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Spot on Technology - Passive Limiter in Kopfhörer

Hörschäden… ein paar Hintergrundinformationen…

Sie werden es anhand des Titels dieses Spot on Technology Artikels bereits erraten haben: Es geht darum unsere geliebten Kopfhörer in irgendeiner Form zu zügeln, zu „limitieren“ und somit im weitesten Sinne darum unser Gehör zu schützen. 

Warum ist dies notwendig? Und wie entstehen überhaupt Hörschäden?

Es wird grob nach 2 verschiedenen Arten der Hörschädigung unterschieden:

 

1. Knall- und Explosionstrauma

Eine Form wie wir zu einem dauerhaften Hörschaden kommen können ist ein Knall- oder Explosionstrauma. Dies ist die Einwirkung eines Schalldrucks für eine kurze Zeit, der aber so extrem hoch ist das dies quasi zu einer „mechanischen“ Schädigung unseres Innenohrs führen kann. Dies kann z.B. das Abfeuern einer Pistole direkt neben dem Ohr oder ein Schlag auf das Ohr, aber z.B. auch ein extrem lautes Rauschen oder Pfeifen auf Lautsprecherboxen oder Kopfhörer durch Fehlbedienung eines Gerätes sein. Ein Beispiel das wohl jeder kennt ist eine Mikrofonrückkopplung wenn dieses in Richtung einer lauten Lautsprecherbox gehalten wird. Die Schädigungen durch ein Knalltrauma sind oft irreversibel und führen unmittelbar zu einer dauerhaften Schädigung unseres Gehörs. Meist fällt das Erleiden eines Knalltraumas eher unter die Rubrik „Unfall“ oder „Missgeschick“, allerdings ändert dies nichts an den dramatischen Auswirkungen auf die Gesundheit unseres Gehörs.

 

2. Permanente Hörschwellenverschiebung

Zugegeben, es klingt etwas wissenschaftlich, aber so ist eben die medizinische Bezeichnung dafür. Die Wissenschaft und Medizin hat sich als Beurteilungskriterium für ein gesundes oder geschädigtes Gehör die „Ruhehörschwelle“ ausgesucht. Diese ist als 0dB(SPL) definiert, frequenzabhängig und bezeichnet den Schalldruck (einfacher: Die Lautstärke) bei dem unser Gehör Töne oder Geräusche gerade noch wahrnimmt. 

Abbildung 1  - Quelle: Wikipedia.de - Hörschwelle

 

Warum ist diese nun ein Indikator dafür dass wir unserem Gehör zu viel zugemutet haben? Nun, wenn wir uns einige Zeit einer hohen Lautstärke aussetzen führt dies zu einer Verschiebung dieser Hörschwelle. D.h. die Schwelle an der wir Töne gerade noch wahrnehmen verschiebt sich nach oben. Im Allgemeinen nennt man das „Schwerhörigkeit“, im Fachjargon heißt es „Hörschwellenverschiebung“. 

Glücklicherweise ist unser Gehör robuster als wir denken. Hören wir also eine halbe Stunde laut Musik mit unserem iPod führt dies nicht sofort zu einer dauerhaften Schwerhörigkeit. Es führt zunächst zu einer „temporären Hörschwellenverschiebung“, also einer vorübergehenden Schwerhörigkeit. Das ist z.B. das berühmte „taube Gefühl“ auf den Ohren wenn man aus der Disco kommt. Geben wir unserem Gehör nun genug Zeit sich wieder zu erholen bildet sich diese „temporäre Hörschwellenverschiebung“ wieder vollständig zurück und wir hören wieder ganz normal. Dies soll nun kein Freifahrtschein für lautes Musikhören sein, es soll nur veranschaulichen das kurzzeitiges lautes Hören keine sofortige Schädigung unseres Gehörs nach sich zieht. Entscheidend ist hier neben der schieren Lautstärke vor allem die Hördauer.

Es ist wie mit einem Fass Wasser. Das Fass veranschaulicht die Menge an Lärm die wir pro Tag vertragen können. Es ist nun zweitrangig ob wir einmal den großen Hahnen aufdrehen und das Fass volllaufen lassen oder ob wir über den Tag verteilt immer wieder kleinen Mengen Wasser hineinschütten. Entscheidend ist das das Fass nicht überläuft.

Dies setzt natürlich (wie bei allen Gesundheitsfragen) eine gewisse Disziplin des Benutzers voraus. Dies gilt besonders für Menschen die sich aus beruflichen Gründen den ganzen Tag „Lärm“ aussetzen, z.B. Tontechniker, Simultandolmetscher, Musiker, DJs, etc. Hier kann man nicht einfach dem Gehör eine Pause gönnen denn dies hieße die Arbeit zu unterbrechen. Eine zusätzliche Gefahrenquelle ist die Dauer in der man „gezwungen“ ist „zuzuhören“. Dies führt schnell zu einer Ermüdung des Gehörs und man neigt dazu ständig lauter zu drehen.

Speziell für oben genannte Personen ist es enorm wichtig während der gesamten Arbeitszeit konsequent darauf zu achten mit moderaten Lautstärken zu arbeiten, um nicht auf Dauer eine Schwerhörigkeit (permanente Hörschwellenverschiebung) quasi als Berufskrankheit zu erleiden. Dies hieße in vielen Fällen nämlich Berufsunfähigkeit.

 

Gesetzliche Rahmenbedingungen

1. Arbeitsrecht

Da nicht bei jedem Arbeitnehmer das Wissen über verantwortungsvollen Umgang mit Lautstärken vorausgesetzt werden kann (oder dieses Wissen im hektischen Berufsalltag auch gerne mal in den Hintergrund tritt) ist bezüglich „Lärm am Arbeitsplatz“ vor allem auch der Arbeitgeber in der Pflicht hier für ein nicht gesundheitsschädliches Umfeld zu sorgen.

Dieses ist festgelegt in gesetzlichen Regelungen für Lärmbelastung am Arbeitsplatz wie in Deutschland die Berufsgenossenschaftlichen Vorschriften (BGV B3 - Lärm). Hier wird unterschieden zwischen Orts- und Personenbezogenen Beurteilungspegeln (vereinfacht gesagt: Schalldruckpegel gemittelt über die Zeit) die einen Wert von 85dB(A) über einen Zeitraum von 8 Stunden nicht überschreiten sollten sowie einem maximal zulässigen Schalldruckpegel von 140dB(SPL).

Ähnliche gesetzliche Grenzwerte für Lärmbelastung am Arbeitsplatz finden sich in fast allen weiteren europäischen Ländern, wie zum Beispiel in Großbritannien wo im Statutory Instrument 2005 No. 1643

“The Control of Noise at Work Regulations 2005” ein Personenbezogener Beurteilungspegel von 87dB(A)/8h bzw. ein maximal zulässiger Schalldruckpegel von 140dB(C) festgelegt ist.

Die Grundlage aller gesetzlichen Bestimmungen für Lärmbelastungen am Arbeitsplatz (das umfasst z.B. auch die Arbeit mit Kopfhörern) ist der sogenannte äquivalente Dauerschalldruckpegel LAeq. Dies bedeutet dass die Schallbelastung während der gesamten Arbeitsdauer (typischerweise ein 8-stündiger Arbeitstag) gemessen, aufsummiert und gemittelt wird. Dieser gemittelte Wert entspricht nun einem gleichförmigen Schalldruckpegel der während der gesamten Arbeitszeit, ohne Lautstärkeschwankung und ohne Unterbrechung (quasi als Hintergrundgeräusch) auf den Benutzer einwirkt und ermöglicht eine klare Abschätzung der Lärmbelastung am Arbeitsplatz. Besonders interessant ist hier der lineare Zusammenhang zwischen Schalldruckpegel und Einwirkdauer. Dieser besagt: Ein 3dB höherer Schalldruckpegel führt zu einer Halbierung der zulässigen Hördauer.

Dies heißt somit, gerade gesund sind:

85dBA über 8 Stunden oder…

88dBA über 4 Stunden oder…

91dBA über 2 Stunden oder…

94dBA über 1 Stunde oder…

97dBA über 30 Minuten oder…

100dBA über 15 Minuten

usw.

  

2. Mobile Abspielgeräte

Eine weitere gesetzliche Regelung zur Beschränkung von Hörlautstärken mit Kopfhörern findet sich in der europäischen Norm EN 50332-1 die sich mit Schalldrücken von Kopfhörern in Kombination mit mobilen Abspielgeräten beschäftigt. 

Hier ist festgelegt das ein mobiles Abspielgerät auf dem angeschlossenen Kopfhörer keinen Schalldruck >100dB(A) erzeugen darf. Dies soll einem äquivalenten Dauerschalldruckpegel von 90dBLAeq entsprechen.

Darüber hinaus werden in den vergangenen Jahren auch immer massiver Forderungen nach einer schärferen Regulierung von Lautstärken im privaten Umfeld laut. So hat zum Beispiel der Wissenschaftliche Ausschuss der EU "Neu auftretende und neu identifizierte Gesundheitsrisiken" (SCENIHR) in einem 2008 veröffentlichten Gutachten erneut vor den Gefahren durch lautes mit mobilen Abspielgeräten wie MP3-Playern gewarnt und empfohlen die derzeit geltenden europäischen Sicherheitsnormen zu verschärfen. Es wird zum Beispiel empfohlen die derzeit geltenden Lautstärkebeschränkungen für mobile Abspielgeräte von 100dB(A) auf 89dB(A) zu senken.

Die Wirksamkeit und Umsetzung einer solchen Maßnahme bleibt letztendlich etwas fraglich, da der Benutzer dies z.B. durch die Verwendung von sehr leistungsstarken Kopfhörern oder nachgeschalteten Verstärkern umgehen kann.

 

Bewertungsfilter: 

A-bewertet, C-bewertet oder unbewertet… das ist hier die Frage!

Wir alle kennen die typischen Angaben bei Schallpegelmessungen wie dB(A), dB(C) oder dB(SPL) und haben diese für den täglichen Gebrauch akzeptiert. Nur die wenigsten kennen aber die Hintergründe dieser verschiedenen Bewertungskurven und wissen warum diese verwendet werden.

Die Ursache für die große Vielzahl unterschiedlicher Bewertungsfilter liegt schlicht und einfach in der menschlichen Hörphysiologie begründet. Die Eigenschaften des menschlichen Gehörs sind leider alles andere als linear. Weder über die Frequenz noch über die Lautstärke. Wie schon in Abb. 1 zu sehen war ist der Frequenzverlauf des menschlichen Gehörs alles andere als Geradlinig, sondern bevorzugt einzelne Frequenzbereiche. Nahe der Ruhehörschwelle werden z.B. tiefe Frequenzen unterhalb 100Hz um mehr als 20dB weniger stark wahrgenommen als Frequenzen im Bereich um 1KHz. 

Hieraus hat man das sogenannte A-Bewertungsfilter entwickelt, welches die Frequenzselektivität des menschlichen Gehörs bei einer Lautstärke von ca. 40 Phon relativ gut nachbildet. Leider hat dieses Bewertungsfilter aber auch nur für diesen Lautstärkebereich Gültigkeit. Steigert man die Hörlautstärke ändert sich die Frequenzselektivität des menschlichen Gehörs. Tiefe Frequenzen werden zunehmend im gleichen Verhältnis wahrgenommen wie mittlere und hohe Frequenzen.

Abbildung 2 - Quelle: Wikipedia.de - Frequenzbewertung

Bei einer Lautstärke von 100 Phon werden tiefe Frequenzen unterhalb 100Hz fast schon im gleichen Verhältnis wahrgenommen wie mittlere und hohe Frequenzen. Dies hat zur Einführung weitere Bewertungskurven geführt wie A-Bewertung (db(A)), C-Bewertung (dB(C)) oder einer unbewerteten Messung (dB)SPL)).

Abbildung 3 – Quelle: Wikipedia.de – Frequenzbewertung

Das Problem ist nun das man eine Vielzahl unterschiedlicher Bewertungsfilter für ein und dasselbe Problem hat (wahrgenommener Schalldruck beim menschlichen Gehör, über verschiedene Frequenzen). Im Grunde genommen müsste man ja je nach Lautstärkebereich eine andere Messmethode anwenden. Dies ist aber in der Praxis nur schwer anwendbar. Etabliert haben sich zwei Messmethoden: A-bewertet (dB(A)) und unbewertet (dB(SPL)). Wobei hier allerdings für Schallpegelmessungen die das menschliche Gehör betreffen die dB(A) Messung mit Abstand mehr Verbreitung findet. Die Verwendung der A-Bewertung ist für das reine Hörempfinden auch ein guter Kompromiss. Wenn es um Gehörschutz geht ist sie allerdings technisch nicht unbedingt der beste Ansatz. Wie schon erwähnt, die A-Bewertung orientiert sich an den Eigenschaften des menschlichen Gehörs nahe der Ruhehörschwelle.

Sobald wir aber über Gehörschutz reden, können wir davon ausgehen das wir es mit Schalldruckpegeln zu tun haben die weit jenseits der Ruhehörschwelle liegen. Je nach Lautstärkebereich wäre vielleicht eine B- oder eine C-Bewertung die sinnvollere. In der Praxis kann man natürlich nicht ständig zwischen verschiedenen Bewertungsfiltern hin und her schalten. Im Bereich Gehörschutz bieten sich deshalb zwei Messmethoden als sinnvoll an:

1. Messungen mit A-Bewertung, da diese den meisten gängigen Normen und Messvorschriften entsprechen und somit gut untereinander vergleichbar sind. Allerdings muss man in Kauf nehmen das hohe Schalldrücke deutlich weniger schädlich gewichtet werden als sie es in der Praxis sind.

2. Unbewertete Messungen. Diese stellen den höchsten Sicherheitsfaktor dar, da sie im Prinzip dem Hörempfinden bei sehr hohen Lautstärken entsprechen und alle Frequenzen gleich stark gewichten. Im Prinzip steht diese Messmethode für den „Worst-Case-Fall“. In Kauf nehmen muss man allerdings das bei niedrigen Schalldruckpegeln eigentlich „schärfer“ gemessen wird als die Auswirkungen auf das menschliche Gehör in Wirklichkeit sind.

 

Der Einsatz von passiven Limitern in Kopfhörern…

Begriffsdefinition: Was ist ein passiver Limiter?

Im Gegensatz zu aktiven Limitern, die nur beim Betrieb an einer Versorgungsspannung funktionieren, handelt es sich bei passiven Limitern um Schaltungen, die zwar auch mit elektronischen Bauteilen wie Dioden, Transistoren etc. aufgebaut sind, aber so konzipiert sind, dass sie ohne eine Spannungsversorgung funktionieren. Diese bieten sich z.B. zum Einsatz in einem Kopfhörer an, da dieser (ebenso wie ein Lautsprecher) im Normalfall nicht über einen Stromanschluss verfügt.

 

Was sie leisten können… und was sie nicht leisten können…

Fangen wir damit an was Sie nicht leisten können. Wie oben beschrieben definiert sich der Schädigungsgrad des menschlichen Gehörs aufgrund Lärmeinwirkung nicht alleine über den Schalldruckpegel, sondern besonders auch über die Expositionszeit, also die Dauer der Schalleinwirkung. Diesen Sachverhalt kann ein Limiter in einem Kopfhörer nicht abdecken, da jeder Limiter die Funktion hat einzig und allein den maximalen Schalldruckpegel zu begrenzen ohne den zeitlichen Verlauf des Lärmes zu erfassen. 

Eine Gehörschutzfunktion die auch den zeitlichen Verlauf einbezieht und somit die Anforderungen aus den Arbeitsschutzrichtlinien voll abdeckt findet sich in der patentierten beyerdynamic EarPatron™ Technologie die z.B. im Simultandolmetschersystem SIS oder im Surroundkopfhörersystem Headzone Pro XT eingesetzt wird.

Heißt dies nun das passive Limiter im Bereich Gehörschutz nur ein fauler Kompromiss sind? Nein, ein limitierter Kopfhörer kann zwar nicht den Aspekt der Hördauer berücksichtigen ist aber, bei richtiger Anwendung, trotzdem ein hervorragendes Hilfsmittel um konsequent zu hohe Abhörlautstärken auszuschließen und somit den Benutzer dauerhaft vor Schädigung seines Gehöres zu schützen. Darüber hinaus bietet die Verwendung von passiven Limiterschaltungen in Kopfhörern einige wichtige Sicherheitsaspekte:

1. Der erste große Vorteil von Limitern in Kopfhörern ist, dass sie eine Lärmbegrenzung direkt „am Ort des Entstehens“ vornehmen da sie untrennbar mit der Schallquelle, dem Kopfhörer, verbunden sind. Die Lautstärkebegrenzung von Abspielgeräten wie Kopfhörerverstärker, MP3-Player, etc. kann wie bereits beschrieben relativ leicht vom Benutzer durch Verwendung anderer Hörer oder nachgeschalteter Verstärker umgangen werden. Bei einer Limitierung des Kopfhörers selbst (als letztes Glied in der Kette) können solche Maßnahmen nicht mehr vorgenommen werden, was unter einem arbeitssicherheitstechnischen Aspekt ein wichtiger Faktor ist wenn es darum geht die Einhaltung von Lautstärkegrenzen an Kopfhörerarbeitsplätzen gewährleisten zu müssen. 

2.Der zweite große Vorteil von Limitern in Kopfhörern ist die Tatsache, dass diese direkt an die akustischen Übertragungseigenschaften des Kopfhörers angepasst und darauf kalibriert sind. Somit kann sehr genau die Begrenzung auf einen bestimmten Schalldruck bereits vom Hersteller gewährleistet werden. Ein vorgeschalteter elektronischer Limiter ist meist nur in der Lage das Audiosignal auf einen bestimmten Spannungswert zu begrenzen. Die Kalibrierung auf den Schalldruck des verwendeten Kopfhörers muss vom Benutzer selbst in einer aufwändigen Messung durchgeführt werden, die aufgrund fehlender Messausrüstung oft nur ungenau und somit unsicher durchgeführt werden kann.

 

Das beyerdynamic Limiter-Konzept

 

beyerdynamic Limiter-Konzept

Wir alle kennen den angenehm sanften Klang einer hochwertigen elektronischen Limiterschaltung wie sie im Studio und Recording-Bereich verwendet wird. Der Klang einer solchen, meist VCA-basierten, Schaltung entspricht im Prinzip einem ferngesteuerten Laut- und Leisermachen und nicht einer Schaltung die Signale kappt.

Natürlich kann auch eine solch aufwändige elektronische Schaltung direkt in einen Kopfhörer integriert werden, was diesen aber für den alltäglichen Einsatz quasi unbrauchbar macht, da der Kopfhörer immer mit einer Versorgungsspannung zum Betrieb der Limiterelektronik versehen werden muss. Diese ist an typischen Kopfhörerausgängen von Abspielgeräten nicht vorhanden.

Um dies zu umgehen und den Kopfhörer als rein passives Hörtool zu belassen greift man auf Limiterschaltungen mit passiven Bauelementen wie Dioden zurück. Diese Schaltungen kennt man als klassische „Diodenlimiter“ oder „Brickwalllimiter“ und haben die Eigenschaft beim Überschreiten einer Schwellspannung sehr schnell und sicher die Audiosignale zu kappen. Allerdings machen sie dies so schnell, dass das Signal nicht leiser gemacht, sondern abgeschnitten wird. Im Prinzip ist dies dieselbe Funktionalität wie bei einem Verzerrer.

Bei beyerdynamic haben wir intensive Arbeit investiert um mit einer rein passiven Schaltung ein ähnliches Klangbild wie bei einer aufwändigen elektronischen Limiterschaltung zu erreichen. Dies umfasst ein zweistufiges Konzept bei dem ab erreichen der Limiterschwelle zuerst eine sanft einsetzende Zurückregelung des Audiosignals um 6dB erfolgt (ähnlich einem Kompressor mit schneller Attack- und langsamer Release-Zeit). Diesem nachgeschaltet findet sich noch eine zweite, harte, Limiterstufe die bei weiter gesteigerter Eingangslautstärke das Audiosignal mit einem Brickwalllimiter hart beschneidet.

Der große Vorteil dieses Konzeptes gegenüber anderen ist der weiche, kompressorähnliche Übernahmebereich zwischen dem unlimitierten Audiosignal und der harten 2. Limiterstufe. Dieser Bereich ist immer noch sehr wohlklingend und signalisiert dem Benutzer das Erreichen der Limiterschwelle ohne sofort harte Verzerrungsspitzen zu erzeugen.

 

beyerdynamic Produkte mit Limiter:

DT 250 Series

DT 290 Series

DT 770 PRO

DT 790 Series