Erzeugen Infraschallquellen den Brummton?
Zusammenfassung
In der Zeit vom 13.-16. Mai 2002 wurde anhand von Messungen nordwestlich von Blaubeuren (Baden-Württemberg) mit vier mobilen Infraschall-Registriersystemen versucht festzustellen, ob der vorwiegend von Betroffenen in Süddeutschland wahrgenommene Brummton durch Infraschall erklärt werden kann. Die Auswertung der Messdaten legt jedoch die Vermutung nahe, dass der Brummton nicht durch Infraschallquellen erzeugt wird, sondern auf andere Ursachen zurückgeführt werden muss. Diese Schlussfolgerung ergibt sich aus mehreren Gründen: Die aufgenommenen Infraschallsignale weisen Veränderungen bzgl. ihrer Amplitude und ihres Auftretens während der Messung auf, die von den Betroffenen nicht wahrgenommen wurden. Die Amplituden verschiedener sogenannter monochromatischer Signale (stationäre Signale mit konstanter Frequenz), deren Ankunftsrichtung eindeutig bestimmt werden konnte, liegen deutlich unterhalb der nachgewiesenen Wahrnehmungsschwelle. Zudem haben diese Signale, die mit hoher Wahrscheinlichkeit durch künstliche Quellen erzeugt werden, eine vom Brummton völlig verschiedene Signatur. Ferner erscheint eine mögliche selektive Wahrnehmung bestimmter monochromatischer Signale als sehr unwahrscheinlich. Denn einige Betroffene nahmen den Brummton am Standort der fest installierten Infraschall-Messanlage I26DE im Bayerischen Wald bei Bischofsreut besonders stark wahr, wobei jedoch monochromatische Signalanteile im Spektrum fehlten. Auch wenn sich die Erwartungen der vom Brummton Betroffenen an die Infraschallmessungen damit nicht erfüllt haben, so lässt sich aufgrund der Ergebnisse die Ursachenforschung des Brummtons weiter eingrenzen.
Einführung
Seit etwa zwei Jahren wird in Medien immer wieder über das Phänomen des Brummtons berichtet. Nach Aussagen betroffener Personen handelt es sich dabei um ein niederfrequentes Geräusch mit Schwebungscharakter im Bereich von etwa 70 Hz. Dieses Geräusch wird von den Betroffenen abhängig von den Umgebungsgeräuschen mehr oder weniger stark wahrgenommen und verfolgt sie ständig. Alle Versuche, diesem Phänomen auf die Spur zu kommen und den Brummton durch physikalische Vorgänge zu erklären oder einer definierten natürlichen oder künstlichen Quelle zuzuordnen, sind bisher gescheitert. Dies hat dazu geführt, dass über die Ursache des Brummtons die verschiedensten Spekulationen angestellt wurden, die von realistisch bis utopisch reichen. Eine Vorstellung des Brummtons vermittelt ein Frequenzgenerator der sogenannte Humsimulator, der auf der Homepage der Interessengemeinschaft zur Aufklärung des Brummtons (IGZAB) erhältlich ist.
Eine Vermutung, die in jüngster Vergangenheit immer wieder diskutiert wird, betrifft den Zusammenhang zwischen dem Brummton und Infraschallsignalen, nachdem Untersuchungen mit Mikrophonen im hörbaren Bereich nicht zum Erfolg geführt haben. Als Infraschall werden Signale bezeichnet deren Frequenzen unterhalb des hörbaren Bereichs liegen (< 20 Hz). Obwohl die Frequenz des Brummtons nicht im Infraschallbereich liegt, ist nicht auszuschließen, dass niederfrequente Schallsignale von den Betroffenen als Brummgeräusch wahrgenommen werden. Auf welche Weise ein Hörempfinden dieses störenden Tons dabei erfolgt, soll und kann nicht Gegenstand der vorliegenden Untersuchung sein. Vielmehr interessiert, ob mit Hilfe von Infraschallmessungen an einem Ort, an dem der Brummton von mehreren Betroffenen gehört wird, Hinweise auf mögliche Infraschallquellen gefunden werden können. Das Hauptaugenmerk gilt daher dem Auffinden von Signalen mit nahezu konstanten Frequenzen, sogenannter monochromatischer Signale, die Merkmale aufweisen, die auch für den Brummton charakteristisch sind und deren Quelle örtlich stationär ist.
Am leichtesten wäre ein derartiger Nachweis zu führen, wenn während der Messungen Veränderungen der Intensität oder der Frequenz des Brummtons von den Betroffenen wahrgenommen würden. In diesem Fall ließe sich, sofern Infraschallquellen für den Brummton verantwortlich sind, durch Änderungen des zeitlichen Verhaltens der gemessenen Infraschalldaten ein direkter Zusammenhang feststellen. Ausgehend von diesen Vorstellungen wurde ein Messeinsatz mit vier mobilen Infraschall-Messsystemen mit der IGZAB im Raum Blaubeuren vereinbart.
Um die Frage der Erzeugung des Brummtons durch Infraschallquellen klären zu können, war bei den Messungen auf die Einhaltung folgender Voraussetzungen zu achten:
- Der Standort sollte so gewählt sein, dass rundum freie Sicht zum Horizont oberhalb eines Winkels von 20° besteht, um Abschirmungseffekte und Reflexionen der empfangenen Infraschallsignale an Hindernissen wie Gebäuden oder Bergen auszuschließen.
- Die Messungen sollten möglichst bei geringen Windgeschwindigkeiten durchgeführt werden, um den Pegel des durch Wind erzeugten Hintergrundrauschens gering zu halten.
- Am Standort sollte das Brummgeräusch von den Betroffenen wahrgenommen und während der Messungen Änderungen angezeigt und protokolliert werden.
Diesen Anforderungen entsprechend wurde ein Standort nordwestlich von Blaubeuren ausgesucht, der auf dem Ausschnitt der topographischen Karte in Abbildung 1 durch einen Kreis gekennzeichnet ist. Da zum Zeitpunkt der Messungen zwischen dem 13. und 16. Mai Hochdruckwetter herrschte, waren günstige Windverhältnisse mit geringen Windgeschwindigkeiten und entsprechend niedrigem Hintergrundrauschen zu erwarten. Insofern lagen ideale Voraussetzungen vor, um zu klären, ob eine oder mehrere stationäre Infraschallquellen Signale erzeugen, die mit dem von den Betroffenen wahrgenommenen Brummton korreliert werden können.
Abbildung 1: Kartenübersicht der Messregion: Der rote Punkt in der topographischen Karte Deutschlands unten rechts markiert die links vergrößerte Region nördlich von Blaubeuren. Der rote Kreis zeigt den ausgewählten Standort für die Messung. Die beiden Dreieckskonfigurationen der Mobilstationen (MOS1-4) sind oben rechts dargestellt
Durchführung der Messungen
Die Messungen fanden in der Zeit vom 13. bis 16. Mai 2002 an dem nordwestlich von Blaubeuren gelegenen Standort statt (siehe Abb. 1). Die Stationen wurden in Form eines unregelmäßigen Dreiecks aufgestellt, wobei die vierte Station innerhalb der Dreiecksanordnung so platziert wurde, dass unterschiedliche Abstände zwischen den einzelnen Stationspaaren bestanden. Durch diese Art der Aufstellung verbessert sich die Richtungs- und Geschwindigkeitsbestimmung von Infraschallsignalen kurzer Wellenlänge. Um Richtungsbestimmungen für Signale mit Frequenzen bis zu 20 Hz (Wellenlänge ca. 15 m) auswerten zu können, wurde nach einem Tag die Apertur der Dreieckskonfiguration von 30 m auf 15 m verkleinert. Die Standorte der einzelnen Stationen, die geodätisch eingemessen wurden, sind in Abbildung 1 (rechts oben) dargestellt. Neben der Variation der Auslage wurden unterschiedliche räumliche Filtertypen verwendet, um die Wirkungsweise hinsichtlich der Reduzierung des Hintergrundrauschens bewerten zu können. Die Fotos der Abbildung 2 vermitteln einen Eindruck von dem Messplatz sowie von Aufbau und Anordung der Mobilstationen (oben links und rechts).
Abbildung 2: Überblick über das Messgebiet und die eingesetzten mobilen Messgeräte
Quelle: BGR
Erläuterungen zu Abbildung 2: Oben links: Vorbereitung der in Aluminiumkontainern untergebrachten Datenerfassungssysteme für die Messung. Oben rechts: Blick auf das Messgebiet in Richtung Westen. Unten links: Referenzstation mit Wetterstation und sternförmig angeordneten porösen Schläuchen zur Reduzierung des Windrauschens. Rechts unten: Kleine Dreiecksanordnung der Mobilstationen mit ringförmigen Schläuchen. In den grünen Plastikeimern befinden sich jeweils die Mikrobarographen.
| Messung | von | bis | Auslage |
|---|---|---|---|
| 1 | 14.05.2002 13:30 UT | 15.05.2002 14:00 UT | sternförmig (10 m) 4 Einlässe |
| 2 | 15.05.2002 17:00 UT | 16.05.2002 07:30 UT | ringförmig (1 m) 1 Einlass |
Tabelle 1: Auflistung der Messdauer mit den verschieden großen dreieckigen Stationskonfigurationen.
Auswertung der Messdaten
Grundlegende Annahme bei der Auswertung der Messdaten war, dass, sofern ein Zusammenhang zwischen Brummton und Infraschallsignalen besteht, der als quasi monoton wahrgenommene Brummton von stationären Infraschallquellen stammen muss, d.h. von Quellen, die über längere Zeit (mehrere Minuten bis zu einigen Stunden oder Tagen) weitgehend ortsfest sind und Infraschallsignale in einem oder mehreren Frequenzbändern erzeugen. Daher wurde in den kontinuierlichen Aufzeichnungen vorrangig nach Signalen gesucht, die mit nahezu konstanter Frequenz während der Messungen auftraten. Da solche Signale in der Zeitreihendarstellung kaum zu erkennen sind, erfolgt eine Transformation in den Frequenzbereich (Fourier-Transformation). Die sich ergebende spektrale Darstellung gibt Aufschluss über die Stärke der einzelnen Frequenzen zwischen 0 Hz und der halben Abtastrate (hier 50 Hz). Wird diese Frequenztransformation fortlaufend für kürzere Segmente der Zeitreihe durchgeführt und die Stärke bei den einzelnen Frequenzwerten farbcodiert dargestellt, also eine sogenannte Frequenz-Zeit-Analyse (Sonogramm) durchführt, so lassen sich die gesuchten Signale als waagerechte Linien in den Sonogrammen erkennen. Neben der Frequenz-Zeit-Analyse wird für die Analyse der Messdaten das sogenannte Leistungsdichtespektrum (power spectral density PSD) verwendet. Ein derartiges Spektrum gibt an, welche Leistung (proportional zum Quadrat des Schalldrucks) abhängig von der Frequenz in den Daten enthalten ist. Sofern monochromatische Signale in den Aufzeichnungen enthalten sind, werden diese durch deutliche Spitzen in den Kurven sichtbar. Man beachte dabei, dass im Zeitbereich die Amplituden dieser monochromatischen Signale deutlich kleiner sein können als das durchschnittliche Amplitudeniveau des Hintergrundrauschens.
Am 14. Mai zwischen 20:00 und 22:00 (UT) fanden sich mehrere Betroffene am Standort der Messungen ein und nahmen den Brummton als gleichförmiges Geräusch ohne signifikante Schwankungen wahr. Im Vergleich zum Brummton in der Stadt Blaubeuren wurde die Lautstärke übereinstimmend als geringer bezeichnet. Die Infraschall-Messdaten in diesem Zeitbereich sind in Abbildung 3 dargestellt. Um einen Überblick über die aufgezeichneten Signale zu gewinnen, wird eine Betrachtung der Summenspur aller vier Registrierungen vorgenommen, wobei lediglich Frequenzen größer als 0.5 Hz berücksichtigt sind.
Abbildung 3: Darstellung der direkten Summe aller vier Messstationen für den Zeitraum zwischen 20:00 und 22:00 UT am 14. Mai 2002 im Amplitudenbereich von -0.1 bis 0.1 Pa sowie des zugehörigen Sonogramms und des Leitungsdichtespektrums
Quelle: BGR
Abbildung 3 zeigt in dem Frequenzband 0.5 Hz 50 Hz mehrere monochromatische Signale, die anhand der waagerechten Linien in der Frequenz-Zeit-Analyse bzw. einer Spitze in der PSD-Kurve (rechts) zu erkennen sind. Neben verschiedenen, eng beieinander liegenden Bändern im Frequenzbereich zwischen 1 und 6 Hz ist die Linie bei 16.7 Hz besonders signifikant, zumal sie nach circa 75 Minuten abrupt endet. Es dürfte sich hierbei um die Netzfrequenz des deutschen Bahnnetzes (16 2/3 Hz) handeln. Die Quellen der übrigen Frequenzen lassen sich jedoch nicht so einfach erklären. Die größeren Amplituden in der Zeitreihendarstellung in Abbildung 3 (oben), die durch kurzzeitige (transiente) Druckschwankungen hervorgerufen werden, spiegeln sich im Sonogramm als senkrechte Linien wider. In diesem Fall erstreckt sich das Signal nur über einen kurzen Zeitraum, verfügt aber über eine große Bandbreite.
Einen Höreindruck der in Abbildung 3 dargestellten Summationsspur vermittelt die Datei IS_SUM_02051420.wav (wav, 1 MB). Die aufgezeichneten Daten wurden entsprechend umformatiert und um den Faktor 64 in den hörbaren Bereich hochtransformiert. Aus der unteren Grenzfrequenz von 0.5 Hz werden damit 32 Hz. Entsprechend wird die durch die Abtastrate vorgegebene obere Grenzfrequenz von 50 Hz auf 3200 Hz transformiert. Aus der Hörprobe wird deutlich, dass es sich bei Infraschall weniger um ein monotones, dem Brummton ähnliches Geräusch handelt, als vielmehr um ein polyphones Geräusch, das am ehesten mit dem Wort Kakophonie charakterisiert werden kann. Hier sei darauf hingewiesen, dass mit dem Programm GoldWave Digital Audio Editor (eine Demonstrationsversion ist unter der Internetadresse http://www.goldwave.com erhältlich) die Signale verschieden schnell abgespielt und mit verschiedenen Filtern bearbeitet werden können.
Schlussfolgerungen
Abbildung 4: Doppelt-logarithmische Darstellung der Leistungsdichtespektren über das gesamte Frequenzband sowie die ,,Hörbarkeitsschwelle bei niedrigen und Infraschall- Frequenzen von 2 bis 50 Hz in margenta (nach Møller & Andresen, 1984). Links: Messung in Blaubeuren; rechts: Vergleichsmessung im Bayrischen Wald nahe Bischofsreut für eine sternförmige Auslage (blau) und eine ringförmige (grün). Der Zeitraum umfasst jeweils 4 Stunden von 22:00 bis 02:00 UT des folgenden Tages
Quelle: BGR
Ausgehend von den direkten Summenspuren wurden die Registrierungen der Mobilstationen nordwestlich von Blaubeuren auf die Existenz monochromatischer Signale mit stationärem Ursprung untersucht. Die Betrachtung der Summe im Zeit- als auch im Frequenzbereich gab einen Überblick über die gemessenen Daten. Ferner entspricht sie wohl am ehesten dem menschlichen Höreindruck, da hier ebenfalls eine Überlagerung mit Phasenunterschieden vorliegt. Aus diesem Grund wurden die gezeigten Summenspuren in den hörbaren Bereich transformiert und stehen als wav-Dateien zur Verfügung. Die zentralen Ergebnisse und Beobachtungen der Analyse der Messdaten hinsichtlich des Brummtons lassen sich wie folgt zusammenfassen:
- Während einige Betroffene der Messung nahe Blaubeuren beiwohnten, wurde von ihnen keine Änderung des Brummtons festgestellt. Hingegen weisen die Infraschallsignale eine Variabilität bzgl. ihrer Amplitude und ihres Auftretens in diesem Zeitraum auf.
- Die Signalamplituden sind sehr gering und liegen im klassischen Infraschallbereich, also bei Frequenzen kleiner 20 Hz, deutlich unterhalb der von Møller & Andresen (1984) beschriebenen Hörbarkeitsgrenze, die in Abbildung 4 durch die margenta-farbene, gestrichelte Linie ab 2 Hz angezeigt wird. So nimmt der Abstand zwischen dieser Kurve und den Infraschall- Messdaten mit abnehmender Frequenz bis zu drei Zehnerpotenzen (Faktor 1000) zu. Aufgrund dieses großen Abstandes ist eine Wahrnehmung des Infraschalls unter 10 Hz nahezu ausgeschlossen.
- Bei weiteren Messungen im Bayrischen Wald nahe Bischofsreut, die im Rahmen einer Langzeituntersuchung der Eigenschaften der in Blaubeuren erstmalig eingesetzten räumlichen Rausch-Unterdrückungsfilter gewonnen wurden, zeigen sich keinerlei Spitzen in den Leistungsdichtespektren. Auch ist an diesem Standort das Hintergrundrauschen geringer als in Blaubeuren, wie Abbildung 4 (unten) verdeutlicht. Dennoch nahmen die Betroffenen den Brummton in Bischofsreut deutlich wahr. Diese Beobachtung steht jedoch im Widerspruch zu einer möglichen selektiven Wahrnehmung bestimmter Infraschallfrequenzen als Brummton durch die Betroffenen.
Insgesamt legen diese Ergebnisse der vorliegenden Untersuchung den Schluss nahe, dass der Brummton nicht durch Infraschallquellen erzeugt wird, da keine Indizien gefunden wurden, die auf einen Zusammenhang von Brummton und Infraschall schließen lassen. Obwohl diese Untersuchungen damit nicht zur Lösung des Phänomens Brummton beigetragen haben, sind die Ergebnisse insofern von Nutzen, als die Ursachenforschung weiter eingegrenzt und Infraschall als mögliche Quelle nicht mehr in Betracht gezogen werden muss.
Møller, H. & J. Andresen, 1984. Loudness of pure tones of low and infrasonic frequencies, Int. J. Low Freq. Noise Vib., 78-85.
Downloads
Brummton-PDF (PDF, 827 KB) - Ein ausführlicher Bericht der BGR-Untersuchung zum Zusammenhang von Infraschall und Brummton.
Es stehen weitere Audiodateien, auf die im ausführlichen Bericht Bezug genommen wird, zur Verfügung. Zur Erzeugung der wav-Dateien wurde der Frequenzbereich in den Orginaldaten von 0.5 bis 50 Hz durch 64-fache Aufzeichnungsgeschwindigkeit in den hörbaren Bereich transformiert. Die Abtastrate beträgt somit 6400 Hz und enthält Signalfrequenzen von 32 bis 3200 Hz. Bei den Dateinamen bezeichnet SUM die Summe aller vier Mobilregistrierungen und MOS1 die Infraschallaufzeichnung der gleichnamigen Station. Die Zahlen kennzeichnen zum einen die Startzeit (z.B. 02=Jahr, 05=Monat, 14=Tag, 20=Stunde), zum anderen das 100-fache der Mittenfrequenz eines schmalbandigen Bandpassfilters (z.B. 149=1.49 Hz).
IS_SUM_02051420.wav (wav, 1 MB) 2 Stunden Messdaten, Startzeit: 14.05.2002 20:00 (UT)
IS_SUM_02051422.wav (wav, 3 MB) 4 Stunden Messdaten, Startzeit: 14.05.2002 22:00 (UT)
IS_SUM_02051522.wav (wav, 3 MB) 4 Stunden Messdaten, Startzeit: 15.05.2002 22:00 (UT)
IS_MOS1_02051420.wav (wav, 1 MB) 2 Stunden Messdaten, Startzeit: 14.05.2002 20:00 (UT)
IS_MOS1_149.wav (wav, 1 MB) 2 Stunden Messdaten, Startzeit: 14.05.2002 20:00 (UT)
IS_MOS1_208.wav (wav, 1 MB) 2 Stunden Messdaten, Startzeit: 14.05.2002 20:00 (UT)
IS_MOS1_223.wav (wav, 1 MB) 2 Stunden Messdaten, Startzeit: 14.05.2002 20:00 (UT)
IS_MOS1_270.wav (wav, 1 MB) 2 Stunden Messdaten, Startzeit: 14.05.2002 20:00 (UT)
IS_MOS1_557.wav (wav, 1 MB) 2 Stunden Messdaten, Startzeit: 14.05.2002 20:00 (UT)
