Infraschall

Infraschall ist Schall, dessen Frequenz unterhalb der menschlichen Hörschwelle von etwa 16–20 Hz liegt. Infraschall kommt überall in der natürlichen Umgebung vor, wird aber auch künstlich erzeugt, beispielsweise im Verkehrswesen oder durch technische Geräte.^[1]

Manche Tiere wie etwa Elefanten, Giraffen und Blauwale (im Wasser haben Infraschallwellen eine besonders hohe Reichweite) können Schall in einem Teil dieses Frequenzspektrums wahrnehmen und nutzen diese Laute wahrscheinlich auch zur Kommunikation. Besonders Infraschallwellen sehr tiefer Frequenz breiten sich gut über große Entfernungen aus.

Physische und psychische Wirkung

Auch wenn Menschen Infraschall kaum ohne Hilfsmittel hören können, ist er bei hohen Schalldrücken wahrnehmbar. Die Wahrnehmungsschwelle liegt allerdings sehr hoch und ist zudem frequenzabhängig. Zusätzlich können insbesondere die tieffrequenten Vibrationen des Körpers bei hohen Schalldrücken gefühlt werden.

Eine schädigende Wirkung auf Gehör, Gleichgewichtsorgane, Lunge oder innere Organe konnte – obwohl oft behauptet – bislang in einschlägigen Experimenten unterhalb eines Schalldruckpegels von 170 dB nicht nachgewiesen werden.^[2] Bei tieffrequenten Vibrationen, die zusammen mit Infraschall auftreten können, besteht bei längerer Einwirkzeit und sehr hohen Schwingbeschleunigungen, das heißt, wenn die Amplitude der Schwingbeschleunigung die der Erdbeschleunigung übersteigt, die Möglichkeit vereinzelter Blutungen an inneren Organen.

Auch unterhalb dieser extrem hohen Pegel sind, wie bei jeder Schalleinwirkung, psychische Auswirkungen (insbesondere Abnahme der Konzentrationsfähigkeit oder erhöhte Blutdruckwerte) möglich.^[3] Wegen der unterschiedlichen Lage der Hörschwelle bei verschiedenen Menschen kann ein für manche unhörbarer tiefer Ton anderen Personen laut erscheinen.

Dass Infraschall bei Menschen Ehrfurchtsgefühle oder Angst hervorruft, wird immer wieder berichtet.^[4][5] Da er nicht bewusst wahrgenommen wird, kann er beim Menschen den diffusen Eindruck vermitteln, übernatürliche Ereignisse seien im Gange.

Infrasonic – Das 17-Hz-Infraschallexperiment

Am 31. Mai 2003 führte eine Gruppe von britischen Wissenschaftlern um Richard Wiseman^[6] ein Massenexperiment durch, bei dem sie 700 Menschen mit Musik beschallten. Diese war mit einer 17-Hz-Sinusschwingung von 90 dB^[7] angereichert und von einem Subwoofer mit einer Langhubmembran erzeugt. Dies entspricht in etwa der 10.000-fachen Schallintensität im Umkreis einer Windkraftanlage und liegt auch deutlich über der menschlichen Wahrnehmbarkeitsschwelle, die bei dieser Frequenz bei 77 dB liegt. Durch die laute Musik wurde die Wahrnehmbarkeit abgemildert, wobei dennoch viele Teilnehmer den Infraschall erkennen konnten.^[8] Der Subwoofer wurde in einer sieben Meter langen Kunststoffröhre, wie sie im Kanalisationsbau verwendet wird, so aufgestellt, dass er die Gesamtlänge der Röhre im Verhältnis 1:2 teilte. Das experimentelle Konzert (mit dem Titel Infrasonic), aufgeführt in der Londoner Konzerthalle Purcell Room, bestand aus zwei Aufführungen mit je vier Musikstücken. Je zwei der Musikstücke waren mit dem beschriebenen 17-Hz-Ton unterlegt. Um die Testresultate von den Musikstücken unabhängig zu machen, wurde der 17-Hz-Ton in der zweiten Aufführung gerade unter diejenigen zwei Stücke gelegt, die in der ersten Aufführung frei davon waren. Den Teilnehmern wurde nicht mitgeteilt, welche der Stücke den Ton enthielten. Wurde der Ton gespielt, berichtete eine signifikante Zahl von Befragten (22 %) von Beklemmung, Unbehagen, extremer Traurigkeit, Reizbarkeit verbunden mit Übelkeit oder Furcht, einem „Kalt den Rücken runterlaufen“ und Druck auf der Brust.^[9][10] Als diese Ergebnisse der British Association for the Advancement of Science präsentiert wurden, sagte einer der verantwortlichen Wissenschaftler: „Diese Ergebnisse legen nahe, dass Klänge niedriger Frequenz bei Menschen ungewöhnliche Erfahrungen auslösen können, selbst wenn sie Infraschall nicht bewusst wahrzunehmen vermögen.“

Nachweis und Messung

Infraschall mit Frequenzen oberhalb von etwa 5 bis 10 Hz lässt sich bei Pegeln >20dB gar mit normaler Messtechnik visualisieren.^[11] Starke Quellen von Infraschall mit sehr tiefen Frequenzen lassen sich häufig durch im Hörbereich liegende Oberwellen lokalisieren. Weniger starke Quellen erfordern jedoch spezielle Sensoren: Herkömmliche Mikrofone reichen aufgrund ihrer unteren Grenzfrequenz nicht in den Infraschallbereich für Frequenzen <5 Hz hinein, während übliche Drucksensoren für die meisten Anwendungen zu unempfindlich sind bzw. nicht genügend schnell reagieren (5 Hz erfordern eine Auflösung von weniger als 0,2 Sekunden).

Die Infraschalluntersuchung der Atmosphäre und der Meere ist ein junges Forschungsgebiet, welches sich insbesondere durch die Möglichkeiten, Atomwaffentests und Schiffsbewegungen zu registrieren, entwickelt hat. Geringste Schalldruckpegel ferner Quellen erfordern nicht nur entsprechende Empfindlichkeit, sondern auch Maßnahmen zur Abschirmung lokaler Quellen.

Mikrobarometer unterscheiden sich von Barometern dadurch, dass sie durch eine Überströmöffnung vor Überlastung durch meteorologische Schwankungen des Luftdrucks geschützt sind. Dafür messen sie schnellere Druckänderungen ab 0,01 bis 0,1 Hz umso empfindlicher. Über sternförmig ausgelegte Schläuche werden mehrere Messpunkte kombiniert, um durch Mittelwertbildung Störungen zu kompensieren. Das funktioniert über Bereiche, die kleiner sind als die halbe Wellenlänge. Über größere Bereiche lassen sich Signale kombinieren, indem von der Einfallsrichtung abhängige Laufzeitunterschiede per elektronischer Datenverarbeitung berücksichtigt werden, siehe Phased-Array-Antenne.

IMS-Überwachungsnetz

Im Rahmen der Überwachung des Kernwaffenteststopp-Vertrags (CTBT) soll ein weltweites, international betriebenes Netz von Stationen (IMS) dafür sorgen, dass keine nukleare Sprengung unter der Erde, unter Wasser, in der Erdatmosphäre oder im Weltraum unentdeckt bleibt. Zu diesem System sollen auch 60 Stationen zur Messung von Infraschall gehören.

Die mit diesen Stationen gewonnenen Daten eröffnen ein neues Aufgaben- und Forschungsgebiet, dessen Schwerpunkt auf der Detektion, Lokalisierung und Identifizierung von Infraschallquellen liegt. Um aus den Daten genaue und zuverlässige Informationen über die Quelle zu erhalten, sind grundlegende Untersuchungen der Infraschallsignale und ihrer Ausbreitung in der durch Wind und Wetter sich ständig verändernden Atmosphäre unerlässlich.

Deutsche IMS-Stationen

Fest installierte Anlagen:

Für die Bundesrepublik ist die Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR) für den Betrieb von zwei dieser Infraschall-Messanlagen verantwortlich, die zu dem internationalen Überwachungsnetz gehören:

Die IS26 im Bayerischen Wald und IS27 in der Antarktis.

Im Bayerischen Wald, nahe der Grenze zu Österreich und zur Tschechischen Republik, ging im Oktober 1999 die erste Messanlage (IS26) mit insgesamt fünf Stationen in Betrieb, die alle technischen Spezifikationen einer Infraschallstation des weltweiten Überwachungsnetzes erfüllt. Bei der Auswahl des Standorts wurde berücksichtigt, dass sich in diesem Gebiet bereits die aus 25 Einzelstationen bestehende seismische Messanlage PS19 befindet, die zum internationalen seismischen Kontrollnetz gehört.

Mobile Anlagen:

Zusätzlich zu den fest installierten Infraschallstationen stehen vier mobile Infraschall-Messanlagen zur Verfügung, um an beliebigen Orten Infraschallmessungen durchführen zu können. Eine erste Bewährungsprobe bestanden diese Systeme im Mai 2002 bei einem Einsatz bei Blaubeuren, als es um die Klärung des Zusammenhangs zwischen Infraschall und dem Brummton-Phänomen ging.^[12]

Natürliche Infraschallquellen

Niederfrequente Wellen, die zum Beispiel bei Erdbeben, Vulkaneruptionen, Meteoritenfall, extremen Wetterlagen oder durch hohen Seegang entstehen, können sich in der Luft über große Entfernungen bis zu mehreren tausend Kilometern ausbreiten.

Infraschallereignisse im Zusammenhang mit Wettererscheinungen und Seegang werden Mikrobarome genannt.

Wind erzeugt Infraschall, wenn er böig oder verwirbelt ist.

Föhn

Der Fallwind in den Alpen, genannt Föhn, ist eine starke Infraschallquelle im Bereich von 0,01 bis 0,1 Hz. Die Auswirkungen auf den Menschen werden unterschiedlich diskutiert.

Gewitter

Der Donner bei Gewittern kann von Infraschallwellen begleitet sein. Eine Besonderheit sind Sprites im Zusammenhang mit nächtlichen Sommergewittern: Hier ist in mehr als 70 Prozent der Fälle Infraschall beobachtet worden.^[13]

Künstliche Quellen

Windkraftanlagen

Windkraftanlagen strahlen ein breites Spektrum von Schallemissionen ab, neben Schall im hörbaren Frequenzbereich zählt hierzu auch für das menschliche Ohr nicht wahrnehmbare niederfrequenter Infraschall hinzu. Insgesamt liegt die akustisch wirksame Schallleistung bei wenigen Milliwatt, wobei nur ein geringer Anteil Infraschall ist. Verglichen mit anderen künstlichen Quellen wie Autos oder Flugzeugen geben Windkraftanlagen nur geringe Mengen Infraschall ab.^[14] Infraschall entsteht vor allem bei Windkraftanlagen mit Strömungsabriss-Regelung („Stall“); diese sind technisch veraltet und werden deshalb nicht mehr errichtet. In geringem Maße erzeugen auch moderne Anlagen mit Pitch-Regelung Infraschall; dieser ist bereits in geringer Entfernung von den Anlagen nicht mehr wahrnehmbar.^[15] Diese Entfernung ist deutlich geringer als die Entfernung, die die TA Lärm zwischen Windkraftanlagen und Bebauung festlegt.^[16] Bei PKWs liegen die gemessenen Infraschall-Pegel im Innenraum bei einer Geschwindigkeit von 130 km/h um mehrere Größenordnungen über den an Windkraftanlagen gemessenen Werten.^[1]

Windkraftanlagen liefern keinen wesentlichen Beitrag zum Vorkommen von Infraschall in der Umwelt; die von ihnen erzeugten Infraschallpegel liegen deutlich unterhalb der menschlichen Wahrnehmungsschwellen. Es existieren keine wissenschaftlichen Erkenntnisse, die vermuten lassen, dass von Infraschall in diesem Pegelbereich schädliche Wirkungen ausgehen.^[1] Wissenschaftlicher Konsens ist, dass der von Windkraftanlagen ausgehende schwache Infraschall keinen gesundheitsschädlichen Einfluss hat. Für bisweilen geäußerte Befürchtungen, dass von Infraschall Gesundheitsgefahren ausgehen, gibt es keine wissenschaftlich belastbaren Belege.^[17][15] In der öffentlichen und medialen Debatte werden verschiedene Krankheitsbilder wie „Wind Turbine Syndrome“, „Vibro Acoustic Disease“ oder „Visceral Vibratory Vestibular Disturbance“ benutzt, von denen aber keines wissenschaftlich bzw. diagnostisch anerkannt ist.^[18]

Infraschall zugeschriebene Krankheitssymptome gelten als „kommunizierte Krankheit“, die von wenigen Ausnahmen abgesehen erst nach 2008 gemeldet wurden, als Anti-Windkraft-Gruppen damit begonnen hatten, Windkraftanlagen als gesundheitsschädlich darzustellen.^[18] In diesem Jahr wurde von Nina Pierpont, einer Kinderärztin, die mit einem Anti-Windkraftaktivisten verheiratet ist, in einem nichtwissenschaftlichen und im Selbstverlag herausgegebenen Buch ein sog. „Windturbinensyndrom“ postuliert, das anschließend in der Öffentlichkeit z. T. stark rezipiert wurde.^[18] In der wissenschaftlichen Debatte wird diese Arbeit sowie die darin aufgestellte Hypothese wegen gravierender methodischer Fehler verworfen. So basiert die Untersuchung auf Angaben von 38 Anwohnern von Windkraftanlagen, die gesundheitliche Probleme auf Windkraftanlagen zurückführten und von Pierpont zuvor via Internet angeworben wurden. Darüber hinaus fanden weder Infraschallmessungen noch persönliche Untersuchungen statt, sondern nur 23 Telefongespräche; die Symptome von 15 weiteren Personen wurden ausschließlich durch Dritte telefonisch übermittelt.^[19][20][21]

Im Sommer 2004 wurde mit den vier mobilen Messanlagen der BGR die Infraschallemission einer 200-kW-Windkraftanlage untersucht.^[22] Die Messungen führten zu dem Ergebnis, Schallemissionen von (damaligen) Windenergieanlagen seien oberhalb von 600 kW Leistung im Frequenzbereich um 1 Hz in Entfernungen von über 10 km nachweisbar. Experten weisen darauf hin, dass die Emissionen einer einzelnen Großanlage bereits nach 300 bis 500 Metern die menschliche Wahrnehmungsschwelle unterschreiten, die ihrerseits mehrere Größenordnungen unterhalb von gefährlichen Schallleistungen liegt.^[2] Das Bayerische Landesamt für Umwelt veröffentlichte 2014 ein Papier zu dem Thema.^[23]

Die LUBW führte von 2013 bis 2015 in einem Langzeitprojekt systematische Messungen an gängigen modernen Windkraftanlagen mit Nennleistungen zwischen 1,8 MW und 3,2 MW sowie weiteren technischen und natürlichen Infraschallquellen durch. Im Februar 2015 wurde ein Zwischenbericht hierzu publiziert. Demnach liegt der Infraschall auch im Nahbereich der Anlagen mit Abständen von 150 m bis 300 m deutlich unterhalb der Wahrnehmungsschwelle. Bei laufenden Anlagen lag der Infraschallpegel bei 55 dB(G) bis 80 dB(G), während der Infraschallpegel bei abgeschalteten Anlagen nur durch natürliche Quellen bei 50 dB(G) bis 75 dB(G) lag. Die Frequenzbewertung in dB(G) bezeichnet einen bewerteten Schalldruckpegel mit einer Filterfunktion G und ist in ISO 7196 (1995) festgelegt. Die Filterfunktion G nimmt eine Frequenzbewertung im Spektralbereich von ca. 16 Hz bis 20 Hz vor.

Bei 700 m Abstand ist der Infraschallpegel bei eingeschalteten Anlagen nur unwesentlich höher als bei ausgeschalteten Anlagen, da der Großteil des Infraschalls durch den Wind selbst verursacht wird. Zudem ergaben die Messungen, dass nachts der Infraschallpegel deutlich absank, da wichtige Infraschallquellen wie der Verkehr abnahmen. Der vom Verkehr verursachte Infraschallpegel lag im Bereich der Wohnbebauung mit 55 dB(G) bis 80 dB(G) und damit auf genau dem gleichen Niveau wie der Infraschallpegel von Windkraftanlagen, die im Abstand von 150 m bis 300 m gemessen wurden.^[24][1] Zudem ergaben die Messungen, dass Windkraftanlagen wie auch andere Schallquellen gemäß TA Lärm beurteilt werden können. Wenn die Genehmigungsgrundlagen eingehalten werden, sind von Windkraftanlagen keine negativen Auswirkungen durch Schallemissionen zu erwarten.^[1]

Industrie und Verkehr

Eine wichtige Infraschallquelle ist ebenfalls der Verkehr (s. o.). Insbesondere im Innenraum von PKWs treten hohe Infraschallpegel von 100 bis 105 dB auf, was die höchsten Werte in einer 2013 bis 2015 durchgeführten Langzeitstudie waren und andere Infraschallquellen um mehrere Größenordnungen übertraf.^[1] Interessant ist, dass Personen, die empfindlich auf Infraschall von Industrieanlagen reagieren, sich nicht durch die tieffrequenten Motorordnungen (Drehzahl und ihre Harmonischen) gesundheitlich belastet fühlen. Vermutlich spielt die zeitliche Variation der Frequenzen hinsichtlich eines unangenehmen Empfindens eine beachtliche Rolle. Variieren die Frequenzen, stört das Signal weniger als wenn permanent dieselbe Frequenz abgestrahlt wird.

Auch Industrieanlagen erzeugen (permanent oder bei bestimmten Vorgängen) tieffrequente Geräusche. Rüttelmaschinen, Mahlwerke, Webstühle oder Luftauslässe mit langen Rohren oder angeschlossenen Kanälen sind nachweisliche Infraschallquellen. Wenn sich langwellige Schallwellen als stehende Welle in einem geschlossenen Raum aufschaukeln oder wenn Gebäudebauteile (etwa eine weitgespannte Geschossdecke) in Resonanz geraten, kann dies gar sehr deutlich wahrnehmbar sein und bei lang anhaltender Einwirkung auch gesundheitliche Probleme bei einer sensiblen Personengruppe verursachen.^[25]

Ober- und unterirdische Explosionen sowie Raketenstarts erzeugen Infraschall, der über weite Entfernung zum Nachweis und zur Ortung verwendet werden kann.

Der Überschallknall von Flugzeugen hat auch eine Infraschallkomponente.

Die Orgelpfeifen eines echten (also nicht nur „akustisch“ realisierten) 64-Fuß-Registers erzeugen in der tiefsten Oktave (Subsubkontraoktave) Töne im Infraschallbereich. Bei einem voll ausgebauten 64-Fuß-Register hat der tiefste Ton, das Subsubkontra-C, eine Frequenz von 8,2 Hz (Näheres hier).

Es gibt Infraschalldetektoren für Alarmanlagen, die Infraschallemissionen bei einbruchstypischen Handlungen erfassen können. ^[26]

Haushalt

Infraschallquellen im Privathaushalt sind z.B. Waschmaschine, Kühlschrank und Öl- und Gasheizungen. Die höchsten Infraschallpegel treten bei Waschmaschinen im Schleudergang auf, wobei teilweise die Wahrnehmungsschwelle überschritten wird.^[1]

Literatur

• Valentina N. Tabulevich: Microseismic and infrasound waves. Springer, Berlin [u. a.] 1992, ISBN 3-540-53293-5
• W. Tempest (Hrsg.): Infrasound and low frequency vibration. Academic Press, London 1976, ISBN 0-12-685450-5
• David Havelock, Sonoko Kuwano, Michael Vorländer (Hrsg.): Handbook of Signal Processing in Acoustics. Springer, New York 2009, ISBN 978-0-387-77698-9
• Alexis Le Pichon, Elisabeth Blanc, Alain Hauchecorne (Hrsg.): Infrasound Monitoring for Atmospheric Studies. Springer, 2009, ISBN 978-1-4020-9507-8

Weblinks

Commons: Infraschall – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Tieffrequente Geräusche inkl. Infraschall von Windkraftanlagen und anderen Quellen Bericht über Ergebnisse des Messprojekts 2013–2015, Februar 2016
• Windenergie und Infraschall, tieffrequente Geräusche durch Windenergieanlagen (PDF; 3,5 MB), Faltblatt der LUBW und des Landesgesundheitsamtes Baden-Württemberg im Regierungspräsidium Stuttgart
• Häufig gestellte Fragen Windkraftanlagen und Infraschall, LUBW
• Infraschallereignis des Meteor von Tscheljabinsk, @youtube.com, abgerufen am 21. Februar 2013

Einzelnachweise