Störgeräusche von Scheinwerfern ermitteln und mindern
von Herbert Bernstädt,
Nicht nur Movinglights, auch LED-Scheinwerfer verursachen Geräusche. Lüftergeräusche, Netzteilpfeifen oder der photoakustische Effekt sind die neuen Geräuschquellen gegen über Lampensummen und Gehäuseknacken der Halogengeneration. Konnte man früher Movinglights alleine aufgrund Ihres Rauschen als eingeschaltet im Raum identifizieren, so sind Movinglights wie auch statische Scheinwerfer, die für geräuschkritische Anwendungen entworfen wurden, nicht oder kaum noch zu hören. So kommt automatisch die Frage auf, wie man nun Scheinwerfer untereinander in Ihrer Lautstärke beurteilen wenn man Sie nicht im AB-Vergleich direkt abhört.
Prof. Dr.-Ing. Anselm Goertz war auch diesmal federführend für die Messung von den heute sehr leise gewordenen Lichtwerfern. (Bild: Herbert Bernstädt)
Was ist der Unterschied zwischen Sone und Dezibel?
Im Konsumerbereich werden für den Nichttechniker die Geräusche einer Waschmaschinen oder NAS-Laufwerk in Sone angegeben. Mit Sone wird ein subjektives Lautstärkeempfinden dargestellt. Sone ist also eine sogenannte psychoakustische Größe und beschreibt nicht die physikalische Eigenschaft, sondern die Wahrnehmung von Schall. Möchte man die empfundene Lautstärke eines Geräusches angeben, so sollte man dies in Sone machen. Einige Beispiele zum besseren Verständnis der Einheit Sone: Das Rauschen von Blättern oder ruhiges Atmen wird mit einem Schalldruckpegel von etwa 10 dB angegeben. Das entspricht 0,02 Sone. Die Geräuschkulisse in einem sehr ruhigen Zimmer beträgt etwa 26 bis 30 dB. Dies entspricht übrigens auch dem Geräusch, welches die meisten Gehäuselüfter bei PCs verursachen. In Sone angegeben bedeutet dies 0,15 bis 0,4. Wir in der Veranstaltungstechnik sind dagegen mit Schalldrücken vertraut. Da der Schalldruckpegel eine technische Größe ist, kann er nur bedingt etwas über die Lautstärke aussagen, die der Mensch hört. Trotzdem gilt, dass mit einer Erhöhung des Schalldruckpegels auch die vom Menschen empfundene Lautstärke ansteigt. Steigt der Schalldruck um 10 dB, so geht man davon aus, dass sich die empfundene Lautstärke etwa verdoppelt. Da der Schalldruck auch von der jeweiligen Frequenz des Tons abhängig ist, eignet sich diese Einheit nur bedingt um das subjektive Lautstärkeempfinden des Menschen zu beschreiben. Dennoch bevorzugen wir Techniker die Angabe in Dezibel. Und wenn eine spezielle Frequenz stört, schauen wir uns eben auch das Terz-Spektrum der Messung an. Die Grundbegriffe der Akustik hatten wir bereits in der PP12/99 ausführlich behandelt.
Für das Thermo-Management und Zwangsbelüftung gibt es die verschiedensten Ansätze die sich auch deutlich in Ihrer Lautstärke unterscheiden können. (Bild: Herbert Bernstädt)
Die DIN dient uns um vergleichbare Messungen zu erstellen. Die DIN EN ISO 7779 „Akustik – Geräuschemissionsmessung an Geräten der Informations- und Telekommunikationstechnik“ verwendet den A-bewertete Schallleistungspegel, um ein Vergleich von Geräten herzustellen. Es werden drei Geräuschemissions-Grundnormen zur Bestimmung der Schallleistungspegel festgelegt, um Einschränkungen bezüglich vorhandener Prüfeinrichtungen und Erfahrungen zu vermeiden.
Die DIN EN ISO 3741-1 „Bestimmung der Schallleistungs- und Schallenergiepegel von Geräuschquellen aus Schalldruckmessungen – Verfahren der Genauigkeitsklasse 2 für kleine, transportable Quellen in Hallfeldern – Teil 1: Vergleichsverfahren in einem Prüfraum mit schallharten Wänden (ISO 3743-1:2010); sprich in einem Hallraum. Der Hall-Raum ist vergleichbar mit der Ulbricht Kugel zur Lichtmessung. Der Hallraum ist ein allseits geschlossener Raum mit harten glatten Wänden, die den Schall nahezu vollständig reflektieren, so dass er nur langsam abklingt. 1999 Hatten wir in dem Hallraum der TU-Aachen die Movinglights-Testreihe durchgeführt.
DIN EN ISO 3744 „Akustik – Bestimmung der Schallleistungs- und Schallenergiepegel von Geräuschquellen aus Schalldruckmessungen – Hüllflächenverfahren der Genauigkeitsklasse 2 für ein im wesentlichen freies Schallfeld über einer reflektierenden Ebene.“ Das freie Feld ist in Laborausführung ein Refexionsarmer Raum (RaR) mit festen Boden. DIN EN ISO 3745 entspricht vom Prinzip der DIN EN ISO 3744 bietet jedoch eine Genauigkeitsklasse von 1. Während DIN EN ISO 3744 für Klasse 3 fünf Messmikrofone und für Klasse 2 dreizehn Messmikrofone bzw. Mikrofonpositionen benötigt. Für diesen Artikel haben wir den RaR vom Akustiklabor Herzogenrath der IFAA zusammen mit Prof. Dr.-Ing. Anselm Goertz bezogen der für uns die Messungen durgeführt und bewertet hat. Grundsätzlich kann jede dieser Geräuschemissions-Grundnormen ausgewählt und entsprechend dieser Norm für die Bestimmung der Schallleistungspegel eines Gerätes angewandt werden.
Das Prinzip des Freifeldes auf einer reflektierenden Fläche. Die Messfläche ist eine Halb-Kugel-Oberfläche. An bestimmten Orten werden dann die Messmikrofone entlang der Hüllfläche platziert. (Bild: Herbert Bernstädt)
Im Reflexionsarmen Raum des IFAA Akustiklabor Herzogenrath steht das Movinglight auf einem Drehteller der in 45 Schritten gedreht wird. Der motorische betriebene Mikrofonausleger neigt sich in 30 Winkelschritten zur Seite. So werden hintereinander alle benötigten Messpunkte entlang der Hülle angefahren. (Bild: Herbert Bernstädt)
Verhältnismäßige Betrachtung von Geräuschemissionen
Fast jeder hat es schon erlebt, da werden Forderungen aufgestellt, die ihren Zweck nicht angemessen sind. Dort werden z.B. 25 dBA für einen Antrieb gefordert der mehrere Tonnen tragen muss. Auf der anderen Seite soll die Maschine die das Podium hebt in einem Raum der von sich aus schon 35 dBA in das Messmikrofon haucht, betrieben werden. So ist es nicht verwunderlich wenn hier und dort auch mal Werte aus dem Hut gezaubert werden. Oft machen sich die Scheinwerferhersteller es sich auch einfach und geben Reziprok, wie man es von Lautsprechern her kennt, den dBA-Wert in einen Meter Abstand an, womit dann auch schon die Messmethode beschrieben ist, die man von den Lautstärkeangaben von Lautsprechern her kennt. Und dann kommen wir schon zu einem Punkt der auch vernachlässigt wird. Das Messequipment für eine Lautstärke-vermessung von Lautsprechern unterscheidet sich erheblich von dem Messequipment wenn man ein leichtes säuseln oder flüstern aufnehmen möchte. Bei Schalldrücken die ein Lautsprecher von sich geben soll – er soll ja laut sein – spielen die Grundempfindlichkeit und auch die Geräusche außerhalb des Messraumes eine untergeordnete Rolle, weil Sie das Messergebnis mit so viel Stör-Abstand beeinflussen, so das eigentlich keine Beeinflussung stattfindet. Möchte man jedoch einen Scheinwerfer im Silent-Mode einen Messwert entlocken, benötigt man eine hochempfindliche Messkapsel, am besten auch mit entsprechend angepassten Vorverstärker wie z.B. das IFAA Akustiklabor vorhält. Und natürlich ist der LKW der an der Straße vorbeifährt auch zu hören und hat seinen Einfluss, obwohl man sich in einem halb schalltoten Raum befindet. Und das macht die Sache der Messung auch so aufwendig, weil nun jede Kleinigkeit schon die Messung beeinflusst und ausgeschlossen sein muss.
Die Messungen wurden mit einem B&K ½“ Messmikrofon vom Typ 4190 mit 2669 Vorverstärker und einem 2610 Messverstärker durchgeführt. (Bild: Herbert Bernstädt)
Findet nun eine Messung nach DIN und mit dem richtigen Messmitteln statt, folgt die Frage in welchen Betriebsmodus ist denn der Scheinwerfer zu Messen. Es würde Sinn machen, dass man bei 100% Dimmer-Helligkeitsansteuerung und einem automatisch nachregelnden Lüfter einen Lautstärkewert angibt, nachdem der Scheinwerfer einen eingeschwungen Zustand erreicht hat. Eingeschwungen meint hierbei, dass es eine gewisse Zeit (ca. 30min) braucht bis sich das System aufgeheizt hat und der Lüfter in einer konstanten Geschwindigkeit arbeitet. Aber auch hier kann es passieren, dass bei schlechten Temperaturmanagement die Lüfter-Geschwindigkeit immer zwischen zwei Bereichen hin und herspringt, genauso wie evtl. die Helligkeit nachgeregelt wird. Da wird die Dezibel Angabe eher zum Glücksspiel. Neben dem Lüfter-Mode und den Dimmerwert ist auch interessant auf welchen Wert die eingestellten PWM-Frequenz bei dem LED-Scheinwerfer eingestellt ist. Auch hier können Geräusche von der Treiberelektronik verursacht werden, wenn trotz 100% Ansteuerung eine PWM-Einsetzt, weil trotz Zwangskühlung das LED-Board zu warm wird. Dann wäre es interessant wenn die PWM in einem gut hörbaren Bereich wie 1 KHz eingestellt ist, dem gut hörbaren „Worst Case“. Sind mehrfarbige LED-Quellen zur Farbmischungen in einem Scheinwerfer vorhanden, dann wäre auch anzugeben ob ein Weisslicht wie 5600K im kalibrierten Mode eingestellt wurde oder alle LED-Farben im RAW Mode zu 100% angesteuert wurden.
Damit wäre die Lautstärke des häufigsten Betriebsfalls angegeben. Nun könnte man den Dimmer noch auf 50% herunterziehen, warten bis das System eingeschwungen ist und dann eine weitere Messung veranlassen. Denn es gibt einige Scheinwerfer deren Kühlung bereits so gut ist, dass bei starker Dimmung der Lüfter nicht mehr aktiv arbeitet. Man ermöglicht sozusagen einen Quasi lüfterfreien Betrieb. Eine weitere Messung bei 0% Dimmer-Einstellung verrät ob evtl. im Basement ein Schaltnetzteil oder eine Treiberelektronik noch zwangsgekühlt wird. Sind weitere Lüftermode wie Silent, Max, oder Lüfter off vorhanden, kann man auch hier die Messung bei 100% Dimmer-Ansteuerung wiederholen. Dagegen kann 0% Dimmer-Ansteuerung anliegen, wenn man PAN und TILT in ständiger Bewegung als Schallergebnis aufnimmt. Dann kann man abschätzen wieviel lauter das Gerät bei schnellen Bewegungen wird. Natürlich gibt es Geräte die z.B. beim Zoom oder rotierenden Prismarädern sehr laut werden. Aber um es pragmatisch zu halten, würde man mit allen Kombinationen am Ziel vorbeischlittern. Es geht letztendlich um die wenigen Szenen bei der absolute Ruhe benötigt wird, und dann kann man den Motor auch mal nicht mit voller Geschwindigkeit fahren sondern zu seinem Wert hinschleichen lassen. Letztendlich beschreibt man nur die Grundfunktionen eines Scheinwerfers um Ihn Lautstärkemäßig darzustellen.
Im Terzband werden die emittierten Frequenzen dreier Betriebsmodis Fan: Max, Auto, Silent dargestellt.
Optimieren: unbewegtes Licht und trotzdem keine Ruhe?
Es gibt Sie immer wieder die Situationen bei der absolute Stille benötigt wird. Die Szene, in der man die Stecknadel auf den Boden fallen hört. Dann kommt die Ansage vom Regisseur, ob man den Scheinwerfer nicht mal Leise machen kann. Sicher hat man hier nur einen kleinen Handlungsspielraum, aber man hat ihn. Jetzt kommt es darauf an wodurch der Scheinwerfer Geräusche emittiert. Z.B. das Lampensummen von gedimmten Halogenlampen kann man wie folgt begegnen, je nachdem wieviel Zeit vorhanden ist und was ein Budget noch zu Verfügung steht. Eine sofortige Lösung wäre die Ansteuerung von gedimmten Zustand auf 100% hochzuziehen, da man hiermit die schnelle Stromänderung durch den Phasenanschnitt und dem damit verbundenen schnellen Stromänderung di/dt entgegenwirkt, der wiederum ein Magnetfeld an der Wendel herbeiführt, wodurch die entstehenden Kräfte die Bewegung der Wendel verursacht und somit summt, minimiert. Ein anderes Leuchtmittel, wie z.B. ein HPL-Leuchtmittel, könnte auch Abhilfe schaffen. Denn durch die Tonnenförmige Wendelanordnung ist der Abstand den Wendel zueinander größer und damit auch der Kräfteeinfluss geringer. Umgekehrt kennen wir auch das sehr laute Summen von den Niedervolt-Parabol-Strahlern, da dort der Nachteil eines sehr enger Wendelabstand bei hohen Strömen in Kauf genommen wird, um eine möglichst kleine Punktlichtquelle für den Parabolspiegel zu erhalten. Der nächste Verbesserungsschritt bedeutet das Set umrüsten, wie z.B. mit einem Dimmertausch. Es gibt Dimmer mit verschiedenen Spulenqualitäten. Angefangen von ca. 80µsek bei einfachsten Dimmern bis hin zu ca. 400 µsek für TV-Studios. Diese Verschleif-Zeit ist Ausdruck wie sehr einem schnellen Stromanstieg mit der Spule entgegengewirkt wird. Aber noch besser wäre ein Phasenabschnittsdimmer. Die nächste Steigerung ist der Sinusdimmer. Die Einstreuung auf asymmetrische Tonkabel lassen wir hier mal außen vor. Denn ist das Soundsystem Symmetrisch gut aufgebaut und die gedimmten Lastleitungen schön weit entfernt von den Tonkabeln und auch die Einspeisung der Ton und Lichtanlage schön getrennt worden, ist ein Summen über die Tonanlage nicht zu erwarten. Wer tiefer in diese Materie einsteigen möchte, dem empfehlen wir unsere WIKI Seiten über Dimmer.
Haben wir es mit Scheinwerfer mit LED-Leuchtmittel zu tun, dann eröffnen sich ganz andere Möglichkeiten aber auch Gefahren. Hier haben wir keinen klassischen Dimmer der eine Phase 100 mal in der Sekunde anschneidet, sondern die Netzspannung wird von einem Schaltnetzteil gleichgerichtet und eine Treiberelektronik pulst entsprechend dem Ansteuersignal. Pulsen meint Puls Breiten Modulation, kurz PWM (Pulse wide Modulation). Es gibt auch Ausnahmen die über ein analoges Einstellen der Stromstärke die LEDs dimmen. Weitere Optionen sind andere Modulationsarten sowie Kombination und Mischbetrieb verschiedener Steuertechniken damit die Effekte beseitigen oder zumindest minimieren werden. Aber betrachten wir uns jetzt die Geräuschentwicklung durch die am weitesten verbreiteten PWM.
Hat man ein lichtstarken LED-Scheinwerfer der mit einer PWM angesteuert und nicht zu 100% durchgesteuert ist, dann kann eine Farb-Folie (am besten eine dunkle) vor dem Scheinwerfer oder auch ein in der Nähe angestrahlter schwarzer Stoff zu einem Pfeifen verhelfen. Ursache ist dabei der photoakustische Effekt, bei dem ein Teil der Lichtenergie beim Auftreffen in Wärme umgewandelt wird. Durch das periodische Auftreffen, verursacht von der PWM, bewirkt der Wechsel von Wärme & Abkühlung eine Volumenänderung. Diese durch die Wärmewechsel verursachte Druckschwankungen nehmen wir als ein Schallereignis war. Abhilfe hierbei wäre das erhöhen der PWM-Frequenz außerhalb des hörbaren Bereiches. Das verstellen der PWM an einem Scheinwerfer dient folglich nicht nur um einem Kameraflickern Paroli zu bieten, sondern auch um Geräusche des Scheinwerfers zu beseitigen. Leider gilt das nicht wenn das Schaltnetzteil sich mit einem Pfeifen bemerkbar macht. Sind jedoch die Spulen der Treiberelektronik für das Pfeifen verantwortlich kann man durchaus mit verändern der PWM zum Erfolg kommen.
Optimale Geräusch-Einstellungsmöglichkeiten bis hin zur Stufenlosen Regelung (Bild: hbernstaedt.de)
Moderne LED-Scheinwerfer, die auch für lautstärkekritischen Einsatz empfohlen werden, sollen mindestens Lautstärkeangaben wie oben beschrieben aufweisen. Das ändern des Lüftermode oder der Lüfterdrehzahl sollte über DMX- oder RDM- erfolgen können, um bei kritischen Szenen entsprechend den Scheinwerfer geräuschmäßig einzubremsen. Einige Hersteller erlauben das quasi stufenlose Regeln der Lüfterdrehzahl. Andere setzen auf verschiedene Betriebsmodis wie Lüfter off, Lüfter Leise oder nennen es Studio-Mode sowie natürlich der Automode. Wichtig für den Anwender ist zu wissen ob der Lüfter in einem Mode konstant dreht bzw. die Geräuschkulisse gleich bleibt, oder sich ändert. Genauso wichtig das Verhalten beim Umschalten in einen Silent – oder Lüfter off Mode, ob dann die Helligkeit sprunghaft heruntergeregelt wird aber dafür bei normalen Betriebsbedingt konstant bleibt oder langsam immer weiter runterregelt wird und der Operator, um die Helligkeit konstant zu halten, kompensieren muss. Aber das was heute angeboten wird, ist nicht mehr zu vergleichen mit einem 20 Jahre alten 2KW-Eni-Zoom oder Movinglight deren Lüfter mehr an Turbienengeräusche erinnerten. Um moderne Silent-Operation Modis Messtechnisch zu beziffern ist schon eine herausfordernde Messaufgabe.
Hatten wir 1999 den Schall in einem Hallraum gemessen wurde hier ein refexionaarmer Raum bzw. die ideale Freifläche genutzt. Beide Wege sind möglich.
1999 wurden das erste mal bei PP Scheinwerfer und Ihre Geräusche im Hallraum Der TH-Aachen vermessen. Damals wie heute ist Prof. Dr.-Ing. Anselm Goertz, oben im Bild, für die amtliche Durchführung verantwortlich.
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