Biologische Wirkung geringpegeliger tieffrequenter Schalle aus technischen Quellen

Technische Anlagen, die bedingt durch ihr Konstruktionsprinzip, regelmäßig oder andauernd Schalle mit tieffrequenten Anteilen abgeben, können bei Anwohnern nicht selten ein spezifisches Cluster an gesundheitlichen Störungen hervorrufen, auch wenn die von der Anlage ausgehenden Emissionen nach A-bewerteten Pegeln prospektiv keine Probleme erwarten ließen und auch die für die Situation anzuwendenden Grenzwerte eingehalten wurden.

Da die Symptome aber offenbar nicht nur von Schallwellen, sondern auch von vibratorischer Anregung (Körperschall) gleicher Frequenz hervorgerufen wurden, bzw. die Belastungen häufig sowohl eine luftgetragene (z.B. Sekundärschall) als auch eine vibratorische Komponente aufweisen, wurde im Ausland der Begriff der „vibroakustischen Erkrankung“ (vibroakustisch = vibratorische und akustische Elemente beinhaltend) für die mit längerer Belastung fortschreitende Erkrankung geprägt (Englisch: vibro-acoustic disease = VAD). VAD ist definiert durch ein spezifisches Cluster zentraler neurologischer Effekte und histologischer Veränderungen in verschiedenen inneren Organen.

In der internationalen Literatur zur Arbeits- und Umweltmedizin bleibt der Begriff nach wie vor gebräuchlich, hat aber in Deutschland erst in jüngerer Zeit im Zusammenhang mit umweltmedizinischen Fragestellungen Eingang in den Sprachgebrauch gefunden. VAD wird nach Schweregrad in 3 klinische Phasen unterschieden (I-III), wobei bei Quellen im Wohnumfeld selten Schweregrad II überschritten wird. Quantitative Aussagen sind hierzu noch schwierig, da breit angelegte epidemiologische Untersuchungen in der allgemeinen Bevölkerung noch ausstehen.

Bezüglich einer Wahrnehmung tiefer Frequenzen ist bekannt, dass tiefe Frequenzen, wie sie z.B. von den Ventilatoren einer Wärmepumpe erreicht werden können (16-24Hz) auch bei moderaten Schalldrücken als Vibration von Gegenständen wahrgenommen werden kann, obwohl die Objekte in Ruhe sind. Gleichzeitig ist hervorzuheben, dass eine Belastung mit Vibration die Detektierbarkeit tiefer Töne moderiert (beeinflusst) und umgekehrt eine Exposition mit tieffrequentem Luftschall die taktile Wahrnehmbarkeit von Vibrationen beeinflusst (arbeitsmedizinische Literatur Japan, 1980er). In der Praxis lässt sich beobachten, dass tieffrequenter luftübertragener Schall meist auch mit Körperschall gleicher Frequenz anzutreffen ist – genauso wie Vibrationen oft zur Abstrahlung von Sekundärschall führt. Damit verlieren aus wissenschaftlicher Sicht die den heutigen Regelungen zugrundeliegenden Daten zu einer Hör- oder Wahrnehmbarkeit tieffrequenter Schalle in Realsituationen häufig ihre Anwendbarkeit.

Vorschläge zur Schaffung einer Norm, die heutige Wissensstände besser berücksichtigt und tieffrequenten Schall gemeinsam mit vibratorischer Belastung betrachtet, wurden bislang von den zuständigen Gremien nicht aufgegriffen.

Als Infraschall (infra = jenseits) wird gemeinhin Schall mit einer Frequenz unter ca. 20Hz bezeichnet. Der Zusatz „Infra“ soll kenntlich machen, dass es sich um Schall „jenseits“ einer auditiven Wahrnehmung handelt. Da aber dank neuerer Forschung deutlich wurde, dass ein Großteil der Menschen weit tiefere Frequenzen wahrnehmen kann (abhängig von Pegel und Expositionsdauer) und biologische Effekte zwischen unter 1Hz und ca. 60Hz zu beobachten sind sowie sich zunehmend die Erkenntnis durchsetzt, dass zwischen Hörbarkeit und biologischer Wirksamkeit gerade bei tiefen Frequenzen kein Zusammenhang besteht, wird in diesem Dokument auf eine Trennung zwischen IS und LFN kein besonderer Wert gelegt.

Die Quellen, die in der Literatur zur Arbeitsmedizin klassischerweise als Hauptverursacher LFN-induzierter Erkrankungen beim Menschen genannt werden, beinhalten: Kompressoren, Pumpen, Rüttelsiebe, Shaker (Rüttelstände), Feuerungsanlagen, Auspuff-, Strömungs- und Abrollgeräusche bei Fahrzeugen, Pressen/Stanzen, Transformatoren, Turbinen, Kolbenmotoren und Ventilatoren von Lüftungen und Wärmetauschern.

Zwar fallen die Pegel tieffrequenter Schalle im Wohnumfeld meist niedriger aus als an Arbeitsplätzen in der Industrie, dafür wirken sie aber nicht nur 7,5 Stunden lang – unterbrochen von Pausen und Wochenenden – sondern meist andauernd, oft 24h/Tag und vor allem auch nachts und entfalten so nicht nur ihr bereits bekanntes Stör- und Schädigungspotenzial, sondern wirken zusätzlich negativ auf Schlaf und Regeneration. Gestörter Schlaf ist eine epidemiologisch belegte, spezifische Wirkung tieffrequenter Schallbelastungen. Die Folge ist – oft schon nach einer Exposition von wenigen Tagen – die sogenannte akute Insomnie. Diese primäre Schlafstörung stellt ein anerkanntes Krankheitsgeschehen dar und kann für die Betroffenen sehr weitreichende Folgen haben.

Neben offensichtlichen Stressreaktionen und Effekten herrührend aus akustischer Stimulation der Gleichgewichtsorgane (Kinetose, Sopite Syndrome, kardiovaskuläre Störungen) und Störungen des Zentralnervensystems dürften die Folgen von Schlafstörungen einen wesentlichen Anteil an den Befindensstörungen haben, wie sie bei IS/LFN-emittierenden Anlagen im Wohnumfeld häufig auftreten. Ein verminderter nächtlicher Abbau des Stresshormons Cortisol als spezifische Wirkung von Schallbelastungen mit tieffrequenten Anteilen wurde für den Menschen schon vor geraumer Zeit belegt.

Stellt man sich jetzt die Frage, warum tieffrequenter Schall und seine Teilmenge Infraschall (IS) (= LFN <20Hz) aus natürlichen Quellen, wie z.B. Brandung und Windgeräuschen, offenbar keine oder nur geringe gesundheitliche Auswirkungen auf den Menschen hat, dafür aber offenbar jener aus technischen Quellen, so hilft ein Blick auf die vorangegangene Aufzählung der häufig anzutreffenden anthropogenen Quellen und die von ihnen abgegebenen Signalformen weiter.

Die Betrachtung von Schall als Signal und damit als akustischer Reiz mit einer charakteristischen Signatur in der Zeit- und Frequenzdomäne erlaubt eine Differenzierung von Schallquellen anhand der von ihnen beeinflussten physiologischen Wirkmechanismen. Dieser Ansatz entspricht dem heutigen Stand des Wissens zu den Stör- und Schädigungswirkungen von Schallbelastungen und ist so jenen Methoden überlegen, die Schall lediglich als eine Energieform auffassen und versuchen, durch Summenbildung und Mittelwerte komplexe Belastungen in einfache Zahlenwerte zu überführen. Durch den prinzipbedingten Informationsverlust dieser veralteten Verfahren sind diese zwangsläufig nicht zum Nachweis von Wirkzusammenhängen geeignet und können so auch nicht zum Erkenntnisgewinn bei Fragestellungen in der Lärmwirkungsforschung dienen.

Wendet man jedoch die moderne, differenzierende Betrachtung auf die Gesamtheit üblicher Schallquellen im tieffrequenten Bereich an, so zeigt sich folgendes:

Natürlicher Infraschall (und LFN)

• a) ist temporär vorhanden / intermittierend
• b) zeigt ein stochastisches (zufälliges) Signal in der Zeit- und Frequenzdomäne
• c) weist keine schmalbandigen Peaks oder steilflankigen Abrisse in seinem Spektrum auf
• d) ist frei von frequenzstabilen, tonalen Komponenten
• e) hat keine periodischen / periodisch impulshaften Komponenten
• f) weist hohe Pegel nur temporär auf
• g) hat einen räumlich begrenzten Wirkbereich

„Natürlicher“ Infraschall war in der Entwicklungsgeschichte des Menschen schon immer vorhanden. Dabei wurden Orte permanent hoher Pegel (Pegel = Lautstärke, z.B. Wasserfälle) bei der Besiedlung gemieden. Es hat daher eine genetische Anpassung (Adaption) an diese Formen von IS stattgefunden, die den Menschen im Normalfall vor negativen Auswirkungen schützt.

Anders als natürlicher Infraschall verfügt damit der anthropogene Infraschall in den meisten Fällen über klar definierte, spezifische Eigenschaften mit physiologischer als auch pathologischer Relevanz, die auf allen Stufen der Verarbeitung, von der Topologie der Cochlea, dem hydrodynamischen System des Innenohrs, der Funktion der Haarzellen, der Weiterleitung akustischer Reize und deren zentraler Verarbeitung eine Wirkung zeigen, die sich vom IS natürlicher Quellen signifikant unterscheidet.

Hier hat die Lärmwirkungsforschung noch sehr deutliche Defizite gegenüber z.B. dem Stand der Otoneurologie, die bei den physiologischen Schallwirkungen tieffrequenter Schall- und Vibrationsreize Frequenzzahlen inzwischen in 1/10 Hz Auflösung angibt. Die Verwendung von sog. Terzbändern (engl.: 1/3 octave bands) zur Zusammenfassung von Frequenzen ist also aus der Perspektive neurologischer Schallwirkungen ein Anachronismus – insbesondere bei tiefen Frequenzen, die, anders als mittlere und hohe Frequenzen, nicht nur tonotopisch verarbeitet werden (Tonotopie = Verortung eines Reizes im Hörzentrum), sondern zu frequenzsynchronen Aktivierungen in verschiedenen Hirnarealen führen – auch in solchen, die durch Synchronisationsneigung eine höhere Beeinflussbarkeit durch externe Stimuli aufweisen.

Bei der also immer noch einfachen Unterscheidung in „technischen“ und „natürlichen“ Infraschall sollte man sich daher auch besser von den genauen physikalischen Eigenschaften des Signals und weniger der Art der Quelle leiten lassen: Während das System Straße-Auto sicher technischer / künstlicher Natur ist, so ist der Mechanismus der Schallerzeugung durch ein offenes Fenster und den Fahrtwind ein klassisches chaotisches System, das während unterschiedlicher Phasen der Fahrt (Geschwindigkeiten) zufällig zwischen stabilen Zuständen wechselt und in seiner spektralen Zusammensetzung seiner Geräuschentwicklung grundsätzlich einer 1/f Verteilung folgen wird. Das entstehende Signal gleicht damit dem einer natürlichen Quelle: es ist variierend in Frequenzverteilung und Pegel, es ist frei von spektralen Peaks, Notches (Einbrüchen) und steilflankigen Abrissen; bei langsamer Fahrt reduziert sich der Gesamtpegel (Aspekt der Intermittenz) merklich und nach Ende der Fahrt fällt die Belastung ganz weg und Regeneration des Ohrs kann einsetzen.

Dementsprechend harmlos wirkt diese Form einer Infraschallbelastung dann auch für den normalen Autofahrer, da sie quasi ein „natürliches“ IS Signal nachbildet.

Wer also argumentiert, aller Infraschall müsse grundsätzlich harmlos sein, nur weil wir häufig Formen seiner „natürlichen“ Form oder kurzzeitig IS/LFN aus einer technischen Quelle ausgesetzt sind, der lässt die erforderliche Fähigkeit oder Bereitschaft zur Differenzierung im Sinne des heute verfügbaren Wissensstandes zu den physiologischen Wirkungen tieffrequenter Schalle vermissen.

Die zu beobachtenden Effekte von Schallbelastungen lassen sich klassisch zunächst in zwei Hauptkategorien unterteilen: in aurale (das Ohr betreffende) und in sog. non-aurale (extra-aurale) Effekte. Bei den non-auralen Effekten kann man bei den im Wohnumfeld typischen Immissionspegeln sowohl die Folgen von Schlafstörungen, Störungen der Konzentration und Leistungsfähigkeit als auch unmittelbare Auswirkungen auf zentrale (das Gehirn betreffende) Prozesse beobachten. Eine weitere wichtige Gruppe von non-auralen Wirkungen resultiert aus den Effekten auf das autonome Nervensystem und auf endokrine Prozesse. Aufgrund epidemiologischer Untersuchungen gilt als gesichert, dass Lärmbelastung das Risiko kardiovaskulärer Erkrankungen wie Bluthochdruck, koronarer Herzerkrankung, Herzversagen, Herzinfarkt und Schlaganfall signifikant erhöht.

Dass eine Wahrnehmbarkeit die Voraussetzung für die biologische Wirksamkeit einer Noxe darstellt, trifft weder bei kurzwelligem Licht (UV-Strahlung), bei natürlichen Giften (Botulinumtoxin), synthetischen Schadstoffen (Bisphenole), radioaktiver Strahlung (Radon) oder Ganzkörpervibration (WBV = whole body vibration) zu. Genauso wenig ist daher eine auditive Wahrnehmbarkeit eine generelle Voraussetzung für eine Schädigungswirkung von Schallen.

So ist beispielsweise eine medizinisch relevante Wirksamkeit von Infraschall auf die kardiovaskuläre Regelung beim Menschen durch Laborexperimente bereits in den frühen 80er Jahren belegt worden – auch bei Pegeln, die für eine eindeutige auditive Wahrnehmbarkeit nicht ausreichend sind, womit ein hypothetischer subjektiver „Stress durch Hörwahrnehmung“ als Erklärung für den Effekt ausgeschlossen werden kann.