Lärm-Messung und Lärm-Bewertung
Beginn: 1995
Projektdauer: 1995 - heute
Projektleitung: Dr. rer. nat. Dirk Windelberg

Anlass
Die Ursache der hier betrachteten Lärm-Messung und -Bewertung ist nächtlicher Verkehrslärm. Für diesen Lärm ist typisch, dass er nicht kontinuierlich wirkt, sondern nur bei einer Vorbeifahrt eines Schienenfahrzeugs bzw. einem Start oder einer Landung eines Flugzeugs. So ist insbesondere die Bewertung nächtlichen Verkehrslärms nicht einfach, da eine einzelne sehr laute Vorbeifahrt zum Aufwachen führen kann, obwohl der "mittlere Nachtpegel" einen ruhigen Schlaf verspricht.

Wie sollte vorgegangen werden, wenn
die Lärmbelastung durch nächtlichen Schienenverkehrslärm an einem festgelegten Ort
mit der Lärmbelastung durch nächtlichen Schienenverkehrslärm an einem anderen Ort
verglichen werden soll?

Mittelung bei Verkehrslärm mit Lärmpausen
Dr. Dirk Windelberg - Lärm-Messung und Bewertung Lärm-Messung und Lärm-Bewertung
Beginn: 1995
Projektdauer: 1995 - heute
Projektleitung: Dr. rer. nat. Dirk Windelberg

Anlass
Die Ursache der hier betrachteten Lärm-Messung und -Bewertung ist nächtlicher Verkehrslärm. Für diesen Lärm ist typisch, dass er nicht kontinuierlich wirkt, sondern nur bei einer Vorbeifahrt eines Schienenfahrzeugs bzw. einem Start oder einer Landung eines Flugzeugs. So ist insbesondere die Bewertung nächtlichen Verkehrslärms nicht einfach, da eine einzelne sehr laute Vorbeifahrt zum Aufwachen führen kann, obwohl der "mittlere Nachtpegel" einen ruhigen Schlaf verspricht.

Wie sollte vorgegangen werden, wenn
die Lärmbelastung durch nächtlichen Schienenverkehrslärm an einem festgelegten Ort
mit der Lärmbelastung durch nächtlichen Schienenverkehrslärm an einem anderen Ort
verglichen werden soll?

Mittelung bei Verkehrslärm mit Lärmpausen
Zunächst einige allgemeine Bemerkungen:
Es wurden Messgeräte entwickelt, die zwar vielleicht nicht den nächtlichen Lärm (ohne konkrete Angaben zu den einzelnen Vorbeifahrten), aber dafür
- an einem bestimmten Ort (wie z.B. in Hamminkeln)
- während jeder Vorbeifahrt eines Zuges
- alle 0,2 Sekunden
- den jeweils augenblicklichen Lärmpegel in der Einheit "A-bewertete Dezibel" [dB(A)]
messen.

Es gibt Rechenverfahren, mit denen ein "Mittelungspegel" von mehreren Lärmpegeln berechnet werden kann; aber es ist nicht bekannt, wie ein solcher Mittelungspegel auf einen schlafenden Menschen wirkt.

Wir betrachten hier eine Mess-Station, die z.B.
- von einem ausgewählten Gleis in einem definierten Abstand (z.B. 10 Meter) steht
und dort
- bei jeder Vorbeifahrt eines Zuges vom Zeitpunkt der Überschreitung eines Grenzpegels (von z.B. 50 dB(A)) bis zum Unterschreiten des o.g. Grenzpegels
- in Zeitschritten von jeweils 0,2 Sekunden den "Vorbeifahrpegel" registriert.

Mit einer solchen Dokumentation einer Vorbeifahrt werden bei einer gemessenen Vorbeifahrzeit von 12 Sekunden insgesamt 60 Einzelpegel dokumentiert:

Wie können diese Pegel bezüglich ihrer Wirkung auf einen schlafenden Menschen beurteilt werden?
(1) Es kann ein Maximalpegel der Einzelpegel der jeweils 0,2 Sekunden wirkenden Vorbeifahrpegel bestimmt werden.
(2) Es kann der Mittelwert dieser Einzelpegel berechnet werden.
(3) Es kann die Uhrzeit dieser Vorbeifahrt angegeben werden.
(4) Es kann die Dauer der Vorbeifahrt angegeben werden.
Wenn nur die Daten (1) und (2) erfasst werden, ist es nicht möglich, die Wirkung dieser Vorbeifahrt auf den Schlaf eines Anwohners zu bewerten.

Offene Fragen sowie bisher nicht (genau) definierte Begriffe und Grenzwerte
(F1) Welcher Verkehrslärm stört zu welcher Nachtstunde und sollte daher beschränkt werden?
Bei Schienenverkehrslärm sind es die einzelnen (Vorbeifahr-)Pegel, die den Schlaf eines Anwohners (je nach der jeweiligen "Schlaftiefe") stören (können).
Die "Schall 03" als Regelwerk zur Berechnung von Schienenverkehrslärm berücksichtigt jedoch nicht die Wirkung eines einzelnen Vorbeifahrpegels, sondern die Wirkung eines "Stundenpegels", d.h. eines Mittelwertes aus Vorbeifahrpegeln und der "Ruhe" zwischen zwei aufeinanderfolgenden Vorbeifahrten.
Für das Aufwachen ist es uninteressant, ob ein Anlieger bei einem Lärm-Mittelwert aufwachen würde - oder nicht.

Für die Belastung durch Schienenverkehrslärm gibt es vom Eisenbahn-Bundesamt "Lärm-Kartierungen". Aus diesen lässt sich für jeden Ort in Deutschland "die (mittlere) Lärmbelastung (in dB(A) infolge des Schienenverkehrs" ist:
Dazu werden zunächst die Vorbeifahrpegel der einzelnen Züge berechnet:
- für den Tag (6 - 18 Uhr): Vorbeifahrpegel ohne Zuschlag
- für den Abend (18 - 22 Uhr): Vorbeifahrpegel mit 5 dB(A) Zuschlag
- für die Nacht (22 - 6 Uhr): Vorbeifahrpegel mit 10 dB(A) Zuschlag
Mit Hilfe einer Ausbreitungsrechnung wird dann für die Umgebung die Lärmbelastung in der Umgebung des Schienenweges bestimmt.
(In der Annahme, dass die jeweils subjektive Wahrnehmung von "Lärm zu einem bestimmten Zeitpunkt" durch diese Zuschläge angemessen beschrieben wird.

Hier werden nur die Störungen durch Schienenverkehrslärm während der Nacht betrachtet.
Damit soll
- für jeden Ort in Deutschland
- für eine ausgewählte Woche eines Jahres
- für jede Nacht dieser Woche
die jeweilige nächtliche Belastung durch Schienenverkehrslärm beschrieben werden.
me_ha_b3.jpg
Wie aber sollte die Wirkung einer nächtlichen Vorbeifahrt auf einen schlafenden Menschen bestimmt werden?
Und wie sollte die Wirkung sämtlicher während einer Nacht vobeifahrenden Züge auf einen schlafenden Menschen bestimmt werden?
Und wie sollte diese angegeben oder beschrieben werden?


Zwischenergebnis der Messungen in Hamminkeln: Dr. Dirk Windelberg - Lärm-Messung und Bewertung Lärm-Messung und Lärm-Bewertung
Beginn: 1995
Projektdauer: 1995 - heute
Projektleitung: Dr. rer. nat. Dirk Windelberg

Anlass
Die Ursache der hier betrachteten Lärm-Messung und -Bewertung ist nächtlicher Verkehrslärm. Für diesen Lärm ist typisch, dass er nicht kontinuierlich wirkt, sondern nur bei einer Vorbeifahrt eines Schienenfahrzeugs bzw. einem Start oder einer Landung eines Flugzeugs. So ist insbesondere die Bewertung nächtlichen Verkehrslärms nicht einfach, da eine einzelne sehr laute Vorbeifahrt zum Aufwachen führen kann, obwohl der "mittlere Nachtpegel" einen ruhigen Schlaf verspricht.

Wie sollte vorgegangen werden, wenn
die Lärmbelastung durch nächtlichen Schienenverkehrslärm an einem festgelegten Ort
mit der Lärmbelastung durch nächtlichen Schienenverkehrslärm an einem anderen Ort
verglichen werden soll?

Mittelung bei Verkehrslärm mit Lärmpausen
Zunächst einige allgemeine Bemerkungen:
Es wurden Messgeräte entwickelt, die zwar vielleicht nicht den nächtlichen Lärm (ohne konkrete Angaben zu den einzelnen Vorbeifahrten), aber dafür
- an einem bestimmten Ort (wie z.B. in Hamminkeln)
- während jeder Vorbeifahrt eines Zuges
- alle 0,2 Sekunden
- den jeweils augenblicklichen Lärmpegel in der Einheit "A-bewertete Dezibel" [dB(A)]
messen.

Es gibt Rechenverfahren, mit denen ein "Mittelungspegel" von mehreren Lärmpegeln berechnet werden kann; aber es ist nicht bekannt, wie ein solcher Mittelungspegel auf einen schlafenden Menschen wirkt.

Wir betrachten hier eine Mess-Station, die z.B.
- von einem ausgewählten Gleis in einem definierten Abstand (z.B. 10 Meter) steht
und dort
- bei jeder Vorbeifahrt eines Zuges vom Zeitpunkt der Überschreitung eines Grenzpegels (von z.B. 50 dB(A)) bis zum Unterschreiten des o.g. Grenzpegels
- in Zeitschritten von jeweils 0,2 Sekunden den "Vorbeifahrpegel" registriert.

Mit einer solchen Dokumentation einer Vorbeifahrt werden bei einer gemessenen Vorbeifahrzeit von 12 Sekunden insgesamt 60 Einzelpegel dokumentiert:

Wie können diese Pegel bezüglich ihrer Wirkung auf einen schlafenden Menschen beurteilt werden?
(1) Es kann ein Maximalpegel der Einzelpegel der jeweils 0,2 Sekunden wirkenden Vorbeifahrpegel bestimmt werden.
(2) Es kann der Mittelwert dieser Einzelpegel berechnet werden.
(3) Es kann die Uhrzeit dieser Vorbeifahrt angegeben werden.
(4) Es kann die Dauer der Vorbeifahrt angegeben werden.
Wenn nur die Daten (1) und (2) erfasst werden, ist es nicht möglich, die Wirkung dieser Vorbeifahrt auf den Schlaf eines Anwohners zu bewerten.

Offene Fragen sowie bisher nicht (genau) definierte Begriffe und Grenzwerte
(F1) Welcher Verkehrslärm stört zu welcher Nachtstunde und sollte daher beschränkt werden?
Bei Schienenverkehrslärm sind es die einzelnen (Vorbeifahr-)Pegel, die den Schlaf eines Anwohners (je nach der jeweiligen "Schlaftiefe") stören (können).
Die "Schall 03" als Regelwerk zur Berechnung von Schienenverkehrslärm berücksichtigt jedoch nicht die Wirkung eines einzelnen Vorbeifahrpegels, sondern die Wirkung eines "Stundenpegels", d.h. eines Mittelwertes aus Vorbeifahrpegeln und der "Ruhe" zwischen zwei aufeinanderfolgenden Vorbeifahrten.
Für das Aufwachen ist es uninteressant, ob ein Anlieger bei einem Lärm-Mittelwert aufwachen würde - oder nicht.

Für die Belastung durch Schienenverkehrslärm gibt es vom Eisenbahn-Bundesamt "Lärm-Kartierungen". Aus diesen lässt sich für jeden Ort in Deutschland "die (mittlere) Lärmbelastung (in dB(A) infolge des Schienenverkehrs" ist:
Dazu werden zunächst die Vorbeifahrpegel der einzelnen Züge berechnet:
- für den Tag (6 - 18 Uhr): Vorbeifahrpegel ohne Zuschlag
- für den Abend (18 - 22 Uhr): Vorbeifahrpegel mit 5 dB(A) Zuschlag
- für die Nacht (22 - 6 Uhr): Vorbeifahrpegel mit 10 dB(A) Zuschlag
Mit Hilfe einer Ausbreitungsrechnung wird dann für die Umgebung die Lärmbelastung in der Umgebung des Schienenweges bestimmt.
(In der Annahme, dass die jeweils subjektive Wahrnehmung von "Lärm zu einem bestimmten Zeitpunkt" durch diese Zuschläge angemessen beschrieben wird.

Hier werden nur die Störungen durch Schienenverkehrslärm während der Nacht betrachtet.
Damit soll
- für jeden Ort in Deutschland
- für eine ausgewählte Woche eines Jahres
- für jede Nacht dieser Woche
die jeweilige nächtliche Belastung durch Schienenverkehrslärm beschrieben werden.
me_ha_b3.jpg
Wie aber sollte die Wirkung einer nächtlichen Vorbeifahrt auf einen schlafenden Menschen bestimmt werden?
Und wie sollte die Wirkung sämtlicher während einer Nacht vobeifahrenden Züge auf einen schlafenden Menschen bestimmt werden?
Und wie sollte diese angegeben oder beschrieben werden?


Zwischenergebnis der Messungen in Hamminkeln

In Hamminkeln wird seit 2011 jede Zugvorbeifahrt dokumentiert. Eine Zusammenfassung der nächtlichen Vorbeifahrten an den 7 Tagen einer Woche wurde am 20.10.2016 im Rathaus von Hamminkeln vorgestellt:
Dr. Dirk Windelberg:
"Lärmmessung und -Bewertung unter besonderer Berücksichtigung der Wirkung nächtlicher Vorbeifahrpegel auf den Schlaf von Anliegern"

Hamminkeln_2011-2015


Bisher wurden folgende Themen bearbeitet:

0. Lärmwirkungsforschung
1. Mittelung von Lärm
2. Schlaf und Verkehrslärm
3. Nächtlicher Schienenverkehrslärm
4. Wirkung nächtlichen Schienen-Güterverkehrslärms 2011+2012
5. Lärm-Messung und -Berechnung
6. Gleispflege
7. Statistische Auswertung
8. Summation von Lärm
9. Ausblick
0. Lärmwirkungsforschung

Zur Zeit (2018) ist nicht erkennbar, dass in absehbarer Zeit alle Güterzüge so leise fahren, dass Anwohner an Güterzug-Strecken bei der Vorbeifahrt eines Güterzuges ruhig schlafen können: Es gibt immer wieder entweder sehr laute Lokomotiven oder einzelne sehr laute Güterwagen, und diese fahren zu sehr unterschiedlichen Tages- und Nachtzeiten.
Daher sollte es nicht zulässig sein,

Güterzug-Neubaustrecken
durch Wohnbebauung innerhalb geschlossener Ortschaften

zu planen oder zu bauen.
Eine Reduzierung der Geschwindigkeit von Güterzügen bei der Fahrt durch Wohngebiete innerhalb geschlossener Ortschaften würde zu einer wirksamen Lärmminderung führen.

1. Mittelung von Lärm

Die nebenstehende Graphik zeigt eine exemplarische Lärmsituation einer Stunde:
Frage: es fahren 7 Güterzüge, jeweils 20 Sekunden lang wirkt ein Pegel von 90 dB(A). Wie hoch ist dann der Mittelungspegel dieser Stunde?

Antwort: Es sind 75,9 dB(A)!
(Ein während dieser Stunde kontinuierlicher Pegel von 75,9 dB(A) hätte den gleichen Mittelungspegel!)

Bild 1.1
"Pausenstruktur": Verteilung der Vorbeifahrpegel
Vorbeifahrpegel und Mittelungspegel


1.1 Lärmwirkung und Lärmberechung
Zur Beurteilung einer Gefährdung oder Schädigung durch Lärm werden vom Gesetzgeber Mittelungpegel als Grenzwerte angegeben. Dabei wird der Lärm über sehr lange Zeiträume

tagsüber: 16 Stunden, nachts: 8 Stunden - unter Vernachlässigung der Pausenstruktur

gemittelt. Es gibt zwar mathematisch viele Mittelungs-Möglichkeiten, aber es wurde ohne Prüfung der Wirkung

(Lästigkeit am Tag, Erhöhung der der Aufwach-Wahrscheinlichkeit nachts)

der energetische Mittelungs-pegel gewählt (siehe dazu Bild 1.1).
Dieser korreliert jedoch weder mit der Lästigkeit am Tage noch mit der Aufwach- wahrscheinlichkeit bei Nacht!


Es ist weder mathematisch noch medizinisch nachvollziehbar, dass
a) die Wirkung des Lärms einer Vorbeifahrt während der Nacht unabhängig ist von der Uhrzeit
b) die Wirkung des Lärms mehrerer Vorbeifahrten während der Nacht unabhängig ist von der Pausenstruktur.


Die beiden nebenstehenden Bilder vom Montag und vom Dienstag zeigen jeweils die Vorbeifahrzeit und den Pegel der Vorbeifahrten:
am Montag sind es 3 Vorbeifahrten,
mit 71, 73 und 76 dB(A) zwischen 22 und 23 Uhr
am Dienstag sind es zusätzlich 7 Vorbeifahrten, verteilt über die ganze Nacht.
Der Nacht-Mittelungspegel beträgt in beiden Nächten 50 dB(A)

Frage: Ist die Lärm-Wirkung der 3 Pegel vom Montag gleich der Lärm-Wirkung vom Dienstag?

Antwort: Vermutlich NEIN


Bild 1.2 und Bild 1.3

Bereits in der ersten Nachtstunde sind Anzahl und Pegelverteilung an verschiedenen Wochentagen nicht gleich.
(Beispiel: Haupt-Güterumgehung Hannover)

(Sollte ein "Mittelwert" aus Montag und Dienstag gebildet werden?
Oder ein "Mittelwert" aus den 7 Wochentagen?
Oder eine Nacht mit der höchsten Anzahl vorbeifahrender Güterzügen?)
Mittelung von Schallpegeln

Bild 1.4 und Bild 1.5

Und nun??

Nun haben wir beobachtet, dass während der Nächte zu verschiedenen Wochentagen
unterschiedlich viele Schienenfahrzeuge fahren,
die jeweils unterschiedliche Vorbeifahrpegel erzeugen.

Aber nicht nur die Anzahl, sondern auch auch die zeitliche Verteilung
ist während der verschiedenen Nächte sehr unterschiedlich.

Wie wirkt dieser nächtliche Verkehrslärm auf schlafende Anlieger?

Ein Anlieger an einem Schienenweg mit nächtlichem Güterverkehr erlebt Flug- oder Schienenverkehrslärm während der Nacht anders als am Tag:
Zumindest während der drei zeitlichen Phasen
(abendliches) Einschlafen, Schlaf und (morgendliches) Aufwachen
wirkt Schienenverkehrslärm unterschiedlich auf den individuellen Schlaf.

Daher ist es nicht sinnvoll, (nur) den Nacht-Mittelungspegel einer Nacht zu betrachten,
sondern (am Morgen nach einer Nacht mit aufweckenden Geräuschpeln) die Anzahl Aufwachreaktionen
während der 8 Stunden
- während jeder einzelnen Stunde zwischen 22 Uhr und 06 Uhr am folgenden Morgen
- zwischen 22 Uhr und 06 Uhr am folgenden Morgen (Nacht-Mittelungspegel)
- zwischen 01 Uhr und 03 Uhr am Morgen:

Zusätzlich ist zu beachten, dass während der Nächte zu verschiedenen Wochentagen
unterschiedlich viele Schienenfahrzeuge fahren,
die jeweils unterschiedliche Vorbeifahrpegel erzeugen.

Aber nicht nur die Anzahl, sondern auch auch die zeitliche Verteilung
ist während der verschiedenen Nächte sehr unterschiedlich.

2. Schlaf und Verkehrslärm


Frage 2.1: Was ist "Verkehrslärm"?
Es wird weder berücksichtigt, dass
- zu verschiedenen Uhrzeiten einer Nacht auch verschiedene Anzahlen und Pegel auftreten und
- an verschiedenen Wochentagen auch verschiedene Anzahlen und Vorbeifahrpegel auftreten


Frage 2.2: Was ist "störender Verkehrslärm"?
Tagsüber (hier von 06:00 bis 22:00 Uhr) bewegen sich sehr viele Menschen und sind damit vielleicht von Verkehrslärm an verschiedenen Orten betroffen,
aber nachts (von 22 bis 06 Uhr) befinden sie sich meist an einem festen Ort, an dem sie schlafen (wollen) und an dem sie nicht durch äusserlichen Lärm geweckt werden wollen.

Die Lärmbewertung der 16.BImSchV berücksichtigt nicht, dass Lärm während des Schlafes anders wirkt als im Wachzustand:
Beim Schlaf ist die "Anzahl Aufwachreaktionen" wesentlich.

Hier wird daher versucht, die Wirkung von nächtlichem Verkehrslärm auf einen schlafenden Menschen zu beschreiben: Für einen schlafenden Anwohner ist Verkehrslärm dann "störend", wenn er durch diesen (aus einem zuvor erreichten Schlafstadium) aufgeweckt wird.

Daher wird im Folgenden versucht, "Schlaf" und "Aufwachwahrscheinlichkeit" zu definieren, um dann einen "ungestörten Schlaf" sowie die
"Anzahl lärmbedingter Aufwachreaktionen" bestimmen zu können:
Die Ergebnisse bisheriger Forschungen finden sich im Vortrag von Windelberg auf der DAGA 2016:
(daga16a.pdf)

2.1 medizinisch: Schlaf

2.1.1 Cortisol-Konzentration

Schlaf bewertet, indem während
der 8 Stunden des Schlafes die
jeweilige Cortisol-Konzentration
im Körper des Schlafenden
gemessen wurde.
Diese wurde dann mit der Kurve
und dem Toleranzbereich des
nebenstehenden Bildes
verglichen.

Bild 2.1.0

Die roten Punkte im obigen Bild sind Mittelwerte der Messungen von SPRENG.
Von Vogelsang und Windelberg wurden die blauen Toleranzkurven eingezeichnet.
Die medizinische Beschreibung der Cortisol-Konzentration während eines 8-stündigen Schlafes in dem Bild 2.1.0 ist die Beschreibung von (roten) Mittelwerten. Daher wurden in diesem Bild sowohl eine blaue "mittlere" Kurve als auch eine obere und untere "Grenzkurve" eingezeichnet.

Vortrag DAGA 2011 von Windelberg und Vogelsang: "Mathematische Aspekte der gesundheitlichen Beeinträchtigung durch transiente Geröusch-Ereignisse auf der Grundlage von zeitlich verönderlichen Cortisol-Konzentrationen" (wi60204.pdf)

2.1.2 Polysomnografie und Hypnogramm (NORAH-Studie)

Heute (d.h. nach 2011) gibt es weitere Verfahren zur medizinischen Definition von (individuellem) Schlaf und eventuellen Audwachreaktionen einer Versuchsperson. Diese finden insbesondere bei Fluglärm-Studien Verwendung.
Hier werden Definitionen und Ergebnisse aus der "NORAH-Studie", insbesondere aus "NORAH_Bd4_M2_Schlaf_Endbericht.pdf" sowie der "Gesamtstellungnahme des WWBQ zur NORAH-Studie - Gesamtbetrachtung" (Band 7) zum Thema "Fluglärm und nächtlicher Schlaf" verwendet.
In einem speziellen "Schlaflabor" im Bereich eines Flughafens schlafen Versuchspersonen, deren Schlafverhalten mit den Verfahren "Polysomnografie" während der Nacht aufgezeichnet wird. Eine anschließende Auswertung der 960 Polysomnografien einer Nacht ergibt dann für jede Versuchsperson ein Hypnogramm.
Polysomnografie: Zunächst wird jeder
Versuchsperson an 6 Stellen im Gesicht eine
Elektrode angeklebt, welche die jeweiligen
Variationen der an diesen Stellen durchfliessenden
Ströme misst.
Für jeden der 960 Zeitschritte (von jeweils 30
Sekunden des 8-stündigen Schlafes) wird dann
aus diesen 6 Kurven durch einen "geschulten
Auswerter" entschieden, in welchem der 6
Schlafstadien die Versuchsperson in diesem
Zeitraum überwiegend geschlafen hat
- oder ob sie aufgewacht ist.
(siehe "Gesundheitsberichterstattung des Bundes", Robert Koch Institut, Statistisches Bundesamt: Heft 7: Schlafstörung Schlafstadienbestimmung nach RECHTSCHAFFEN und KALES)

30 Sekunden eines 8-stündigen Schlafs

Bild 2.1.1

Hypnogramm: Ein Hypnogramm beschreibt
dann das Ergebnis: Für jedes der 960
Polysomnografie-Bilder hat der Auswerter
eines der 6 Schlafstadien
wach - REM - S1 - S2 - S3 - S4 (Tiefschlaf)
interpretiert und dadurch die Anzahl der
WACH-Stadien gezählt.
Das nebenstehende Hypnogramm (Bild 2.1.2)
aus der NORAH-Studie zeigt: Die Versuchs-
person ist in dieser Nacht 24 mal "aufgewacht"!

Bemerkung: bei ungestörtem Schlaf scheinen
24 (medizinische) Aufwachreaktionen nicht unbedingt
mit der von der Versuchsperson empfundenen Anzahl
an Aufwachreaktionen vergleichbar zu sein!

Ungestörter Schlaf: 24 Aufwachreaktionen

Bild 2.1.2

2.1.3 Kommentar zu der Verwendung von Hypnogrammen zur Bestimmung von Aufwachreaktionen


(H1) Es wird zu jeder Nacht von jeder Versuchsperson genau ein (individuelles) Hypnogramm aus den 960 Polysomnografie-Bildern (wie Bild 2.1.1) interpretiert. (Mathematisch ist dieser Prozess nicht nachvollziehbar, da die Zuordnung von 6 Polysomnografie-Bildern zu einem Schlafstadium eines Hypnogrammes nicht algorithmisierbar ist!)
Ferner gibt es kein mathematisches Verfahren,

um aus 2 Hypnogrammen ein "mittleres" Hypnogramm


zu erzeugen.
(H2) Wegen (H1) gibt es keine Möglichkeit, aus mehreren Hypnogrammen abzulesen, ob - und wenn, wie - eine Störung den Schlaf nicht nur einer Person, sondern "allgemein" beeinflusst.
(H3) Aufwachreaktionen infolge "schlechter" Träume sind aus einem Hypnogramm nicht zu unterscheiden von anderen Aufwach-Ursachen.
(H4) Da in der NORAH-Studie (nur) die Anzahl Aufwachreaktionen das Maß für die Schlafqualität ist (obwohl in der NORAH-Studie untersucht werden sollte, welche Folgen nächtlicher Verkehrslärm für den Schlaf von [mehreren] Anliegern hat), wäre es sinnvoll, die Zahl
"24 Aufwachreaktionen" als Mittelwert für störungsfreien Schlaf zu betrachten und dazu die Streuung µ um diesen Mittelwert so anzugeben, daß gilt:

für 50 Prozent der Versuchspersonen beschreiben (24 ± µ ) Aufwachreaktionen
einen ungestörten 8-stündigen Schlaf.

(H5) Es gibt keine Möglichkeit, aus den Hypnogrammen abzulesen, ob - und wenn, wie - eine Störung den Schlaf beeinflusst.

2.1.4 Kommentar und Vorschlag einer Definition "Aufwachreaktion"


Eine "Aufwachreaktion in einem Hypnogramm eines 8-stündigen Schlafes" kann nun wie folgt definiert werden:
Wenn in einem Hypnogramm die folgenden drei Eigenschaften erfüllt sind:

1) Mindestdauer: 2 zusammenhängende "wach"-Phasen

(also Dauer der "wach"-Phase mindestens eine Minute)

2) insgesamt nicht mehr als 6 "wach"-Phasen pro Stunde

3) zeitlicher Abstand zwischen 2 Aufwachreaktionen: mindestens 5 Minuten

dann wird diese Situation als "Aufwachreaktion" bezeichnet.

(Dieser Vorschlag für eine Definition einer Aufwachreaktion ist ein Vorschlag, der jederzeit diskutiert und/oder verbessert werden sollte.)
[Bereits diese Definitionen sind zu diskutieren!] )

2.1.5 "Störung" des Schlafes infolge einer Vorbeifahrt


Grundsätzlich ist zu definieren, wie "Lärmwirkung" gemessen werden kann: Dazu sind zunächst folgende Definitionen zu formulieren:
a) Lärm ist ein Geräusch, bei dem ein Schallpegelmesser bei A-Bewertung f"ur mindestens 5 und höchstens 60 Sekunden einen Pegel von mehr als 30 dB(A) am Ohr der (schlafenden) Versuchsperson anzeigt.(?)
b) Wenn ein solcher Lärm auf das Ohr einer (schlafenden) Versuchsperson trifft, so kann nach einer Wirkung dieses Lärms (also der "Lärmwirkung") gefragt werden, (vielleicht kann mit Hilfe einer "Polysomnografie" die Anzahl lärmbedingter Aufwachreaktionen bestimmt werden. Diese Wirkung sollte jedoch mit der Empfindung der ausgeschlafenen Person korreliert werden und mathematisch eindeutig der Ursache "Lärm" zugeordnet werden können.
Dann sind für diese (sowie für jede weitere) "Störung" die folgenden Parameter
sowohl von der schlafenden Person (P0)
als auch von dem Lärm erzeugenden Fahrzeug ((P1) bis (P4) [oder (P5)])
zu erfassen, um die Änderung(en) der Schlafbedingungen berücksichtigen zu können:
(P0) Geschlecht (m/w) und Alter der schlafenden Person
(P1) Uhrzeit (denn die Schlaftiefe ändert sich mit der Zeit (siehe z.B. Bild 2.1.2)
(P2) Zeit t, während der der Vorbeifahrpegel höher ist als 50 d(A)
(P3) Maximalpegel während der Zeit t
(P4) Mittelungspegel während der Zeit t in Zeitschritten von 0,2 Sekunden
(P5) Frequenzverteilung während der Zeit t in Zeitschritten von 0,2 Sekunden

Wenn unter Berücksichtigung der Parameter (P1) bis (P4) bestimmt werden soll, wie (oder ob) sich die Schlafsituation infolge einer Störung ändert, so ist die "Anzahl Aufwachreaktionen", die aus dem Hypnogramm abgelesen werden kann, mathematisch ungeeignet (wegen der nicht bestimmbaren "Anzahl Aufwachreaktionen bei ungestörtem Schlaf" in Höhe von "24 ± µ", wobei µ eine individuelle und von der Schlafenszeit abhängige Zahl ist):
2.1.4.1 Es kann eine der Versuchspersonen eine der 24 persönlichen Aufwachreaktionen zusammenfallen mit einer Vorbeifahrt, während für eine andere Versuchsperson die gleiche Vorbeifahrt zu einer zusätzlichen Aufwachreaktion führt.
2.1.4.2 Zwei Vorbeifahrten unterscheiden sich meist in den unter (P1) bis (P4) genannten Parametern; daher ist es für eine schlafende Versuchsperson nicht ausreichend, nur die Anzahl der Vorbeifahrten als Kriterium für ein Aufwachen zu wählen.

Ferner enthät die NORAH-Studie keinen Hinweis darauf, welche Bedingungen die Parameter (P1) bis (P4) erfüllen müssen, damit Lärm von Flugzeugen als "Fluglärm" bezeichnet wird.
2.2 mathematisch: Schlaf

Die Cortisol-Kurven aus Bild 2.1.0
wurden von Vogelsang und Windel-
berg mathematisch-physikalisch zur
Beschreibung der (allgemeinen)
Aufwachwahrscheinlichkeit
von Menschen mit "mittlerer"
Schlafgewohnheit verallgemeinert.

Zusätzlich werden Schlafgewohn-
heiten zwischen "tief" und "leicht"
berücksichtigt, um die Aufwach-
wahrscheinlichkeit für 50% aller
schlafenenden (Versuchs-)
Personen
für die Stunden zwischen 22:00 und 06:00 Uhr
zu berücksichtigen.

mittlere Aufwachwahrscheinlichkeit

für verschiedene Schlafgewohnheiten


Bild 2.2.1

Mathematische "Schlafkurven"

beschreiben einen "ungestörten" Schlaf.


2.2.1 Störung des Schlafes
durch ein Lärmereignis


Für Schlaf bei einer "mittleren"
Schlafgewohnheit wird in Bild 2.2.2
exemplarisch angegeben, wie sich
die Aufwachwahrscheinlichkeit bei
einer Vorbeifahrt ändern kann: Die
Länge des blau eingezeichneten
"Anstiegs" der Aufwachwahrschein-
lichkeit wird berechnet aus den unter 2.1.4 genannten Parametern (P1) bis (P4).

Anstieg infolge einer Vorbeifahrt

Bild 2.2.2

Infolge einer Störung des Schlafes um 04:00 Uhr

steigt die Aufachwahrscheinlichkeit.

2.3 Wirkung von Vorbeifahrpegeln: Aufwachreaktionen

2.3.1 Beispiel nächtlichen Zugverkehrs

Bild 2.3.1

Zug- oder Flug-Vorbeifahrten

Nacht von Montag zu Dienstag

_

Wirkung der Vorbeifahrten aus 2.3.1

Bild 2.3.2

Aufwachreaktionen zu Bild 2.3.1

bei "mittlerem" Schlaf


Wirkung der Vorbeifahrten aus 2.3.1


Bild 2.3.3

Aufwachreaktionen zu Bild 2.3.1

bei "tiefem" Schlaf


Wirkung der Vorbeifahrten aus 2.3.1


Bild 2.3.4

Aufwachreaktionen zu Bild 2.3.1

bei "leichtem" Schlaf


Bild 2.3.1 zeigt die Vorbeifahrten einer Nacht, in der 45 Züge zwischen 22 und 06 Uhr fuhren.
Der Nacht-Mittelungspegel betrug 69,4 B(A).
Charakterisieren diese beiden Parameter bereits die Schlafqualität?

Die Bilder 2.3.2, 2.3.3 und 2.3.4 zeigen, dass die Schlafqualität bzw. die Aufwachwahrscheinlichkeit auch noch davon abhängt, ob der Schläfer einen "mittleren", "leichten" oder "tiefen" Schlaf hat.
Es ist nicht möglich zu beschreiben, welche Parameter für eine Änderung der Aufwachwahrscheinlichkeit verantwortlich sind!

Die durch Bild 2.3.1 beschriebenen nächtlichen (Zug-)Vorbeifahrten können auf den Schlaf verschiedener Menschen verschieden wirken: störend, lästig oder aufweckend.

2.4 Wirkung von Fluglärm am Besipiel der NORAH-Studie


Unter (2.1.2) wurde beschrieben, wie bei der NORAH-Studie der 8-stündige Schlaf verschiedener Versuchspersonen medizinisch gemessen und ausgewertet wird:
Von jeder Versuchsperson wird von jeder Nacht jeweils eine Hypnogramm (aus den 960 einzelnen Polysomnografie-Messkurven) bestimmt. Diese Hypnogramme der verschiedenen nächtlichen Störungen und der verschiedenen Versuchspersonen werden dann medizinisch interpretiert.

Auch in der NORAH-tudie entstand die Frage, ob ein Anlieger "ruhiger" schlafen könnte, wenn diese Vorbeifahrten nicht während jeder Nachtstunde, sondern nur zu bestimmten Nachtzeiten stattfinden würden.

Wir betrachten dazu zwei Szenarien A und B:
(A) pro Stunde von 22:00 bis 06:00 Uhr jeweils 2 Vorbeifahrten
oder
(B) 8 Vorbeifahrten zwischen 22:00 und 23:00 Uhr sowie 8 Vorbeifahrten zwischen 05:00 und 06:00 Uhr.

Wie lässt sich messen, ob ein Anlieger in einer Situation (A) intensiver gestört wird als in einer Situation (B)?

Zum Beispiel sind folgende Varianten denk- und modellierbar:
Die NORAH-Studie gibt keine Antwort auf Fragen wie z.B. diese:
wie hoch ist der Anteil der Probanden, die durch einen Vorbeifahrpegel (Uhrzeit, Mittelungspegel, Maximalpegel, Dauer) aufgeweckt wurden?


Die Bestimmung der jeweiligen allgemeinen (nächtlichen) Lärmbelastung (zwischen einem "tiefen" und einem "leichten" Schlaf) infolge einer Vorbeifahrt (wie in Bild 2.2.3) erfordert eine (mathematische) Funktion, die von den Parametern (P1) bis (P4) (aus 2.1.4) abhängt und vom Autor mehrfach publiziert wurde. - Leider sind die Ergebnisse der medizinischen Schlafforschung nur in Form von individuellen Hypnogrammen zugänglich, aus denen sich weder ein "ungestörter" (mit (24 "ungestörten ± µ) Aufwachreaktionen") noch ein "gestörter" Schlaf erkennen lässt.

Die beiden folgenden Bilder 2.4.1 und 2.4.2 zeigen, dass an zwei verschiedenen Wochentagen (einer Woche) auch verschiedene Störungen auftreten (können):
Die Wirkung auf einen Anlieger mit einer mittlere Schlafgewohnheit zeigt sich dann in den Bildern 2.4.3 und 2.4.4.

Bild 2.4.1

Nacht von Mittwoch auf Donnerstag

Bild 2.4.2

Nacht von Samstag auf Sonntag

Bild 2.4.3

Aufwachreaktionen von Mi auf Do

Bild 2.4.4

Aufwachreaktionen von Sa auf So

Weder über den Einfluss der Parameter
"Verteilung der Vorbeifahrten w"ahrend der Nacht"
noch auf die
"unterschiedliche Aufwachwahrscheinlichkeit an den 7 Tagen einer Woche"
gibt es zur Zeit keine Absprache unter den Forschern!

Auch für die unterschiedliche Wirkung auf die verschiedenen Schlafgewohnheiten gibt es zur Zeit keine Abstimmung oder Formel.

Daher wird hier der mathematische Weg bevorzugt.


Die mathematische Auswertung der Pegelmessungen von Zugvorbeifahrten in Hamminkeln während der 7 Tage einer Woche jeweils in den Jahren 2011 und 2012 ergab bisher:
Die nächtliche Lärmbelastung ist nicht nur während der einzelnen Nachtstunden,
sondern auch an den 7 Wochentag sehr unterschiedlich.

Daher genügt es nicht,

einen Nacht-Lärm-Mittelungspegel einer 8-stündigen Nacht zu berechnen:


In jedem Jahr J müssen die folgenden Messungen (M1) bis (M4) durchgeführt
und ausgewertet werden:

(M1) Es wird eine "mittlere Woche" W(J) des Jahres J ausgewählt
         (z.B. jeweils 14 Tage nach Ostern)

(M2) während jeder der 7 Nächte N1 (Mo/Di) bis N7 (So/Mo)
         der nach (M1) ausgewählten Woche W(J)
         werden sämtliche (Güterzug-)Vorbeifahrten registriert:

         Zu jeder (Güterzug-)Vorbeifahrt werden
         Uhrzeit, Dauer der Vorbeifahrt, Maximal- und Mittelungspegel
         dokumentiert [wie z.B. in Bild 2.2.3].
         Für mittleren, für leichten und für tiefen Schlaf
         lassen sich dann jeweils "Aufwachkurven" berechnen
         (wie z.B. die Bilder Bild 2.2.4, Bild 2.2.5 und Bild 2.2.6

(M3) für eine "mittlere Schlafgewohnheit" wird für jede der 7 Nächte der Woche W(J)
         die Anzahl der Aufwachreaktionen berechnet.

         Die Formel zur Berechnung der Aufwachwahrscheinlichkeit für verschiedene Schlafgewohnheiten wurde mehrfach auf Tagungen der DAGA
vorgetragen und publiziert. Wie in den Bildern 2.2.3 und 2.2.4 für die Nacht von Montag auf Dienstag:
         von 22 bis 06 Uhr gab es 45 Vorbeifahrten und 7 Aufwachreaktionen
         und von 01 bis 05 Uhr gab es 21 Vorbeifahrten und 4 Aufwachreaktionen)

(M4) Unter den nach (M3) für jede der 7 Nächte der Woche W(J) bestimmten Aufwachreaktionen
         wird die         

mittlere Anzahl Aufwachreaktionen A(mit,W,J) während der 7 Nächte der Woche W(J)

         sowie die         

maximale Anzahl Aufwachreaktionen A(max,W,J) während der Woche W(J)

         bestimmt.

Die beiden Zahlen A(mit,W,J) und A(max,W,J) werden als

"charakteristische Parameter zum nächtlichen Schienenverkehrslärm für das Jahr J"

bezeichnet.

3. Nächtlicher Schienen-(Güter-)verkehrslärm 2011 und 2012

2011: Nacht von Montag auf Dienstag

Bild 3.1.1

2012: Nacht von Montag auf Dienstag

Bild 3.1.2

2011: Nacht von Dienstag auf Mittwoch

Bild 3.1.3

2012: Nacht von Dienstag auf Mittwoch

Bild 3.1.4

2011: Nacht von Mittwoch auf Donnerstag

Bild 3.1.5

2012: Nacht von Mittwoch auf Donnerstag

Bild 3.1.6

2011: Nacht von Donnerstag auf Freitag

Bild 3.1.7

2012: Nacht von Donnerstag auf Freitag

Bild 3.1.8

2011: Nacht von Freitag auf Samstag

Bild 3.1.9

2012: Nacht von Freitag auf Samstag

Bild 3.1.10

2011: Nacht von Samstag auf Sonntag

Bild 3.1.11

2012: Nacht von Samstag auf Sonntag

Bild 3.1.12

2011: Nacht von Sonntag auf Montag

Bild 3.1.13

2012: Nacht von Sonntag auf Montag

Bild 3.1.14

4. Wirkung des nächtlichen Schienen-Güterverkehrslärms 2011 und 2012


4.1 Vergleich der Aufweckreaktionen

2011: Nacht von Montag auf Dienstag

Bild 4.1.1

2012: Nacht von Montag auf Dienstag

Bild 4.1.2

2011: Nacht von Dienstag auf Mittwoch

Bild 4.1.3

2012: Nacht von Dienstag auf Mittwoch

Bild 4.1.4

2011: Nacht von Mittwoch auf Donnerstag

Bild 4.1.5

2012: Nacht von Mittwoch auf Donnerstag

Bild 4.1.6

2011: Nacht von Donnerstag auf Freitag

Bild 4.1.7

2012: Nacht von Donnerstag auf Freitag

Bild 4.1.8

2011: Nacht von Freitag auf Samstag

Bild 4.1.9

2012: Nacht von Freitag auf Samstag

Bild 4.1.10

2011: Nacht von Samstag auf Sonntag

Bild 4.1.11

2012: Nacht von Samstag auf Sonntag

Bild 4.1.12

2011: Nacht von Sonntag auf Montag

Bild 4.1.13

2012: Nacht von Sonntag auf Montag

Bild 4.1.14

4.2 Vorbeifahrpegel und Wirkung bei mittlerem Schlaf 2015

Ursache 2015: Nacht von Montag auf Dienstag

Bild 4.2.1

Wirkung 2015: Nacht von Montag auf Dienstag

Bild 4.2.2

Ursache 2015: Nacht von Dienstag auf Mittwoch

Bild 4.2.3

Wirkung 2015: Nacht von Dienstag auf Mittwoch

Bild 4.2.4

Ursache 2015: Nacht von Mittwoch auf Donnerstag

Bild 4.2.5

Wirkung 2015: Nacht von Mittwoch auf Donnerstag

Bild 4.2.6

Ursache 2015: Nacht von Donnerstag auf Freitag

Bild 4.2.7

Wirkung 2015: Nacht von Donnerstag auf Freitag

Bild 4.2.8

Ursache 2015: Nacht von Freitag auf Sonnabend

Bild 4.2.9

Wirkung 2015: Nacht von Freitag auf Sonnabend

Bild 4.2.10

Ursache 2015: Nacht von Sonnabend auf Sonntag

Bild 4.2.11

Wirkung 2015: Nacht von Sonnabend auf Sonntag

Bild 4.2.12

Ursache 2015: Nacht von Sonntag auf Montag

Bild 4.2.13

Wirkung 2015: Nacht von Sonntag auf Montag

Bild 4.2.14

4.3 Zwischen-Ergebnis der Auswertung der Hamminkeln-Messungen

Zu jeder der oben beschriebenen 7 Nächte im Jahr 2011, im Jahr 2012 und im Jahr 2015 wurde
die Anzahl Aufwachreaktionen für die mittlere Schlafgewohnheit mit folgendem Ergebnis berechnet:


die maximale Anzahl Aufwachreaktionen trat jeweils in der Nacht von Donnerstag auf Freitag während der Zeit von 22 bis 06 Uhr auf:

maximale Anzahl Aufwachreaktionen 2011: 14

maximale Anzahl Aufwachreaktionen 2012: 12

maximale Anzahl Aufwachreaktionen 2015: 15


Während einer Woche betrug die mittlere Anzahl Aufwachreaktionen

im Jahr 2011: 7

im Jahr 2012: 10

im Jahr 2015: 7

4.4 Frequenzverteilung der Vorbeifahrpegel von Schienen- und Straßen-Fahrzeugen

Bezüglich der Frequenzverteilung gibt es keinen wesentlichen Unterschied
zwischen Schienen- und Straßenverkehrsgeräuschen.
Siehe dazu:
D. Windelberg: Frequenzen von Straßen- und Schienenverkehrsgeräuschen (frequenz_vert_ges.pdf)

4.5 Gleiszustand bei Schienenverkehr

Der Mittelungspegel ändert sich bei Vorbeifahrten unterschiedlicher Güterzüge (und Güterwagen) an einem fest gewählten Ort in Abhängigkeit von dem Zustand der Räder und von den Aufbauten um bis zu 15 dB(A); auch dann, wenn sich der Gleiszustand nicht ändert.
Zusätzlich ändert sich der Mittelungspegel an einem festen Ort in Abhängigkeit von dem Gleiszustand, der sich zwischen zwei Schleifterminen bei Güterzugverkehr (nach Angaben der Bahn) um bis zu 10 dB(A) (bezüglich des Vorbeifahrpegels) ändern kann.

4.6 Beschreibung von Verkehrslärm und seiner Wirkung

Schienen-, Flug- oder Straßenverkehr kann sinnvoll nur zeit- und ortsabhängig beschrieben werden (damit ist er aber nicht mehr "typisch"?). Als Zeit wird meist ein Tag (von 06:00 bis 22:00 Uhr) oder eine Nacht (von 22:00 bis 06:00 Uhr) gewählt. Nächtlicher Verkehrslärm führt zu anderen Problemen als Verkehrslärm am Tag, und
damit sind nachts andere Lärm-Kriterien anzuwenden als am Tag

Es werden in dem hier beschriebenen Projekt unterschiedliche Beschreibungen des Schlafes betrachtet:
- Schlaf in 6 "Schlafstadien" in Abhängigkeit vom Zeitpunkt des Einschlafens und
- Schlaf in Abhängigkeit von Aufwachwahrscheinlichkeit, die durch "Schlafkurven" für leichten, mittleren und tiefen Schlaf in Abhängigkeit von der Uhrzeit (22 bis 06 Uhr) beschrieben wird, um mögliche Korrelationen mit Zugvorbeifahrzeiten berücksichtigen zu können.

Der Schlaf wird durch nächtliche Güterzugvorbeifahrten gestört.
Jede dieser Vorbeifahrten wird durch
- die Uhrzeit der Vorbeifahrt,
- ihren mittleren Vorbeifahrpegel,
- die Vorbeifahrzeit (in Sekunden)
beschrieben.

Es wird eine Funktion angegeben, die den Anstieg der Aufwachwahrscheinlichkeit infolge dieser Vorbeifahrt (mit diesen drei Parametern) beschreibt.


Windelberg, D. und Vogelsang,B.: Mathematische Aspekte der gesundheitlichen Beeinträchtigung
durch transiente Geräuschereignisse auf der Grundlage von zeitlich veränderlichen Cortisol-Konzentrationen. DAGA '06 Braunschweig. (wi60204.pdf)


LEPORELLO: 7 Nächte einer Woche: Ursache und Wirkung nächtlichen Schienenverkehrslärms. (Zusammenstellung mit Vorder- und Rückseite) (monitor8.pdf)


Windelberg, D.: Schienenverkehrslärm> 7 Nächte einer Woche. Vergleich der Messungen aus 2011 mit den Messungen aus 2012. Auswertung bezüglich der Wirkung der Vorbeifahrten auf die Aufwachwahrscheinlichkeit von Anwohnern. (monitor6.pdf)


Windelberg, D.: Prognose bei geänderter Zahl nächtlicher Zugvorbeifahrten am Beispiel Bad Gastein. (bg_gut_g.pdf)


Güterzug-Schallemissionen. Messung und gesetzliche Bewertung.
Immissionsschutz 13 (2008), 193-196 (wi51208.pdf)


Der Mittelungspegel ändert sich bei Vorbeifahrten unterschiedlicher Güterzüge (und Güterwagen) an einem fest gewählten Ort in Abhängigkeit von dem Zustand der Räder und von den Aufbauten um bis zu 15 dB(A);
auch dann, wenn sich der Gleiszustand nicht ändert.

Zusätzlich ändert sich der Mittelungspegel an einem festen Ort in Abhängigkeit von dem Gleiszustand, der sich zwischen zwei Schleifterminen bei Güterzugverkehr (nach Angaben der Bahn) um bis zu 10 dB(A) (bezüglich des Vorbeifahrpegels) ändern kann.

5. Lärm-Messung und -Berechnung

Verschiedene Züge sind nicht immer gleich laut. Aber es gibt ein Regelwerk, die SCHALL 03 der Bahn, nach dem sich der Vorbeifahrpegel in 25 m Entfernung und in 3.5 m Höhe über dem Gleis berechnen ßt (dieser Pegel heißt dann "Emissionspegel"). Für die Berechnung ist die Kenntnis folgender Parameter erforderlich: 
a) Lokomotivtyp und  Geschwindigkeit des Zuges sowie
b) Bremssystem, Aufbau, Länge jedes einzelnen Wagens und
c) Schienenzustand, gegebenenfalls Kurvenradius

Es wird angenommen, dass dieser berechnete Wert mit einem am gleichen Ort gemessenen Vorbeifahrpegel übereinstimmt. Ein Vergleich zwischen Rechnung und Messung wurde nur für den "Schallmesswagen" der Bahn, einem umgebauten IC-Wagen, durchgeführt, der während seiner Fahrt seinen eigenen Emissionspegel misst:  

- beträgt der Emissionspegel dieser (unter Berücksichtigung der Geschwindigkeit) 51 dB(A), so wird der Schienenzustand als "durchschnittlich guter Schienenzustand" bezeichnet und der Grundwert erhält den Pegel 51 dB(A)
- beträgt der Emissionspegel dieser (unter Berücksichtigung der Geschwindigkeit) 48 dB(A), so wird der Schienenzustand als "besonders überwachtes Gleis" bezeichnet und der Grundwert erhält den Pegel 48 dB(A).


Da sich der Schienenzustand jedoch infolge Verriffelung je nach Nutzung der Gleise ständig ändert (und meist verschlechtert), ändert sich auch der Grundwert und damit die Höhe des (errechneten) Vorbeifahrpegels jedes vorbeifahrenden Zuges. Um diese Unterschiede nicht erklären zu müssen, wird Lärm nur berechnet und (möglichst) nicht gemessen.
An der (vom TÜV Essen eingerichtete von der AG Qulität mathematisch betreuten) Messstelle Hamminkeln (an der BETUWE-Linie auf dem Schienenweg von Rotterdam nach Genua) werden Messungen der Emissionspegel sämtlicher vorbeifahrender Züge erfasst. Aus den dort ermittelten Daten werden von der AG Qualität die jeweiligen Grundwerte berechnet und graphisch interpretiert - dieses Verfahren wurde auf der DAGA 2012 vorgestellt.
(Siehe Messstelle Hamminkeln (monitor5.pdf) ).

Somit ergeben sich die folgenden Ergebnisse:
a) Bestimmung der Lärmbelastung (Anzahl der Aufwachreaktionen) für eine mittlere Schlafgewohnheit
während jeder der 7 Nächte einer Woche. Es soll untersucht werden, ob sich die Anzahl Aufwachreaktionen von Jahr zu Jahr reduziert - im 2-Jahres-Vergleich (siehe 7 Nächte (monitor6.pdf) ).
b) Bestimmung der Wirkung der Umrüstung der Güterwagen: 2-Monats-Dokumentation seit November 2010
(siehe Güterzug-Vorbeifahrpegel seit 2010 (monitor7.pdf) sowie - als Zusammenfassung - 2-Monats-Dokumentation (monitor5_13_11.pdf) )


6. Gleispflege

Es wird angenommen, dass an Personenzugstrecken die Lärmbelastung gemindert werden kann, wenn die Schienen hinreichend oft "akustisch" geschliffen werden. (Bei Güterzügen, bei denen die Räder (aus welchen Gründen auch immer) verriffelt sind, wirkt sich akustisches Schleifen auf den Vorbeifahrpegel (fast) nicht aus.)

Wird ein Gleis nur selten geschliffen, so gibt es Stellen, an denen der Mittelungspegel infolge der Verriffelung um 20 dB(A) höher ist als bei der Berechnung der Lärmbelastung geplant. Wenn die zur Lärmbelastung vorausberechneten Werte mit der Realität (ungefähr) übereinstimmen sollen, so darf der Grundwert bei einem "durchschnittlich guten Schienenzustand" 51 dB(A) nicht überschreiten; bei einem 'BüG' muss der Grundwert unterhalb von 48 dB(A) liegen.

Zur Zeit kann dieser Grundwert nur durch einen "Schallmesszug" der Bahn bestimmt werden; es gibt genau einen solchen Zug für ganz Deutschland. Dieser Zug misst während der Vorbeifahrt mit einem Mikrophon zwischen zwei Rädern den eigenen Schallpegel. Aus diesem Schallpegel wird dann der Grundwert des Schienenzustandes berechnet.

Es wurde in einem Forschungsprojekt der AG Qualität eine "ideale Verriffelungskurve" modelliert und für diese angegeben, wie ein Eingriffs-Zeitpunkt bestimmt werden kann ("Eingriffswert"), d.h. zu dem der Schleifzug bestellt werden muss. (Dieser Eingriffswert ist nicht von der Zeit, sondern von der Belastung abhängig: bereits ein einzelner Zug kann ein Gleis sehr stark verriffeln.) Dieses Forschungsprojekt ist inzwischen abgeschlossen; ein Ergebnisbericht (gleis.pdf) liegt vor.

Zur Zeit ist nur für ein BüG vorgeschrieben, dass dieses alle 6 Monate durch den Schallmesszug befahren wird und dabei der Grundwert bestimmt wird. Das Eisenbahnbundesamt (EBA) erhält die Mess-Ergebnisse des Schallmesszuges. Ein Anlieger an einem BüG kann daher beim EBA nachfragen, ob an seinem Grundstück der Grundwert noch unterhalb der Grenze von 48 dB(A) liegt (Leider erhält er im allgemeinen keine Antwort!).

Für ein normales Gleis wird der Schienenzustand nicht bestimmt, da die Bahn zu einer Fahrt des Schallmesszuges auf einem normalen Gleis nicht verpflichtet ist - und damit dafür auch nicht bezahlt wird. Ein Anlieger an einem normalen Gleis weiß also nicht, ob - und gegebenenfalls wann - der Grundwert an seinem Grundstück unterhalb der Grenze von 51 dB(A) liegt oder lag. Es kann daher sein, dass dieser Grundwert von 51 dB(A) z.B. um 20 dB(A) überschritten ist - und damit auch jeder Vorbeifahrpegel etwa um 20 dB(A) höher ist als der bei der Berechnung der Lärmbelastung angenommene Vorbeifahrpegel. Es gibt Bestrebungen, wenigstens für Wohngebiete einen "Eingriffswert" festzulegen, damit insbesondere bei nächtlichem Güterverkehr die Vorbeifahrpegel unterhalb vorgegebener Grenzen liegen - aber die Bahn unterstützt diese Bestrebungen nicht.
Für einen Anwohner an einer Schienenstrecke ist es wichtig, die Einhaltung des maximalen Grundwertes zu kontrollieren. Dazu wäre es wünschenswert, wenn zu jeder Zeit für jeden Grundstücksabschnitt die jeweilige Verriffelung der Gleise abfragbar wäre - wie z.B. die Ozonwerte der Luft. Sinnvoll wäre eine kontinuierliche (neutrale) Messstelle, an der die jeweilige Lärmbelastung infolge einer Zugvorbeifahrt dokumentiert wird.

Windelberg, D.: Lärmbelästigung durch ungepflegte Gleise Immissionsschutz 4 (2000), 134 - 140 (buegschl.pdf)

Windelberg, D.: Theorie der Gleispflege. Immissionsschutz 7 (2002), 4-8 (buegtheo.pdf)

Kahlen, K. und Windelberg, D.: Schienenzustand und Vorbeifahrpegel.
Immissionsschutz 8 (2003) (scha04.pdf)


7. Statistische Auswertung

7.1 Studien, in denen Punktwolken (z.B. auf der x-Achse: Pegel und auf der y-Achse Lästigkeiten) durch Kurven beschrieben werden (anstelle von Flächen), verwenden häufig (Regressions-)Geraden oder logistische Kurven.
Dass dadurch keine zufriedenstellenden Lösungen gefunden werden können, zeigen die beiden Beispiele in
Arcustangens anstelle Regressionsgeraden (wi_13atn..pdf) 
Mathematisch gibt es sehr viele Möglichkeiten, diese Punktwolken zu beschreiben. Und es gibt auch Möglichkeiten, diese miteinander zu vergleichen, so werden zum Beispiel in dem Aufsatz  
Mathematische Dosis-Wirkungs-Beschreibung bei Verkehrslärm (daga12_45v.pdf)
Straßenverkehrslärm und Schienenverkehrslärm miteinander verglichen. Ein Vergleich erfordert jedoch die Berücksichtigung vieler Voraussetzungen - wie im folgenden Aufsatz
Simpsons Paradoxon und Lärmstudien (gr_komm_3.pdf)

dargestellt wird.


7.2 Studien, die immer wieder zeigen sollen, dass Lärm krank macht, werden seit vielen Jahren in Auftrag gegeben und immer wieder bearbeitet - es gibt selten Studien, die das Gegenteil zeigen. Daher wird hier einfache Statistik verwendet, um zu zeigen, wie nahe Bestätigung und Widerspruch liegen.
Einfluss "vergessener" Parameter auf die Bewertung von Verkehrslärm.
Mathematische Betrachtungen zu medizinischer Statistik. 2011 (gr1102.pdf)


7.3 Es soll z.B. festgelegt werden, wie hoch der "Schallpegel PK  von Kesselwagen" ist.
Dazu wird angenommen:

Werden die Vorbeifahrpegel von vielen "Kesselwagen" (bei 100 km/h Geschwindigkeit bei einem vorgegebenen Schienenzustand) gemessen, so sind diese Vorbeifahrpegel normalverteilt, d.h. es gibt einen "mittleren Vorbeifahrpegel PK  von Kesselwagen", und es gibt eine "Standardabweichung" sigma, wobei (bei arithmetischer Rechnung) gilt:

- 68% aller Vorbeifahrpegel von Kesselwagen liegen in einem Intervall [PK - sigma, PK + sigma]
- 95% aller Vorbeifahrpegel von Kesselwagen liegen in einem Intervall [PK - 1.96*sigma, PK + 1.96*sigma]
- 99% aller Vorbeifahrpegel von Kesselwagen liegen in einem Intervall [PK - 2.58*sigma, PK + 2.58*sigma]

Dementsprechend werden viele Vorbeifahrpegel von Kesselwagen gemessen.
Natürlich kann es sein, dass z.B. leere Kesselwagen einen anderen mittleren Schallpegel PK haben als gefüllte Kesselwagen - dann würde die "Verteilung der Vorbeifahrpegel aller Kesselwagen" nicht "normal" sein - und damit kann weder ein Mittelwert noch eine Standardabweichung definiert werden.
Wenn jedoch geprüft ist, dass alle Kesselwagen bei gleicher Geschwindigkeit (und gleichem Schienenzustand) den gleichen Schallpegel verursachen, dann kann PK  und sigma berechnet werden, und es kann festgelegt werden, welcher der vielen Vorbeifahrpegel als "normal" gelten soll:

a) wenn Kosten für Lärmschutz gespart werden soll, so wird PK  als "mittlerer Vorbeifahrpegel aller Kesselwagen" festgelegt.

b) wenn die lauten Züge zu Aufweckreaktionen bei nächtlichem Güterverkehr führen, charakterisiert der mittlere Vorbeifahrpegel aller Kesselwagen PK  diese Lärmsituation nicht: es ist notwendig, die konkrete Situation genau zu erfassen.

Regression zur Bewertung von Schallpegeln (REGRES.pdf)

Nicht nur der Lärm von vorbeifahrenden Kesselwagen variiert sehr stark, sondern grundsätzlich unterscheiden sich die Vorbeifahrpegel aller Güterwagen durch ihren Vorbeifahrpegel und durch die Frequenzverteilung. Siehe dazu den Vortrag
Vortrag auf der Tagung der DAGA 2009 in Rotterdam (NAGDAGA09.pdf)

oder die Publikation

Güterzug Schall-Emission (uba_08.pdf)

8. Summation von Lärm


8.1 Die Grenzwerte zur Vermeidung von Gesundheitsgefährdung und -schädigung beziehen sich auf die gesamte Lärmbelastung, z.B. in einer Wohnung in einem Wohngebiet. Mathematisch gibt es verschiedene Möglichkeiten, mehrere Einzelgeräusche sowohl bezüglich ihrer Pegel als auch ihrer Frequenzverteilung zu einem Gesamtgeräusch zusammenzufassen; jedoch ist eine Rekonstruktion der Aufteilung eines Gesamtgeräusches in verschiedene Einzelgeräusche nicht möglich. Der Versuch, bei mehreren Wohnhäusern einen "hot spot", d.h. ein Schlafzimmer als "am höchsten lärmbelastet", zu erklären, ist daher von sehr vielen (willkürlichen) Vorentscheidungen abhängig und erfordert die Berücksichtigung individueller Ansprüche.
Aufweckreaktionen und Verkehrslärm (wi3722_6.pdf)

8.2 In der "Vorläufigen Berechnungsmethode für den Umgebungslärm an Schienenwegen (VBUSch)" wurde bereits im Hinblick auf eine europaweite Vereinheitlichung ein (in der Schall 03 (1990) (schall03 1990) enthaltener) Schienenbonus nicht verwendet. Ab 2015 wurde der Schienenbonus abgeschafft.

In der VBUSch wurde eine Zahl LDEN, der "Tag-Abend-Nacht-Lärmindex", verwendet. Diese Zahl soll die Belästigung durch Schienenverkehrsgeräusche beschreiben.
LDEN ist der Mittelwert über die Schienenverkehrsgeräusche während jedes 24-stündigen Tages innerhalb eines Jahres, wobei die Abend- und Nachtstunden jeweils besonders gewichtet werden.
Das Ziel, Orte mit "gleicher" Lärmbelastung durch die gleiche Zahl LDEN zu beschreiben, lässt sich jedoch nicht erreichen.
Dazu:

24h-Mittelungspegel LDEN und nächtlicher Schienen-Güterverkehr. 2011

8.3 Eine Neufassung der Schall 03 (1990) wurde lange geplant und liegt nun (2014) vor. Sie soll eine Anpassung an die verschiedenen europäischen Schallberechnungen von Schienenfahrzeugen und -wegen darstellen. Da nicht Messungen, sondern nur Berechnungen des Lärms vorbeifahrender Schienenfahrzeuge vom Gesetzgeber akzeptiert werden, sollte daher das Berechnungsverfahren so einfach wie möglich sein - die Neufassung erfordert jedoch frequenzabhängige Pegel, während in der Schall 03 (1990) die wesentlich einfacher zu messenden (und auszuwertenden) A-bewerteten Pegel verwendet werden. Dennoch sind die nach Schall 03 (1990) und die nach Schall 03 (2014) berechneten Vorbeifahrpegel fast gleich. Siehe dazu ein_beispiel.


8.4 Beim Flugverkehr gibt es Flughäfen, an denen ein Nachtflugverbot herrscht. In Frankfurt gibt es folgenden Planfeststellungsbeschluss: Im Jahres-Mittel dürfen zwischen 23 und 05 Uhr dürfen 17 Flugzeuge verkehren, in der Zeit zwischen 22 und 23 Uhr sowie zwischen 05 und 06 Uhr jedoch 133 Flugzeuge.Beim Straßenverkehr reduziert sich die Anzahl der tagsüber pro Stunde verkehrenden Fahrzeuge nachts an vielen Stellen auf 1/5. Beim Schienen-Güterverkehr bleibt die mittlere Belastung pro Stunde bei Tag und Nacht meist gleich. - Es gibt aber auch Städte wie Hannover, bei denen wird eine allgemeine Erlaubnis für Nachtflüge erteilt, weil der angebliche wirtschaftliche Vorteil ein höheres Gut ist als die Lärmbelastung der Bürger.

8.5 Tagsüber leben nur wenige Menschen in ihren Wohnungen - nachts hingegen sehr viele. Es gibt am Abend eine "lärmsensible" Zeit von 18 bis 22 Uhr, an der Verkehrsgeräusche als unangenehmer empfunden werden als zwischen 06 und 18 Uhr.

8.6 eine Mittelung über "den" Flugverkehrslärm aller Flughäfen in Deutschland beschreibt die wirkliche Lärmsituation falsch, denn es gibt Flughäfen mit Nachtflugverbot und Flughäfen ohne Nachtflugverbot. - Entsprechendes gilt für Straßen- und für Schienenverkehrslärm.

8.7 Der 2.Entwurf für die VDI-Richtlinie 3722-2 zur Summation von Verkehrsgeräuschen von Straßenfahr-, Schienenfahr- und Flugzeugen enthält viele Argumente, die den hier beschriebenen einfachen mathematischen Anforderungen nicht genügen (siehe unten). Daher wird hier ein vereinfachtes VDI-3722-2-Verfahren (wi3722_62.pdf) angegeben, das es zulässt, für zwei Untersuchungsgebiete die Tages-Lästigkeit und die Nacht-Aufweckwahrscheinlichkeit bezüglich dieser drei Geräuschquellen miteinander zu vergleichen. Damit ist es möglich, dasjenige Gebiet zu bestimmen, das als "HotSpot" bevorzugt lärmsaniert werden sollte.
In dem 2. Entwurf für die VDI-Richtlinie 3722-2 werden

- zur Beschreibung der Lästigkeit am Tag Parabeln (erst bei Straßenverkehrslärm mit einem Jahresmittelungspegel von 98 dB werden 100% der Anwohner "sehr belästigt") und

- zur Beschreibung der Aufweckwahrscheinlichkeit bei Nacht Geraden (erst bei 175 dB werden alle Schlafenden geweckt, bei 200 dB sogar 118% aller Schlafenden!)

verwendet, anstelle mathematischer Funktionen, die einerseits die Lästigkeit am Tag und andererseits die Aufweckwahrscheinlichkeit während der Nacht besser beschreiben.

9. Ausblick


Das UBA sollte die NORAH-Studie zum Anlass nehmen, um die Wirkung nächtlichen Verkehrslärms durch

die Anzahl Aufwachreaktionen während der Nächte an den 7 Wochentagen

zu beschreiben - (und nicht durch den zur Zeit gesetzlich vorgesehenen Nacht-Mittelungspegel).


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Hannover, 19.10.2018