den jeweils länderspezifischen Normen definiert. Seit dem 1. April 2011 dürfen europaweit ausschließlich Sprachalarmierungssysteme eingesetzt werden, die ein offizielles EU-Konformitätszertifikat besitzen und eine entsprechende CE-Kennzeichnung tragen. Diese Zertifikate dürfen nur durch europaweit definierte Prüfstellen ausgestellt werden (www.ec.europa.eu).
Produktnorm EN 54-16
Das akustische Sprachalarmierungssystem ist ein wichtiger Teil des gesamten Sicherheitskonzepts. Deshalb muss das System garantiert verfügbar und betriebssicher sein, so wie es die Norm EN 54-16 vorschreibt. Die permanente Selbstüberwachung des Tonsignalwegs und der unbedingt notwendigen Peripherie ermöglicht es dem akustischen Sprachalarmierungssystem, sicherheitsrelevante Fehler innerhalb von 100 Sekunden zu erkennen und diese dem Systemverantwortlichen anzuzeigen. Das bedeutet konkret, dass sich das System von der Mikrofonkapsel, über die Eingangsmodule und die Verstärker bis hin zu sämtlichen Lautsprecherleitungen eigenständig überwacht. Dazu gehören auch die digitalen Speicher der Tonsignalquellen für Alarmtexte. Die ebenfalls kontrollierte Peripherie besteht unter anderem aus der Hauptstromversorgung, der Notstromversorgung sowie der Batterieladung. Treten Fehler bei der Überwachung auf, werden diese im System jederzeit nachvollziehbar protokolliert.
Bei Sprachalarmierungssystemen nach nationaler Norm VDE 0833-4 ist auch eine von drei Sicherheitsstufen zu definieren.
Stufe 1:
Die Sicherheitsstufe 1 findet häufig Anwendung in Gebäuden, die kleiner als 2000 m² sind und in denen sich weniger als 200 Personen aufhalten. Für jeden Versorgungsbereich* müssen eigene Zuleitungen (Kabel in Funktionserhalt E 30) installiert werden. Bei einem Fehler in einem Übertragungsweg darf die Beschallung dieser Lautsprecherlinie ausfallen.
Stufe 2:
Die Sicherheitsstufe 2 ist die häufigste Anwendung. Diese findet in der Regel Anwendung in Gebäuden, die größer als 2000 m² sind und in denen sich mehr als 200 Personen aufhalten. Bei einem Fehler in einem Übertragungsweg oder in einem Verstärker muss der gesamte zu alarmierende Bereich weiterhin beschallt werden. Dabei darf die Sprachverständlichkeit nicht unter den STI-Wert 0,45 fallen. Die Ausfallsicherheit eines Bereichs kann z. B. über eine A/B-Verkabelung sichergestellt werden.
Stufe 3:
Die Sicherheitsstufe 3 findet häufig Anwendung in Gebäuden mit höchster Sicherheitsstufe. Bei einem Fehler im Gesamtsystem muss der gesamte zu alarmierende Bereich weiterhin beschallt werden. Dabei darf die Sprachverständlichkeit nicht unter den STI-Wert 0,45 fallen.
* Ein Versorgungsbereich kann ein Bereich mit max. 1.600 m2 in einem Geschoss eines Brandabschnittes oder ein notwendiger Treppenraum sein.
Alle Planungs- und Berechnungsbeispiele sind ohne Gewähr
Für die Planung, Installation und Inbetriebnahme eines akustischen Sprachalarmierungssystems sind erfahrene Profis gefragt: Die Anlagen dürfen nur von ausgewiesenen Fachfirmen projektiert, gewartet und instand gehalten werden. Die Lautsprecherlinien haben den Angaben des Systemherstellers und der jeweils nationalen Brandschutznorm zu entsprechen. Der Kabelquerschnitt richtet sich jeweils nach der Kabellänge, der Spannung und der erforderlichen Leistung. In einer Gefahrensituation, z. B. wenn ein Feuer ausbricht, ist es absolut erforderlich, dass das Sprachalarmsystem für mindestens 30 Minuten weiterhin reibungslos funktioniert.
Was ist bei der Inbetriebnahme, Abnahme und Wartung zu beachten? Die Grundfunktionen sowie das auf das Objekt bezogene Brandschutzkonzept für das Sprachalarmierungssystem werden in vollem Umfang geprüft und protokolliert. Dazu gehören auch die akustischen Parameter des Störschallpegels, des Nutzschallpegels und der jeweiligen Sprachverständlichkeit, wobei ein STI-Wert (Speech Transmission Index) von mindestens 0,5 erreicht werden sollte.
Die Abnahme von Sprachalarmanlagen und elektroakustischen Notfallwarnsystemen erfolgt durch Prüfsachverständige. Es empfiehlt sich unbedingt, mit dem Hersteller des gesamten Systems einen Wartungsvertrag abzuschließen, um die vollumfängliche Funktionstüchtigkeit jederzeit zu gewährleisten. Der Vertrag muss vier Inspektionen und eine Wartung pro Jahr vorsehen. Das beinhaltet alle notwendigen Arbeiten, zu denen die Prüfung der einzelnen Apparate, deren Funktion im ganzen System, die erneute Einregulierung der kompletten Anlage mit Instruktionen sowie die Einträge im Logbuch gehören. Zusätzlich ist zu empfehlen, einen Servicevertrag abzuschließen, um mögliche Störungen innerhalb von 24 Stunden beheben zu können. In einem solchen Vertrag lassen sich die verschiedenen Interventionszeiten – der Zeitraum zwischen einer Anfrage und der Analyse bzw. Losung – und der jeweilige Materialaufwand klar definieren.