Schallleistungsmessung an einem Notebook

Schallleistung vs. Schalldruck

Schallquellen wie Maschinen strahlen eine Schallleistung ab, wodurch ein Schalldruck entsteht. Dabei ist der Schalldruck die messbare Wirkung und die Schallleistung die Ursache. Im Gegensatz zum Schalldruck hängt die Schallleistung nicht von der Akustik der Umgebung, Geräuschen aus anderen Quellen oder einer bestimmten Messposition ab. Daher ist die Schallleistung nützlich zur Quantifizierung der Geräuschemission eines Produkts.

Die Schallleistung ist definiert als die pro Zeiteinheit von einer Schallquelle abgegebene Gesamtschallenergie, und ihre Maßeinheit ist das Watt. Die Schallleistung von Produkten muss gemessen werden, um internationalen Normen und Gesetzen gerecht zu werden. Vorzugsweise wird der Schallleistungspegel (LW) gemessen, da er konsistent, vergleichbar und nützlicher für die Schallschutztechnik ist. Die Ergebnisse werden in der Regel in dB angegeben.

Die Verfahren zur Messung der Luftschallemission von informations- und telekommunikationstechnischen Geräten (ITT), wie beispielsweise dem Laptop, sind in der Norm ISO 7779:2018 Akustik - Geräuschemissionsmessung an Geräten der Informations- und Telekommunikationstechnik festgelegt. Hersteller und Anwender haben zahlreiche Methoden angewandt, um spezifische Geräte- oder Anwendungsanforderungen zu erfüllen. Diese unterschiedlichen Praktiken haben einen Vergleich der Geräuschemissionen in vielen Fällen erschwert. ISO 7779 vereinfacht solche Vergleiche und bildet die Grundlage für die Angabe von Geräuschemissionswerten für informations- und telekommunikationstechnische Geräte.

Die Norm für die Angabe der Geräuschemissionen von IT-Geräten ist ISO 9296:2017 Akustik - Angabe von Geräuschemissionswerten von Geräten der Informations- und Telekommunikationstechnik. Diese Norm gilt für Geräte der Informations- und Telekommunikationstechnik und spezifiziert:

1. das Verfahren zum Bestimmen der folgenden Werte für eine Geräteserie:

   • deklarierter mittlerer A-bewerteter Schallleistungspegel (LWAm),

   • deklarierter mittlerer A-bewerteter Emissionsschalldruckpegel (LpAm),

   • statistische Addierer für Verifizierung (Kv),

   • statistische Obergrenze für den A-bewerteten Schallleistungspegel (LWA,c);

2. wie Akustik- und Produktinformationen an die Nutzer weitergegeben werden sollen,

3. das Verfahren für die Überprüfung der angegebenen Geräuschemissionswerte.

Es werden drei grundlegende Geräuschemissionsnormen für die Bestimmung der Schallleistungspegel festgelegt: ISO 3741 beschreibt Vergleichsmessungen in einem Hallraum, ISO 3744 und ISO 3745 beschreiben Messungen in einem im Wesentlichen freien Schallfeld. Für die Bestimmung von Schallleistungspegeln einer Maschine kann eine beliebige dieser drei grundlegenden Geräuschemissionsnormen ausgewählt werden; allerdings darf dann auch nur die eine Norm verwendet werden, für die man sich entschieden hat.

Das Gerät im Schallleistungspegel-Test

Das Notebook – ein Dell Inspiron 17R – wurde nach ISO 3744 getestet. Die entsprechend dieser Norm durchgeführten Messungen werden in speziellen Prüfkammern durchgeführt, die verhindern, dass zusammen mit der Geräuschemission des geprüften Geräts unerwünschte Schallreflexionen gemessen werden, oder in Freifeldprüfumgebungen im Freien. In diesem Fall wurde der Test in einem Halbfreifeldraum durchgeführt, wobei der Laptop in verschiedenen Leistungszuständen arbeitete:

Leerlauf - Schlafmodus

• Minimum: minimale Geräuschemission im Leerlauf des Laptops (Windows Energiesparplan „Energiesparmodus“)

• Mittel: durchschnittliche im Leerlauf des Laptops aufgezeichnete Geräuschemission (Energiesparplan „Energiesparmodus“)

• Maximum: höchste im Leerlauf des Laptops gemessene Geräuschemission (Energiesparplan „Höchstleistung“)

Betrieb

• Mittel: durchschnittliche Geräuschemission bei starker Systemnutzung durch den Computer (3D Mark 2006, Energiesparplan „Höchstleistung“)

• Maximum: größtmögliche Geräuschemission bei hoher Belastung des Systems (Energiesparplan „Höchstleistung“, 100 % CPU- und GPU-Auslastung durch Testtools wie Prime95 oder FurMark)

Erwägungen

In einem ruhigen Raum kann das menschliche Ohr Hintergrundgeräusche ab etwa 28 dB wahrnehmen. Ein Gespräch bei normaler Lautstärke erreicht ca. 60 dB. Alle diese Werte hängen vom Abstand zur Geräuschquelle ab. Daher muss das Messgerät in einem festen Abstand zum Prüfobjekt befestigt werden, damit die Messungen klare, miteinander vergleichbare Ergebnisse liefern.

Die Messungen werden grafisch dargestellt und können subjektiv beurteilt werden:

• unter 30 dB: kaum hörbar

• bis 35 dB: hörbar, aber nicht störend; idealer Geräuschpegel für Laptops mit Büroprogrammen

• bis 40 dB: deutlich hörbar, nach einiger Zeit möglicherweise störend

• bis 45 dB: möglicherweise störend für Benutzer, die sich in einem ruhigen Raum befinden; noch akzeptabel, wenn man Spiele spielt

• über 50 dB: für ein Notebook unangenehm laute Geräuschemissionen

Datenerfassung und Messanordnung für die Schallleistungsmessung

In vielen Fällen können Freifeldbedingungen über einer reflektierenden Ebene in Halbfreifeld-Messräumen realisiert werden. Diese Räume sind besonders nützlich bei der Produktgestaltung, da sie es erlauben, einzelne Schallquellen zu lokalisieren und ihre Emissionen zu reduzieren. In diesem Fall umfassten die Messanordnungen außerhalb und innerhalb des Halbfreifeldraums:

Datenerfassungssystem

• Modulares SIRIUS-Datenerfassungssystem SIRIUSi-HD-16xACC, USB-basiert, 16-kanalige IEPE-/Spannungseinheit mit 24-Bit-Sigma-Delta-A/D-Wandler und Abtastrate von 200 kS/s

Sensoren

• 10 Mikrofone G.R.A.S Typ 26CA (Skalierung: -40/-55 mV/Pa)

• G.R.A.S. 67HA 1m-Hemispäre CCP (Diagonale: 2716 mm, Höhe: 1283 mm)

• 10 BNC-Kabel (10 Meter)

Software

• Dewesoft Sound-Power-Plugin

Konfiguration der Hemisphäre

In diesem Fall wurde eine Hemisphäre von G.R.A.S. mit 10 Mikrofonen und einem Radius von 1,36 Metern verwendet. Der Abstand von der Schallquelle zu den Mikrofonen betrug 1 Meter. Die Montage des Gitters mithilfe der beigefügten Bedienungsanleitung war sehr einfach. Die komplette Hemisphäre war innerhalb von ca. 30 Minuten vorbereitet und einsatzbereit.

Zuerst wurden die Metallstäbe montiert und miteinander verbunden, um die Hemisphärenstruktur zu schaffen. Der nächste Schritt bestand darin, die Mikrofone normgerecht in die richtige Position zu bringen. Das Gitter ist für 10 oder 20 Mikrofone geeignet, so dass die passenden Positionen für die Mikrofonhalterung ausgewählt werden mussten. Diese Positionen müssen der Norm entsprechen, und der Hemisphären-Bausatz war diesbezüglich insofern hilfreich, dass sie mit kleinen Schrauben unterschiedlicher Farbe markiert waren.

Mikrofone

Es wurden 10 BNC-Kabel mit einer Länge von je 10 Metern verwendet, so dass die Messgeräte außerhalb des Halbfreifeldraums platziert werden konnten. Dies ist wichtig, um die Hintergrundgeräusche auf ein Minimum zu reduzieren. Die Mikrofone waren mit TEDS-Chips ausgestattet, so dass die Dewesoft-Software nach dem Einstecken automatisch die Kalibrierfaktoren registrierte.

Der gesamte Datenerfassungsprozess dauerte etwa 10 Minuten. Der Laptop wurde in drei verschiedenen Zuständen gemessen, dabei betrug die minimale Messzeit pro Messung 20 Sekunden (nach Norm).

Konfiguration der Sound-Power-Software

Die Messkonfiguration wurde aus dem Dropdown-Menü (ISO 3744, Hemisphäre) ausgewählt. Die genauen Positionen (x, y, z) der im Radius von 1 m um die Schallquelle herum montierten 10 Mikrofone wurden sowohl in einer Tabelle als auch in einer visuellen Darstellung wiedergegeben. Der Luftdruck wurde gemessen und eingegeben, und zusätzlich wurde die Methode für die Hintergrundgeräuschmessung (K1-Korrektur) gewählt.

Sound-Power-Messbildschirm und Datenvisualisierung

Das Sound Power-Plugin der Software DEWESoft X führt durch den gesamten Ablauf. Zunächst wird bei ausgeschalteter Schallquelle (Laptop) die Hintergrundgeräuschmessung durchgeführt. Dann wird der Laptop eingeschaltet, auf „Leerlauf“ oder „starke Systemnutzung“ gestellt und und die Messung durchgeführt. Der Norm entsprechend müssen bei jedem Schritt mindestens 20 Sekunden lang Daten gesammelt werden. Die Aktions-Schaltflächen (grün) ermöglichen die Interaktion (Hintergrund erfassen, Erfassung starten). Die Textfelder unten zeigen Statusmeldungen und Warnungen.

Schallleistungsbericht und Ergebnisse

Das Endergebnis der ISO 3744-Messungen ist der Schallleistungspegel in den getesteten Frequenzbändern für die zum Messzeitpunkt am Ort der Prüfung herrschenden meteorologischen Bedingungen, berechnet aus dem über die Messfläche und die Messzeit gemittelten Schalldruckpegel unter Berücksichtigung von Korrekturtermen für Hintergrundgeräusche, Einflüsse der Prüfumgebung und Größe der Messfläche.

Die Geräuschpegel des 17-Zoll-Notebooks wurden als sehr positiv eingestuft. Der Laptop war die ganze Zeit über hörbar, da der Lüfter kontinuierlich läuft. Im Leerlauf ist das Geräusch mit 32 dB(A) jedoch sehr gering. In diesem Szenario ist die Lüfterdrehzahl mehr oder weniger konstant und damit gut für eine Büroumgebung geeignet. Die Festplatte kann durch das Klappern der Schreib-/Leseköpfe mitunter etwas störend sein; bei starker Aktivität wurden 37,6 dB(A) gemessen. Wenn der Dell Inspiron 17R auf Höchstleistung arbeitete, stieg der Geräuschpegel bis 40,4 dB(A) (CPU- und GPU-Stresstest mit FurMark). Beim Spielen eines Spiels oder Ausführen des Benchmark-Tests 3DMark 2006 wurde ein moderater Schallleistungspegel von 36,4 dB(A) gemessen. Die Drehzahl des Lüfters war aber auch in diesen Fällen, und es gab keine störende Pulsation.

Schallleistungspegelbericht

Zusätzliche Dewesoft-Ressourcen zur Schallleistungspegelmessung

Schallleistung

AkustikAkustische Prüf- und Messlösungen