Der Franzis Lärmpegelmesser  

Elektronik-Labor  Literatur  Projekte  Lernpakete  Elektronik-Grundlagen


     

Lärmpegelmesser zum Selberbauen

Video:  https://youtu.be/m5-_YTkn-To

Vorwort

Bauen Sie Ihr eigenes Lärm-Warngerät. Dank der fertig bestückten Platine müssen nur noch wenige Bauteile angelötet werden. Die Schaltung wird über drei AA-Zellen mit zusammen 4,5 V versorgt. Der eingebaute Mikrocontroller sorgt für eine deutliche Anzeige auch bei impulsartig auftretenden Geräuschen.

Lärm verursacht Stress und ist gesundheitsschädlich. Oft setzt man sich unbewusst großen Lärmpegeln aus, weil man sich langsam daran gewöhnt, dass es z.B. auf einer Party immer lauter wird. Oder man hat Schwierigkeiten jemandem klarzumachen, dass er unzumutbaren Lärm erzeugt. In jedem Fall ist es hilfreich, eine objektive Anzeige zu verwenden. Der Franzis Lärmpegelmesser warnt Sie bei lauten Geräuschen. Vier LEDs stehen für Lärmpegel von 60 dB bis 90 dB.

Zusätzliche Anschlüsse und Betriebsarten erweitern die Einsatzmöglichkeiten. Nutzen Sie das Gerät als Lichtorgel, Geräuschabhängiges Lauflicht oder als Vierkanal-Klatschschalter. Schließen Sie weitere LEDs an oder steuern Sie externe Verbraucher. Der Phantasie sind keine Grenzen gesetzt.
 
Die Bauteile

Ihr Bausatz enthält eine fertig bestückte Platine mit zahlreichen SMD-Bauteilen. Dazu gibt es einige Teile, die Sie selbst anlöten müssen.


 
Die Bauteile

Platine
Pfostenstecker 2 x 3
Batteriefach für 4,5-V ( 3 x AA)
Mikrofon
LED grün
LED gelb
LED rot
LED blau
Widerstand 150 kΩ
Schaltlitze
 

 
Montage des Mikrofons

Bauen Sie zuerst das Mikrofon ein.  Die Anschlüsse sollen von  außen durch das vorgestanzte Loch gesteckt und angeklebt werden. Lassen Sie den Kleber gut aushärten, bevor Sie die Kabel an das Mikrofon anlöten.  
 


Beachten Sie bitte die Einbaurichtung. Einer der beiden Anschlüsse des Mikrofons ist der Massekontakt und soll später mit dem GND-Anschluss der Platine verbunden werden. Man erkennt diesen Anschluss (im Foto rechts) daran, dass er eine leitende Verbindung zum Rand hat. Diese Seite soll zur rechten Gehäuseseite mit dem Klappscharnier zeigen, damit er später nicht verwechselt wird. Nach dem Einbau ist nämlich nur noch schwer zu erkennen, welches die Masseseite ist. Aber keine Sorge, falls es zu einer Verwechslung der Anschlüsse kommt, geht nichts kaputt. Der Fehler ist mit einem einfachen Test leicht zu erkennen und kann sehr einfach korrigiert werden.

 
Lötarbeiten

Betrachten Sie die Platine genauer. Im mittleren Bereich sind alle Bauteile bereits aufgelötet. Diese Arbeit hat ein Bestückungsautomat für Sie erledigt, sodass Sie sich fast nur noch um die äußeren Anschlüsse kümmern müssen. Jeder Anschluss hat eine rechteckige Fläche und eine Bohrung, durch die der jeweilige Draht geschoben wird um ihn dann anzulöten. Einige Anschlüsse bleiben frei und sind für spätere Erweiterungen vorgesehen.

Beginnen Sie mit dem sechspoligen Pfostenstecker, auf den später ein Kontaktstecker (Jumper) zur Auswahl von Programmen gesteckt werden soll. Stecken Sie den Stecker von der Bestückungsseite der Platine durch die passenden Löcher (J1 bis J3) und löten Sie die sechs Stifte auf der Unterseite an.


 
Bauen Sie dann die vier LEDs ein. Sie dienen später dazu, das Schallsignal anzuzeigen.  Die LEDs werden an die Anschlüsse 4, 5, 6 und 7  gelötet. Neben jedem dieser Anschlüsse gibt es einen zugehörigen Masseanschluss (G, für GND, Ground).  An den Anschluss G muss die Kathode, also der Minuspol der LED angelötet werden. Man erkennt die Kathode K am kürzeren Anschlussdraht der LED. Im Inneren der LED erkennt man einen größeren Halter am Kathodenanschluss, der den eigentlichen LED-Kristall trägt.  Der längere Anschlussdraht ist der Pluspol (Anode) und soll am jeweiligen Ausgang 4 bis 7 angelötet werden. Löten Sie die LEDs hoch stehend ein. Später werden sie dann umgebogen, sodass sie seitlich neben der Platine in die Gehäuselöcher passen.

Beachten Sie neben der korrekten Polung auch die Anordnung der LEDs. Achtung, nach dem Einbau in das Gehäuse wird die rechte LED (grün) zur linken LED. Für die Bestückung gilt daher:

Anschluss 7: Grün
Anschluss 6: Gelb
Anschluss 5: Rot
Anschluss 4: Blau
 

 
Die Anschlüsse 0 bis 3  auf der gegenüberliegenden Seite der Platine bleiben frei. Sie können aber später für Erweiterungen und besondere Projekte eingesetzt werden.

Biegen Sie die LEDs passend um und stecken sie durch die Löcher im Gehäuse. Die Platine wird ausreichend stabil von den vier LEDs gehalten. Zusätzlich können Sie noch etwas Klebstoff oder doppelseitiges Klebeband verwenden.


 
 
Löten Sie nun das Batteriefach an. Das Plus-Kabel (rot) soll mit dem Anschluss V+ verbunden werden. Der Minusanschluss (schwarz) gehört an den daneben liegenden GND-Anschluss. Alle GND-Anschlüsse und die abgekürzt mit G bezeichneten LED-Anschlüsse sind auf der Platine miteinander verbunden.




Nun fehlt noch der Anschluss des Mikrofons. Schneiden Sie passende Anschlussdrähte von 7 cm Länge von der beiliegenden Litze ab und entfernen Sie die Isolierung an den Enden auf einer Länge von 5 mm.  Verbinden Sie die beiden Mikrofonanschlüsse mit den Anschlussflächen Mic und GND und beachten Sie dabei die Polung. Das Mikrofon hat eine GND-Seite, bei der der Anschluss mit dem Metallgehäuse verbunden ist. Eine Falschpolung ist ungefährlich für die Bauteile, führt jedoch zu einer schlechteren Funktion des Geräts.

Das letzte Bauteil ist ein  Widerstand mit 150 kΩ (Farbringe braun, grün, gelb). Er soll an die Lötflächen RX1 und RX2 angelötet werden. Sie können den Widerstand jedoch zunächst einmal weglassen. Er dient zum Einstellen der richtigen Empfindlichkeit des Lärmsensors und kann bei Bedarf später leicht ausgetauscht werden. Ohne den Widerstand ist das Gerät besonders empfindlich und reagiert auch schon auf leise Geräusche, was für den ersten Test vorteilhaft ist.



 
Der erste Test

Legen Sie drei AA-Zellen mit zusammen 4,5 V ein, nachdem Sie alle Anschlüsse noch einmal sorgfältig kontrolliert haben. Für diesen ersten Test soll der Jumper noch nicht aufgesteckt werden. Beim Einlegen der Batterien gehen alle LEDs einmal kurz an. Dann sollte bei geringer Lautstärke keine LED mehr leuchten. Erzeugen Sie dann unterschiedlich laute Geräusche. Sie werden von den LEDs angezeigt. Mit steigender Lautstärke leuchtet zunächst die grüne, dann die gelbe und schließlich die rote LED. Bei der höchsten Stufe leuchten die rote und die blaue LED gemeinsam. Ein kurzer lauter Knall wird durch ein etwas länger andauerndes Leuchten der roten und der blauen LED angezeigt. Danach fällt der angezeigte Lärmpegel allmählich wieder ab. 
Dieser Test zeigt auch, ob alle LEDs korrekt angelötet wurden. Falls eine der LEDs nie leuchtet, wurde sie vermutlich falsch herum eingelötet. Sie können vielleicht die verschieden langen Anschlussdrähte an der Platinen-Unterseite noch erkennen und kontrollieren, ob der kürzere Draht jeweils am Minusanschluss G angelötet ist. Ein weiteres Merkmal ist eine kleine Abflachung am Kragen der LED, die ebenfalls die Kathodenseite markiert.  Falls ein LED falsch herum eingelötet wurde, sollten Sie sie auslöten und richtig herum wieder einbauen.

Ein einfacher Test zeigt, ob das Mikrofon richtig herum angeschlossen wurde. Berühren Sie dazu die metallische Ummantelung des Mikrofons mit dem Finger. Wenn eine leichte Berührung bereits als lautes Geräusch gewertet wird, ist das Mikrofon falsch herum eingebaut. Dann werden nämlich elektrische Störsignale eingekoppelt, die aus nahen Netzleitungen stammen. Zum Vergleich können Sie einmal direkt den Mic-Anschluss auf der Platine berühren, denn dabei entsteht ebenfalls diese Störung. Bei einer Berührung de GND-Anschlusses dagegen bleibt alles still. Und so sollte es auch bei der Berührung des  Mikrofons sein, wenn dessen Gehäuse korrekt an GND angeschlossen ist.
 
Lärmanzeige ab 60 dB

Damit ist nun die Grundfunktion des Geräts erfolgreich getestet. Löten Sie nun noch den Widerstand von 150 kΩ an die Anschlüsse RX1 und RX2, falls sie das nicht schon getan haben. Damit hat das Gerät die vorgesehene Empfindlichkeit für Geräusche ab etwa 60 dB. Ganz grob kann man sagen, alles unter 60 dB ist im normalen Alltag zu tolerieren. Die grüne LED zeigt Lautstärken zwischen etwa 60 dB und 70 dB an. Die gelbe leuchtet ab 70 dB, die rote ab 80 dB und die blaue LED bei Lautstärken über 90 dB, die man bereits als gesundheitsgefährdend einstufen muss. 

Im Normalfall kann man das Gerät einfach auf den Tisch stellen und wird es meist gar nicht beachten. Wenn aber die LEDs zu leuchten beginnen, dann weiß man: Achtung Lärm! Dies ist die Grundfunktion und der wichtigste Einsatzzweck des Lärmpegelmessers. Aber es gibt noch weitere Funktionen, die man mit dem Jumper einschalten kann.
 
Disko-Light

Stecken Sie den Jumper auf die Stiftleisten in der Position 1. Ein Jumper ist ein Kurzschlussstecker, der zwei Anschlüsse verbindet. Weil diese Verbindung leicht an eine andere Stelle „springen“ kann wurde der Fachausdruck „Jumper“ geprägt. Der Mikrocontroller erkennt die Kurzschlussbrücke und schaltet dann auf ein anderes Programm um.

Das Gerät reagiert nun nicht mehr auf absolute Lautstärke, sondern auf relative Änderungen, die in einer Leuchtbandanzeige dargestellt werden. Dabei wird der Beat einer Musik herausgearbeitet, also z.B. der Anteil des Drummers.
 
Das Programm stellt sich automatisch auf die mittlere Lautstärke ein. Zunächst leuchtet nur die grüne LED. Bei passender und ausreichend lauter Musik werden an den lauteren Stellen die anderen LEDs mit eingeschaltet, sodass ein längeres Leuchtband zu sehen ist. In den leiseren Momenten dagegen sind alle LEDs aus.
 
Im täglichen Leben sollte man zwar Lärm vermeiden, aber manchmal braucht man auch die richtige Musik mit hoher Lautstärke. Die Disko-Anzeige unterstützt die Partystimmung. Nur wenn man es deutlich übertreibt und Lautstärken bis weit über 90 dB zulässt, dann funktioniert auch die Disko-Light nicht mehr. Das Gerät kann dann lauter und leiser nicht mehr unterscheiden, ähnlich wie das menschliche Ohr, das dann ebenfalls völlig überlastet ist. So wird man an die Gefahren zu lauter Musik erinnert.
 
 
Lautstärke-gesteuertes Lauflicht
 
Mit dem Jumper in der Position 2 startet ein Lauflicht, dessen Laufgeschwindigkeit mit der Laustärke steigt. Ohne laute Geräusche wandert der Lichtpunkt recht gemächlich hin und her und signalisiert Entspannung. Je lauter es wird, desto schneller bewegt sich der Punkt. Das wirkt dann hektisch und gestresst.
 
Schnelles Reden und große Lautstärke kommen oft zusammen, besonders wenn hitzige Diskussionen geführt werden. Ein Redner bekommt nun einen Spiegel vorgehalten, damit er sich besser kontrollieren kann. Jedenfalls merkt man sofort, wenn man es mit der Lautstärke übertreibt.
 
               
Der Klatschschalter
 
Stecken Sie den Jumper auf die Position 3. Nach dem Start sind zunächst alle LEDs aus. Einmal Klatschen schaltet die erste LED ein. Mit jedem Klatschen rückt die Ausgabe um eine Stelle weiter. Nach der vierten LED folgt wieder ein Aus-Zustand. Das Gerät passt sich automatisch an die mittlere Lautstärke an. Jedes Klatschgeräusch muss deutlich lauter als die Umgebungsgeräusche sein, damit es gewertet wird.
 
Den Klatschschalter könnte man auch als Spiel verwenden und den vier Farben der LEDs bestimmte Nachrichten zuordnen. Der Phantasie sind keine Grenzen gesetzt. Aber das Gerät kann mit etwas zusätzlicher Elektronik auch externe Verbraucher steuern. Licht an, Tür auf, Wasser marsch, alles ist möglich. Das gilt insbesondere, wenn man die zusätzlichen Anschlüsse der Platine verwendet.
 
 
Lärmpegel-Grundlagen
 
Lärmpegel werden in dB(A) gemessen. Dies entspricht etwa der veralteten Einheit Phon. Bei 0 dB(A) liegt die Hörschwelle des Menschen. Ein Motorrad erzeugt im Leerlauf in einem Meter Abstand ca. 80 dB(A), und die Schmerzgrenze liegt bei etwa 120 dB(A).
 
Ein Pegel ist der Logarithmus des Verhältnisses einer Messgröße zu einer Vergleichsgröße. Er wird in Dezibel (dB) angegeben. Die Angabe "Der Pegel liegt um 10 dB höher" bedeutet, dass die 10-fache Leistung vorliegt. Einer Steigerung der Leistung um das 100-fache entspricht also eine Verstärkung von 20 dB. Jeder Pegel lässt sich in ein Leistungsverhältnis umrechnen.
 
    Pegel   Leistungsverhältnis
    0 dB    1
    3 dB    ca. 2
    10 dB   10
    20 dB   100
    30 dB   1 000
    40 dB   10 000 usw.
 
Für die Bewertung von Schallpegeln im Zusammenhang mit der Belastung von Menschen hat man die menschliche Hörschwelle als Vergleichspegel gewählt. Diese ist aber sehr stark von der Frequenz abhängig. Bei etwa 1000 Hz ist das Ohr am empfindlichsten, darunter und darüber nimmt die Empfindlichkeit ab. Ein Messgerät für Schallpegel muss Geräusche nach ihrer Frequenz so bewerten wie das menschliche Ohr. Der geforderte Frequenzgang ist genormt und heißt A-Kurve. Daher stammt die bei Lärmpegeln verwendete Bezeichnung dB(A).
 
Ein Unterschied von 10 dB wird vom Menschen etwa als eine Verdopplung der Lautstärke empfunden. Der gesamte Pegelumfang des Ohrs beträgt im Idealfall etwa 120 dB. Fallende Schneeflocken sollen ein Geräusch von 0 dB(A) erzeugen, aber das hat kaum ein Mensch gehört, weil die Umwelt meist wesentlich lauter ist. Bei 120 dB(A) liegt die Schmerzgrenze, aber schon Dauerbelastungen mit Geräuschen um 80 dB(A) können krank machen. In Wohnräumen sollte man einen Schallpegel von 60 dB(A) nicht dauerhaft überschreiten.
 
Der Franzis Lärmpegelmesser ist nicht kalibriert und arbeitet ohne A-Filter, sodass keine Messungen nach dem amtlichen Standard möglich sind. Man kann jedoch etwa davon ausgehen, dass die erste LED ab 60 dB angeht und die folgenden ab 70 dB, 80 dB und 90 dB. Bei sehr hohen und sehr tiefen Tönen können deutliche Abweichungen auftreten, weil das Gerät einen weitgehend linearen Frequenzgang hat.
 
 
Messungen und Experimente
 
Die empfundene und angezeigte Lautstärke hängt meist sehr deutlich vom Abstand einer Schallquelle ab. Hält man den Lärmpegelmesser direkt vor den Mund, dann ist relativ einfach die höchste Lautstärkestufe zu erreichen. Genauso wird direkt vor einem Lautsprecher eine große Lautstärke angezeigt, auch wenn es im Raum noch nicht übermäßig laut ist. Und Sprache in normaler Lautstärke wird als schmerzhaft laut empfunden, wenn der Sprecher sich sehr nah am Ohr des Hörenden aufhält.
 
Wenn man sich eine punktförmige Schallquelle in einem freien Raum vorstellt, dann verteilt sich die gleiche Energie im doppelten Abstand auf eine vierfache Fläche. Bei dreifachem Abstand kommt man fast auf die zehnfache Fläche, beim Hörer kommt also nur ein Zehntel der Energie an. Das entspricht einem Unterschied von 10 dB. Im zehnfachen Abstand hat man entsprechend eine um 20 dB geringere Lautstärke. Um eine Schallquelle zu beurteilen muss man daher in einem definierten Abstand messen. Ein Vespa Motorroller erzeugt z.B. in einem Abstand von einem Meter ein Fahrgeräusch von 70 dB(A). In zehn Metern Abstand müssten es daher 50 dB(A) sein.
 
Testen sie das einmal in einem Experiment mit einer konstant lauten Schallquelle. Verwenden Sie z.B. einen Staubsauger. Sie werden feststellen, dass in einem größeren Abstand weniger Lautstärke angezeigt wird. Allerdings wird sich in geschlossenen Räumen nur selten ein Unterschied von 20 dB feststellen lassen. Der Grund dafür sind Reflexionen an den Wänden. Dabei kann es leisere Stellen geben und dann wieder lautere in einem größeren Abstand. Diese Problematik tritt fast immer auf, wenn man versucht, eine Lautstärke möglichst genau zu messen.
 
Durch Reflexionen ist das Messergebnis extrem stark vom Ort der Messung abhängig. Schallwellen überlagern sich mit den reflektierten Schallwellen und können sich je nach ihrer Phasenlage verstärken oder abschwächen und sogar auslöschen. Das lässt sich mit Tönen konstanter Frequenz zeigen, wenn man sich ein Ohr zuhält und langsam durch einen Raum mit reflektierenden Wänden geht. Oft kann man Orte finden, an denen der Ton vollständig verschwindet. Genauso kann man mit dem Schallpegelmesser lautere und leisere Orte im Raum finden.
 
Das menschliche Ohr passt sich nach kurzer Zeit der mittleren Lautstärke an, ähnlich wie der Lärmpegelmesser im Disko-Modus. Schlägt man mit einem Lineal auf den Tisch, entsteht ein unangenehm lauter Knall mit einem Schallpegel über 90 dB. Dasselbe Geräusch wird aber als weniger unangenehm empfunden, wenn es vorher schon recht laut war, denn dann hat das Ohr seine Empfindlichkeit bereits zurückgeregelt.
 
Das ist der Grund, warum man sich oft nicht einig wird, ob Geräusche zu laut sind oder nicht. Menschen in großer Gesellschaft haben sich allmählich an die steigende Lautstärke gewöhnt und reden dann selbst sehr laut. Wenn sie darauf angesprochen werden, sagen sie vielleicht, wir sind doch gar nicht laut. Aber der Lärmpegelmesser bleibt objektiv und kann als Schiedsrichter dienen.
Allerdings gibt es auch Situationen, in denen schon Geräusche weiter unterhalb von 60 dB(A) als sehr laut empfunden werden. Gerade in der Nacht gewöhnt man sich so an die Stille, dass bereits Geräusche von 40 dB(A) den gesunden Schlaf stören können. Es können also auch Geräusche krank machen, die vom Lärmpegelmesser noch nicht angezeigt werden.
 
 
Technische Beschreibung
 
Das Schaltbild zeigt links die analoge Signalverarbeitung mit einem Doppel-Operationsverstärker LM358 und rechts den Mikrocontroller HT46F47 mit seiner speziellen  Firmware zur Auswertung der analogen Signale und zur Ansteuerung der LEDs
 
Das Mikrofon ist am Eingang des Vorverstärkers angeschlossen. Ohne den externen Widerstand Rx ergibt sich eine 100-fache Spannungsverstärkung. Mit Rx = 150 kΩ wird die Mikrofonspannung rund 14-fach verstärkt. Das verstärkte Signal gelangt an den zweiten OPV, der ohne Vorspannung nur die positiven Halbwellen verstärkt und damit als Signalgleichrichter arbeitet. Nach einer Glättung über das Tiefpassfilter R20/C13 hat man eine zur Mikrofonspannung proportionale Gleichspannung, die vom Mikrocontroller ausgewertet werden kann.
 
 
 
 
Der Anschluss PB0 des Mikrocontrollers ist der analoge Eingang des internen AD-Wandlers, über den die anstehende Signalspannung gemessen wird. Die Software wertet das Signal aus und steuert die LED-Ausgänge PA4 bis PA7 sowie die zusätzlichen Ausgänge PA0 bis PA3. Die Anschlüsse PB1 bis PB3 sind digitale Eingänge mit intern eingeschaltetem Pullup-Widerstand und dienen zur Programmauswahl über den Postenstecker 2x03 und den aufgesetzten Jumper.
 
 
 
Erweiterungen
 
Bei Bedarf lässt sich der Messbereich des Geräts ändern, indem Sie den Widerstand RX austauschen. Ohne RX hat man die größte Empfindlichkeit mit einer Anzeige ab ca. 45 dB. Um den Messbereich hochzusetzen muss man RX verkleinern. Ein Widerstand von 4.7 kΩ würde den Bereich um 10 dB nach oben verschieben, sodass die letzte Warnstufe bei etwa 100 dB beginnt. Falls Sie über ein kalibriertes Lärmmessgerät verfügen, können Sie Vergleichsmessungen durchführen und Ihr Gerät anpassen.
 
Beim Aufbau des Geräts sind die vier Anschlüsse 0 bis 3 zunächst frei geblieben. Hier kann man zusätzliche LEDs oder andere Verbraucher anschließen. Im einfachsten Fall lötet man passende Kabel an und schließt bis zu vier weitere LEDs an. Möglich ist auch die Verwendung externer Leistungstreiber zum Steuern größerer Lampen oder Motoren oder der Anschluss von Relaisstufen. Die Funktion der Ausgänge unterscheidet sich von denen der eingebauten LEDs, sodass man viele unterschiedliche Varianten realisieren kann.
 
Kein Jumper: Die Lautstärke wird im Grundmodus nicht über Einzelausgänge, sondern als Leuchtband angezeigt. Denkbar ist eine überdimensionale Anzeige der Lautstärke.
 
Jumper 1: Das Disko-Light erscheint nicht als Leuchtband, sonders als Einzelpunktanzeige. Man könnte vier Scheinwerfer damit steuern.
 
Jumper 2: Es erscheint satt des Lauflichts ein binär hochzählendes LED-Muster, sodass jede einzelne der LEDs 0 bis 3 mit ihrer eigenen von der Lautstärke abhängigen Frequenz blinkt.
 
Jumper 3: Der Klatschschalter steuert ein Leuchtband an den Ausgängen 0 bis 3. Man könnte damit vier Helligkeitsstufen mit vier Lampen steuern.


Elektronik-Labor  Literatur  Projekte  Lernpakete  Elektronik-Grundlagen