Wie misst man den STI und wertet die Ergebnisse aus?
von Anselm Goertz, Artikel aus dem Archiv vom
Im zweiten Teil unseres Grundlagenbeitrags über Sprachalarmierung geht es um Sprachsignal- und Störpegelermittlung sowie der eigentlichen Durchführung und Auswertung der STI-Messungen mit weiteren Tipps und Ratschlägen für die Praxis. Sie haben den 1. Teil verpasst? Hier geht es zum STI-Basiswissen.
Die Sprachverständlichkeit ist die entscheidende Größe zur Bewertung von Lautsprecheranlagen aller Art. Dieser Grundlagenbeitrag zeigt anschaulich und verständlich auf, wie die Sprachverständlichkeit in Form des STI berechnet, gemessen und bewertet wird. Im ersten Teil unseres Beitrags wurden die Grundlagen für die Messung der Sprachverständlichkeit und die möglichen Messmethoden dazu besprochen.
Im Folgenden beschäftigen wir uns zunächst mit der Ermittlung von Nutzsignalpegel und Störpegel. Bisher wurde immer etwas „leichtfertig“ vom Nutz- bzw. Sprachsignalpegel und vom Störpegel gesprochen. In der Praxis stellt sich für beide Werte die recht schwierige Frage, wie diese zu ermitteln sind. Beginnen wir mit dem Störpegel. Einfache und seltene Fälle sind Räumlichkeiten, wo erst gar kein signifikanter Störpegel auftritt, z. B. in Kirchen, oder dort, wo der Störpegel konstant ist. Ein gutes Beispiel ist hier eine Turbinenhalle, wo die Maschinen konstant laufen und immer den gleichen Geräuschpegel von sich geben.
Die meisten anderen Fälle sind jedoch eher komplexer Natur und nur schwierig zu bewerten. Betrachten wir dazu einen Bahnhof. Hier können die Störpegelwerte zwischen kaum vorhanden bis extrem hoch liegen, wenn gerade eine Diesellok ausfährt oder ein Güterzug den Bahnhof passiert. Was ist jetzt relevant? Übereifrig könnte man jetzt sagen: natürlich der Höchstwert. Freuen dürfte das die Lautsprecherhersteller, da diese Annahme in Kombination mit der Forderung einen Beschallungspegel von min. 15 dB über dem Störpegel zu erreichen, jeden Bahnhof zu einem Eldorado der Lautsprecherfreunde machen würde. Die Verhältnismäßigkeit wäre so aber bestimmt nicht mehr gewahrt, zudem sich der Höchstwert des Störpegels auch nur schwerlich definieren lassen würde. Was kann man also tun?
ABB. 6: Störpegelverlauf über 23 Stunden als LAeq für 5 s-Abschnitte(grün), als LAeq für 60 s-Abschnitte(rot) und als LAeq über die gesamte Messdauer(blau)
ABB. 7: Prozentsatz der Gesamtmessdauer in der ein bestimmter Störpegelwert gemessen als LAeq über 5 s Perioden erreicht wurde
Falls die Möglichkeit besteht, kann eine Langzeitmessung des Störpegels (ABB. 6) weiterhelfen. Eine oder mehrere Messstationen zeichnen dazu den Pegel über Stunden oder Tage auf, der anschließend ausgewertet werden kann. Ein Diagramm in ABB. 7 zeigt, welcher Störpegel zu wie viel Prozent der Zeit erreicht wird. Auch diese Auswertung ist nicht ganz unkritisch, weil zu unterscheiden ist zwischen üblichen Störgeräuschen und denen, die womöglich von außen zugeführt wurden, z. B. durch ein überfliegendes Flugzeug oder durch Lärm einer Straßenbaustelle. Dann gilt es zu entscheiden, welcher Wert relevant ist. Der Störpegel, der zu zehn Prozent der Zeit, zu fünf Prozent oder zu einem Prozent erreicht wird? Die Frage zeigt erneut die Schwierigkeit der Festlegung. Da nicht nur der Summenpegel relevant ist, sondern auch noch die spektrale Verteilung, kommt der nächste kritische Punkt ins Spiel. Hier wird die gewisse Willkür in der Störpegelbestimmung noch deutlicher.
ABB. 8 zeigt dazu die Bedeutung der Oktavbänder für die Berechnung der Sprachverständlichkeit. Das 125 Hz-Band ist de facto unbedeutend und auch das von 250 Hz fällt nur gering ins Gewicht. Das Schwergewicht liegt bei 2 kHz, aber auch das 8 kHz-Band ist nicht ganz unbedeutend. Letzteres sollte man sich immer dann vor Augen halten, wenn sich in der Signalstrecke, warum auch immer, ein Telefon-Codec befindet, der die Bandbreite auf 3,5 kHz limitiert. Eine gut funktionierende und auch gut klingende Anlage kann durch eine solche Begrenzung schnell ins Gegenteil kippen.
In Relation zum Störpegel kommt noch der Aspekt hinzu, dass die höheren Oktavbänder im Sprachspektrum insgesamt schwächer vertreten sind und diese daher schneller im Störpegel untergehen. In der Praxis ist es daher oft so, dass für eine gute und verständliche Sprachwiedergabe zum einen ein Hochpassfilter gesetzt wird, um den tieffrequenten Anteil zu reduzieren. Gleichzeitig wird der
2 kHz-Bereich mit der sogenannten Präsenzanhebung verstärkt.
ABB. 8: Bewertungsfaktoren der für Sprache relevanten Oktavbänder für weibliche Sprecherinnen und männliche SprecherABB. 9: Gemitteltes Störpegelspektrum für Messperioden mit Pegelwerten zwischen 70 und 80 dBA
In unserer Beispielmessung wurde der relevante Störpegel im Summenwert zu 75 dBA angenommen und das Störspektrum so ermittelt, dass alle Messperioden, deren Pegelwerte zwischen 70 und 80 dB lagen, für eine mittlere spektrale Verteilung herangezogen wurden. Das Ergebnis in Terzbändern findet sich in ABB. 9. Aus den Terzbändern könnte man jetzt die Oktavbandpegelwerte berechnen und mit diesen in die STI-Berechnung gehen. Eine solche Vorgehensweise wäre fachlich irgendwie begründbar, ist aber trotzdem auch wieder willkürlich. Ermittelt man die Störspektren ein wenig anders, sehen die finalen STI-Ergebnisse u. U. schon entscheidend besser oder schlechter aus. Der langen Rede kurzer Sinn ist, dass die Bestimmung des Störpegels als solches und noch mehr des zugehörigen Spektrums kritisch und auch in weiten Bereichen willkürlich ist.
Unterstützung in Form einer Norm oder auch nur einer Empfehlung, wie der Störpegel zu erfassen ist, gibt es in konkreter Form leider noch nicht. Ein Arbeitskreis beim VDE befasst sich mit dem Thema und hat zwischenzeitlich auch schon ein einfaches Tool herausgegeben, mit dem der zu erwartende Störpegel anhand von akustischen Parametern der Räumlichkeit sowie deren Nutzung und der zu erwartenden Personenzahlen abgeschätzt werden kann. Weitere Empfehlungen zum Thema Messung von Störpegeln stehen noch aus.
Ein pragmatischer Ansatz im Umgang mit Störpegeln sieht so aus, dass man die spektrale Verteilung außen vor lässt und lediglich den Nachweis antritt, dass ein bestimmter Störabstand erreicht wird. ABB. 2 hatte dazu gezeigt, dass erst ab 15 dB Störabstand davon ausgegangen werden kann, dass der Störpegel keinen negativen Einfluss mehr auf den STI-Wert hat. Eine gerne angewandte Faustregel bezeichnet 10 dB als hinreichend. Was ist nun richtig? 5 dB mehr oder weniger Pegel bedeutet in der Verstärkerleistung einen Faktor 3,16 und damit eine dramatische Steigerung des Aufwandes und der Kosten. Hier muss man in den allermeisten Fällen die Frage der Verhältnismäßigkeit stellen. Sieht man alleine nur, wie oft in den vorhergehenden Absätzen schon das Wort „willkürlich“ vorgekommen ist, dann ist aus der Sicht des Autors die Vorgehensweise den STI ohne Störpegel zu bestimmen und separat den Nachweis zu führen, dass ein Signalpegel von mindestens 10 dB über dem wie auch immer angenommenen Störpegel vorliegt, ein sinnvoller und vernünftiger Weg.
Die etwas müßige Diskussion findet ihre Fortsetzung auf der anderen Seite, wenn es darum geht den Sprachsignalpegel festzulegen. Als Messsignal ist dazu z. B. das modulierte STIPA-Rauschen gut geeignet. Das Signal entspricht in der spektralen Zusammensetzung, in der Modulation und auch im Crestfaktor (Verhältnis im Signal zwischen Spitzenwert und Effektivwert) einem Sprachsignal. Es können aber auch andere Rauschsignale genutzt werden, die in der spektralen Zusammensetzung und im Crestfaktor passend sind. Typischerweise geht man dabei von einem männlichen Sprecher entsprechend Abbildung 3 aus dem ersten Beitrag als ungünstigerer Fall und von einem Crestfaktor von 12 dB aus. Auch ein Sprachsignal kann zur Messung verwendet werden. Aufgrund der Sprachpausen reicht es hier aber nicht einfach nur den Pegel als Leq zu messen. Stattdessen ist der sogenannte Perzentilpegel LF10 zu bestimmen, der nur die lautesten 10 % berücksichtigt und somit die Sprachpausen ausblendet.
Die Messung mit Rauschsignalen gestaltet sich einfacher und gilt daher auch als erste Wahl. Nach Norm ist die Anlage zur Bestimmung des Pegels mit Nennpegel oder im Falle einer SAA mit Alarmierungspegel zu betreiben. Der Alarmierungspegel ist in der Regel so hoch, dass die Anlage dabei voll ausgelastet wird. Wann ist diese Vollauslastung erreicht, muss man sich da fragen? Typischerweise, wenn die Clip-LEDs in den Signalspitzen zu blinken beginnen. Gibt es keine Clip-Anzeige, kann man die Clipgrenze auch gut damit ausfindig machen, indem man den Einspeisepegel am Generator sukzessive in 1 dB-Schritten erhöht und dabei auf dem Pegelmesser verfolgt, wie der Schallpegel ansteigt. Stößt die Anlage an ihre Grenzen, dann folgt der gemessene Schalldruckanstieg nicht mehr der Pegelerhöhung am Generator.
Hier kommt jetzt die nächste kritische Frage auf: Darf eine Anlage das Signal komprimieren und wenn ja, wie weit und wie wirkt sich die Kompression auf die Sprachverständlichkeit aus? Die VDE 0833-4 äußert sich dazu inhaltlich wie folgt: Die Dynamikbearbeitung wird für die Messung der Sprachverständlichkeit nur für die Bestimmung des erreichbaren Maximalpegels genutzt. Die Messung erfolgt als Leq-Messwert in Oktavbändern von 125 Hz bis 8 kHz. Die Bestimmung des STI-Basiswertes über den Modulationsverlust des Testsignals erfolgt in einer weiteren, davon unabhängigen Messung ohne Dynamikbearbeitung. Der STI verschlechtert sich daher durch die Dynamikbearbeitung nicht.
Der durch die Signalkompression erreichte höhere Signalpegel und somit verbesserter S/N führt zu einer Verbesserung des STI-Wertes im Zusammenhang mit Störgeräuschen. Die Dynamikbearbeitung muss im Falle einer SAA nach VDE 0833-4 in der EN54-16 zertifizierten Brandmeldeanlage erfolgen. In der Praxis hat sich die Kompression eines Sprachsignal bis auf einen Crestfaktor von 6 dB als machbar erwiesen. Gegenüber dem 12 dB Crestfaktor STIPA-Testsignal bedeutet dies einen Pegelgewinn im zu messenden Leq von 6 dB. Ist also eine Dynamikkompression im Spiel, dann ist unabhängig vom Messverfahren dreistufig zu messen: Eine erste Messung zur Störpegelbestimmung. Eine STI-Messung ohne Maskierung, ohne Kompression und ohne Übersteuerung der Anlage.
Und eine dritte Messung zur Bestimmung des Maximalpegels mit Kompression bei voller Auslastung der Anlage. Die Nummerierung der Messungen ist hier nur aufzählend und nicht als zeitliche Abfolge zu verstehen. Alle drei Messungen sind abschließend final zur Auswertung zusammenzuführen. Auf jeden Fall ist dabei nach VDE 0833-4 die Maskierung für den STI bezogen auf den gemessenen Maximalpegel zu berücksichtigen. Den Störabstand betreffend kann man an dieser Stelle nun zwei Wege gehen. Entweder „Dienst nach Vorschrift“ mit den exakten Signal- und Störpegelwerten für jedes Oktavband oder über den vereinfachten Nachweis des 10 oder 15 dB Störabstandes als A-bewerteter Summenpegel.
Wer jetzt entsetzt die Vereinfachung als fachlich falsch und nicht normgerecht geißelt, sollte kurz innehalten und sich überlegen, wie weit denn die dafür angenommenen Oktavbandwerte des Störpegels überhaupt als exakt und nachweisbar zu begründen sind. Speziell wenn es um eine SAA geht, muss es das übergreifende Ziel sein, eine Anlage mit verhältnismäßigem Aufwand sinnvoll zu realisieren und nicht durch überzogene Forderungen die Umsetzung zu blockieren, weil es entweder gar nicht zu erfüllen ist oder die Kosten dabei eskalieren würden.
Hat man sich einmal auf ein Messverfahren geeinigt, geht es noch um die Durchführung der Messung. Die Norm gibt ein sinnvolles Messraster von 6 × 6 m als Empfehlung vor. Davon kann je nach räumlicher Gegebenheit in die eine oder andere Richtung abgewichen werden. Mit der indirekten Messmethode genügt eine Messung pro Position, für die direkte Methode ist eine Messung nur dann ausreichend, wenn der Messwert größer oder gleich 0,63 ist. Ansonsten sind zunächst drei Messungen pro Position durchzuführen.
Ist deren Abweichung untereinander kleiner 0,03, dann kann über diese drei Messungen gemittelt werden. Ist die Abweichung größer als 0,03, sind drei weitere Messungen durchzuführen mit anschließender Mittelung über alle sechs Messungen. Ist die Abweichung größer als 0,05, dann ist zunächst nach der Ursache der starken Schwankungen zu suchen. Diese kann z. B. in einer Übersteuerung der Anlage, in Nichtlinearitäten auf der Übertragungsstrecke oder in Störgeräuschen liegen. Eine andere häufige Ursache können starke Luftbewegungen durch Wind oder auch Lüftungsanlagen sein.
ABB. 10: Verteilungsfunktion der Messwerte mit dem Verlauf einer Gaußkurve. Iav = Mittelwert, ó = Standardabweichung
Sind alle Werte ermittelt und mögliche Effekte wie Maskierung etc. eingerechnet, dann sind aus allen Messwerten der arithmetische Mittelwert und die Standardabweichung zu ermitteln. Der Mittelwert abzüglich der Standardabweichung ist der finale Messwert. Zur Maskierung ist eine zurzeit noch bestehende etwas verwirrende Normensituation zu beachten. Handelt es sich um eine SAA nach VDE 0833-4, ist nach der aktuellen Ausgabe der EN 60268-16 die Maskierung zu berücksichtigen.
Handelt es sich jedoch um ein ENS (Elektroakustisches Notfallwarnsystem) nach EN 60849, dann ist der STI-Wert entsprechend des datierten Verweises auf die EN 60268-16 von 1998 zu bestimmen, in der die Maskierung noch nicht vorkommt. Speziell für kritische Objekte mit hohem Störpegel, wo sehr hohe Sprachsignalpegel erforderlich sind, z. B. in Sportstadien, kann es ein Rettungsanker sein, wenn die Maskierung außen vor bleiben kann. Als ENS nach 60849 gelten alle Anlagen, die nicht automatisch über eine Kopplung mit der Brandmeldeanlage alarmieren, sondern ausschließlich individuell über eine Feuerwehrsprechstelle.
An dieser Stelle kommt erstmals das Thema Sprechstelle ins Spiel. Falls diese Bestandteil der Anlage ist, dann ist sie mit in die Messung einzubeziehen. Das wird praktiziert, indem das Testsignal über einen Sprecherersatz, z. B. eine Talkbox von NTI, über das Mikrophon eingespielt wird. Der Sprecherersatz arbeitet mit einem Pegel von 60 dBA in 1 m Entfernung. Aufzustellen ist der Sprecherersatz in einer typischen Einsprechentfernung, die für eine Feuerwehrsprechstelle mit Schwanenhals z. B. 5 bis 10 cm betragen könnte.
Wird die Anlage dagegen ausschließlich aus einem Sprachspeicher mit vorgefertigten Ansagen gespeist, dann kann das Messsignal auch direkt eingespielt werden. Einige Anlagen haben für die Messung das STIPA-Testsignal auch schon im Sprachspeicher hinterlegt. Noch einmal zurück zur Messung – hier gilt es noch einige Dinge zu beachten.
Die Wahl der Messpositionen ist nicht strikt festgelegt. Man muss daher auch nicht unbedingt mit dem Messgerät in die hinterste Ecke gehen oder in einem Hotelzimmer unter die Bettdecke kriechen. Die Höhe des Messmikrofons sollte für sitzende Personen 1 bis 1,2 m und für stehende 1,5 bis 1,7 m über dem Boden betragen. Gibt es viele identische Räume, z. B. in einem Hotel oder Bürokomplex, dann reicht es einen Raum zu messen und in allen anderen nur eine Funktionskontrolle durchzuführen. Ebenso kann eine Messung in Räumen mit Symmetrien vereinfacht werden, wo es dann ausreicht beim Betrieb – wohlgemerkt aller Lautsprecher – eine Raumhälfte zu messen. Für die finale Auswertung ist nur noch der Mittelwert abzüglich der Standardabweichung relevant. Andere Festlegungen wie z. B. „84 % aller Messwerte müssen den Grenzwert erfüllen“, sind nicht anzuwenden.
Die 84 % entstammen der Annahme einer Gaußverteilung der Messwerte, bei der 84 % der Werte über dem Mittelwert abzüglich der Standardabweichung liegen. Das ist natürlich grundsätzlich immer richtig, nur folgt die Messwerteverteilung in den seltensten Fällen einer Gaußkurve. ABB. 10 zeigt eine Gaußkurve mit den zugehörigen prozentualen Verteilungen für einige Eckwerte.
Generell gilt für ENS und SAA, dass ein Wert von STI = 0,5 als Mittelwert abzüglich der Standardabweichung mindestens zu erreichen ist. Im Havariefall, wenn z. B. ein Lautsprecherkreis ausfällt, ist noch ein Wert von STI = 0,45 zu erreichen. Dieser Nachweis ist im Zweifelsfall für alle möglichen Ausfallszenarien messtechnisch nachzuvollziehen. Handelt es sich bei den zu alarmierenden Personen um einen geschlossenen Kreis, z. B. in einem Werk, in dem regelmäßig Brandschutzübungen durchgeführt werden und die Ansagen bekannt sind, kann der Grenzwert auf 0,45 auch für den Normalbetrieb reduziert werden. Wie sich dieser Wert im Havariefall verhält ist in der VDE 0833-4 nicht beschrieben.
Werden Lautsprecheranlagen unabhängig von einer Sprachalarmierung betrachtet, können die Anforderung an die Sprachverständlichkeit auch deutlich höher oder manchmal auch niedriger liegen. In der EN 60268-16 findet sich in Form eines informativen Anhangs dazu eine detaillierte Tabelle mit Kategorien von A+ bis U für den STI-Wertebereich von 0,76 bis 0,36. Vortrags- und Plenarsäle fallen hier z. B. in die Kategorie C mit einem Wert von 0,66. Die erhöhte Anforderung resultiert für diese Anwendungen daraus, dass es auch über Stunden möglich sein muss ohne große Anstrengung konzentriert zuzuhören. Bei einem Wert von 0,5 wäre das nicht möglich. Am unteren Ende befinden sich die Kategorie H und I mit Werten von 0,46 und 0,42 für Beschallungen in akustisch sehr schwierigen Räumen, z. B. Straßentunnel mit extremen Nachhallzeiten (10 s und mehr) und ebensolchen Störpegeln (95 dBA und mehr), bei denen die Beschallungstechnik an ihre Grenzen stößt.
Häufig sollen die zu erreichenden STI-Werte schon in der Planungsphase über eine Simulation prognostiziert werden. Hier gelten im Prinzip die gleichen Regeln wie für eine Messung. Die Hörerflächen sind ähnlich den Mikrofonpositionen anzulegen, ein Störgeräusch kann ausgewählt und eingestellt werden, ebenso die Maskierung. Die Berechnung erfolgt auch als Mittelwert abzüglich der Standardabweichung.
Für die korrekte Berechnung des erreichbaren Maximalpegels bedarf es unbedingt zuverlässiger und seriöser Lautsprecherdaten, die sowohl in Bezug auf die Sensitivity wie auch die Belastbarkeit verlässlich sein sollten. Des Weiteren ist zu beachten, dass die Berechnungen mit den richtigen Filtereinstellungen und mit einem Sprachspektrum als Anregungssignal erfolgen müssen. Vorsicht ist bei den berechneten Maximalpegeln dann trotzdem noch geboten, da die Software in der Regel nur von 3 dB Crestfaktor im Testsignal ausgeht.
In der Software sollte daher ein zusätzlicher Headroom von 3 bis 9 dB für Signale mit Crestfaktoren von 6 bis 12 dB eingestellt werden. Grundsätzlich ist es auch anzuraten zunächst eine einfache Berechnung mit nur einem einzelnen Lautsprecher durchzuführen und die so erreichten Maximalpegelwerte einem strengen Plausibilitätstest zu unterziehen. Von den Herstellern angegebene Maximalpegelwerte sind meist nicht hinreichend in ihrer Herkunft definiert und eignen sich nicht für eine Abschätzung des erreichbaren Pegels mit Sprachsignalen.
Ein weiterer entscheidender Punkt für die Aussagekraft einer Simulationen sind richtige Annahmen für die Nachhallzeit. Diese sollten, falls möglich, gemessen werden oder sind über die Absorberdaten zu ermitteln. Als Rechenverfahren zur Bestimmung der Sprachverständlichkeit sollten bevorzugt Methoden nach der kombinierten Spiegelquellen- und Strahlenverfolgungsmethode eingesetzt werden, die gegenüber rein statistischen Methoden vor allem bei stark richtenden Lautsprechern im halligen Umfeld genauere Ergebnisse liefern. Zusammen mit den Simulationsergebnissen sind immer alle hier aufgeführten Bedingungen für die Berechnung anzugeben, ohne die das Resultat seine Aussagekraft verliert.
