Dominik Börner, Cleopatra Christina Moshona, André Fiebig, Annika
Thormann
Bewertung der Sprachverständlichkeit von
Atemschutzmasken unter Berücksichtigung ihrer
morphologisch-materiellen Eigenschaften
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Börner, D.; Moshona, C. C.; Fiebig, A.; & Thormann, A. (2022): Bewertung der Sprachverständlichkeit von
Atemschutzmasken unter Berücksichtigung ihrer morphologisch-materiellen Eigenschaften. In: AIA-DAGA
2022 : proceedings of the International Conference on Acoustics. Berlin: Deutsche Gesellschaft für Akustik
e.V. pp. 1342-1345.
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Bewertung der Sprachverständlichkeit von Atemschutzmasken unter
Berücksichtigung ihrer morphologisch-materiellen Eigenschaften
Dominik Börner1, Cleopatra Christina Moshona2, André Fiebig2 und Annika Thormann3
1 TU Berlin, Fachgebiet Audiokommunikation, E-Mail: d.boern[email protected]rlin.de
2 TU Berlin, Fachgebiet Technische Akustik
3 Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen
Einleitung
Die COVID-19 Pandemie schafft neue Herausforderungen
im alltäglichen Leben der Bevölkerung, der medizinischen
Produktentwicklung und der Gesundheitsforschung. Neben
der Forschung nach Behandlungsmöglichkeiten von
infizierten Patienten gilt es hinreichende Präventions-
möglichkeiten zu finden und stetig zu verbessern.
Schutzmaßnahmen wie Abstand halten, Hygieneregeln
beachten und eine Alltagsmaske tragen (AHA-Regeln)
können das Infektionsrisiko an Covid-19 zu erkranken,
senken. [1] Auch wenn letzter Punkt der AHA-Regeln als
unentbehrlicher Schutzmechanismus gegen Virusinfektionen
gilt, können Atemschutzmasken die Sprachverständlichkeit
senken, wodurch die Übermittlung wichtiger Informationen
gestört und der Informationsgehalt der gesprochenen
Information gemindert wird. Ein allgemeingültiges
Verfahren für die Bewertung der Sprachverständlichkeit von
Atemschutzmasken gibt es bis zu diesem Zeitpunkt noch
nicht. Somit liegen eine Verwendung und Anpassung von
Methoden aus dem Bereich der Raumakustik nahe.
Besonders der Einfluss der materialwissenschaftlichen
Betrachtungsebene auf die Sprachverständlichkeit von
Atemschutzmasken gilt als weitestgehend unerforscht.
Demnach sollen in der hier vorgestellten Forschungsarbeit
ausgewählte Maskentypen in ihren morphologischen
Eigenschaften der Vliesbestandteile untersucht und deren
Einfluss auf die Sprachverständlichkeit geprüft werden.
Zusätzlich werden anhand ausgewählter raumakustischer
Parameter weitere potentielle Einflussgrößen untersucht. Die
entstehenden Korrelationen zwischen Maskentypen,
Raumeigenschaften und Sprachverständlichkeit werden
abschließend empirisch ausgewertet. Mit den Ergebnissen
lassen sich Empfehlungen für die Weiterentwicklung von
neuen Atemschutzmasken aufstellen, sowie Anhaltspunkte
für weitere Forschungsvorhaben zu einem verwandten
Thema, wie z.B. der Progression von Messständen für
Atemschutzmasken geben.
Mit dem Projekt „Next Generation Schutztextilien“ (NGST)
hat sich das Fraunhofer IMWS zum Ziel gesetzt, neue
Atemschutzmasken zu entwickeln, welche in ihrer
Filterwirkung, Sprachverständlichkeit und ihrem Trage-
komfort einen idealen Kompromiss finden. Diese
Entwicklung erfolgt unter anderem auf Grundlage von
Untersuchungen der morphologisch-materiellen
Eigenschaften als auch der Bewertungen der Sprach-
verständlichkeit von gängigen Atemschutzmasken
Material und Methode
Die Betrachtung der erstellten Methode ist in die vier
folgenden Kategorien zu unterteilen. Dabei wird das
Vorgehen näher erläutert.
Atemschutzmasken
Atemschutzmasken dienen unter anderem der Prävention
von Tropfen- oder Aerosolinfektionen, welche durch die
respiratorische Aufnahme von Viruspartikeln ausgelöst
werden können. Im Falle des Severe Acute Respirtory
Syndrome COrona Virus (SARS-Cov-2) gilt es die 0,06 μm
bis 0,14 μm großen Coronavieren vor dem Eindringen bzw.
dem Ausschleudern durch Atmen, Sprechen, Singen, Niesen
und Husten zu hindern. [2] Das Virus bindet sich beim
Ausstoßen mit Tröpfchen oder anderen Partikeln der Luft.
Durch Atmen und Sprechen emittierte Aerosolpartikel sind
im Durchschnitt 1 μm groß und werden mit Zunahme der
Atemfrequenz und Lautstärke größer. [3] Die
Dimensionierung der Partikelgrößen zeigt die besonderen
Anforderungen, welche an die Materialeigenschaften der
Atemschutzmasken gestellt sind.
Für die folgenden Experimente wurden 14
Atemschutzmasken der Typen Mund-Nasen-Bedeckung
(MNB), Mund-Nasen-Schutz (MNS), Filtering Face Piece
(FFP) (mit und ohne Ventil) und Fraunhofer-Masken als
Untersuchungsgegenstände ausgewählt, davon zehn für eine
erweiterte Materialanalyse. Die Masken sind durch ihre
unterschiedliche Layeranzahl sowie -typen in ihren
Materialeigenschaften wesentlich bestimmt. Der
Maskenkörper einer FFP-Maske, MNS als auch einer MNB
besteht aus einer Kombination verschiedener Vliesstoffe.
Ein Spunbond-Vlies dient als Innen- und Außenschicht des
Maskenkörpers und bewirkt mit seinen hydrophoben und
antibakteriellen Eigenschaften den Schutz vor großen
Tropfen und Partikeln. [4] Die Innenschicht des
Maskenkörpers besteht meist aus einem Meltblown-Vlies,
welches durch seine einstellbare Poren- & Kapillarstruktur
die wesentliche Schutz- und Barrierewirkung der Maske vor
Bakterien und Viren bestimmt. Die unterschiedliche
morphologische Struktur der beiden Vlies-Typen ist in
Abbildung 1 anhand einer Rasterelektronenmikroskopie zu
erkennen.
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Abbildung 1: Rasterelektronenmikroskopie des Spunbond-
Vlieses (links) und Meltblown-Vlieses (rechts) einer FFP-
Maskenprobe mit 500-facher Vergrößerung.
Materialwissenschaftliche Untersuchung
Zur morphologisch-materiellen Untersuchung der Atem-
schutzmasken sind Materialparameter zu definieren, welche
in Vermutung stehen die Sprachverständlichkeit
beeinflussen zu können. Es ist zu erwarten, dass die
Materialdicke des Gesamtsystems wesentlicher Einfluss-
faktor auf Sprachverständlichkeit ist. Die Gesamtdicke des
Maskenkörpers beinhaltet wiederum die Zusammensetzung
einzelner Vliestypen und deren Eigenschaften zur Porosität
und Faserstruktur. Demnach werden Materialparameter wie
Flächenanteil der offenen Poren, Form und Struktur der
Poren und Faserdurchmesser der Atemschutzmaske durch
die Auswertung von Licht- und Rasterelektronen-
mikroskopie-Bildern durch die Software „Olympus
CELL^F“ ermittelt. Ein Beispiel für die Trennung von Poren
und Fasermatrix durch das Programm ist in Abbildung 2 zu
sehen. Die Gesamtschichtdicke hingegen wird analog mit
Hilfe einer Bügelschraube gemessen.
Abbildung 2: Binarisierte Lichtmikroskopie (fünffache
Vergrößerung; Durchlicht) eines Meltblown-Vlieses zur
Ermittlung seiner morphologischen Eigenschaften mittels
der Software „Olympus CELL^F“
Sprachverständlichkeitsmessung
Wenn über Sprachverständlichkeit gesprochen wird, ist im
Allgemeinen der „Prozent[-satz] verstandener Sprachitems“
[5] gemeint, welcher vom Empfänger der gesprochenen
Nachricht wahrgenommen wird. Zur Untersuchung von
Sprachverständlichkeit gibt es verschiedene Bewertungs-
maße, welche sich in der Praxis bewährt haben. Für die
vorliegende Forschungsarbeit ist ein Maß zur Bewertung der
Sprachverständlichkeit besonders relevant, welches sich in
der Praxis der technischen sowie räumlichen Akustik
bewährt hat - der Speech Transmission Index (STI). Der STI
hat einen Wertebereich von 0 bis 1, wobei höhere Werte eine
bessere Sprachverständlichkeit indizieren. In bisherigen
Studien zum STI konnte ermittelt werden, dass die
Diskriminationsschwelle, der sogenannte Just Noticeable
Difference (JND), bei 0.03 liegt. [6] Mit einer Adaption der
direkten STI Messmethode wurde ein Messaufbau realisiert,
welcher zum Teil in Abbildung 3 zu sehen ist und die
Sprachverständlichkeitsmessung von Atemschutzmasken
ortsunabhängig gewährleistet und kontrolliert. Die
Konstruktion beinhaltet einen Kunstkopf, welcher die Form
eines menschlichen Kopfes imitiert und die Masken trägt.
Von der Mundöffnung bis zum dahinter liegenden
Holzgehäuse befindet sich ein Schallkanal. Im Gehäuse lässt
sich eine TalkBox von NTi Audio integrieren, welche das
notwendige STIPA Signal wiedergeben kann. Mit Hilfe des
Schallpegelmessers XL2 in Kombination mit dem
Messmikrofon M4261 von NTi Audio können
wiedergegebene Signale in beliebiger Distanz aufgenommen
werden. Die Messungen werden pro Maske dreimal
wiederholt und anschließend der Mittelwert gebildet. Die
Messumgebungen werden im Punkt Raumakustische
Rahmenbedingungen näher erläutert.
Abbildung 3: Konstruktion eines 3D gedruckten
Kunstkopfes mit Flanschverbindung an einem Holzgehäuse
für die TalkBox im Reflexionsarmen Raum (RaR) der TU
Berlin
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Raumakustische Rahmenbedingungen
Die Nachhallzeit und die Distanz zwischen Sender- und
Empfangsposition haben sich in der Versuchsvorbereitung
als wesentliche raumakustische Einflussfaktoren auf die
Sprachverständlichkeit herausgestellt. Wie durch die Formel
(1) von Eyring zu erkennen, ist die Nachhallzeit eines
Raumes maßgeblich durch dessen Volumen und
absorbierende Begrenzungsflächen bestimmt. [7] Somit
werden Räume für die Sprachverständlichkeitsmessung
ausgewählt, welche eine möglichst hohe Diversität
genannter Parameter besitzen.
� � ����� �
� ���� � ������� � ��� [s] (1)
Für das Experiment wurden die Räume aus Tabelle 1 auf
Grund ihrer diversen Eigenschaften ausgewählt und die
Nachhallzeit RT60 ermittelt. Abschließend wurde nach DIN
18041 die Hörsamkeit des Seminarraumes IMWS sowie des
Besprechungsraumes IMWS ermittelt, um Aussagen zur
Vergleichbarkeit mit Räumen ähnlicher Eigenschaften und
Nutzungsarten zu gewährleisten. Dabei ist die Hörsamkeit
als „Eignung eines Raumes für bestimmte
Schalldarbietungen“ [8] zu verstehen.
Tabelle 1: Übersicht der genutzten Messumgebungen
Räume Parameter
Volumen Absorption Standort
Seminarraum 218 m3 niedrig IMWS
Besprechungsraum 66 m3 mittel IMWS
RaR
830 m3
(1755 m3
Gesamt-
zustand)
stark TU Berlin
Ergebnisse und Diskussion
Ein Auszug aus der Materialanalyse ist die
Gesamtschichtdicke des Maskenkörpers, welche an fünf
unterschiedlichen Stellen der Maske mittels Bügelschraube
gemessen wurde. Die Ergebnisse sind in Abbildung 4 nach
Maskentyp farblich sortiert. Bei der Betrachtung wird
deutlich, dass mit Änderung des Maskentyps sich auch die
Gesamtschichtdicke ändert. Auffällig ist, dass die
Standardabweichung mit zunehmender Gesamtschichtdicke
ansteigt. Die MNB und die MNS besitzen ungefähr 50 % der
Gesamtschichtdicke der FFP- Masken ohne Ventil. Die FFP-
Masken mit Ventil weisen zueinander einen Unterschied von
ca. 500 μm auf, was die Dicke einer MNB oder MNS
beschreibt.
Abbildung 4: Gesamtschichtdicken (Schichtdicke aller
Layer einer Maske) gemessen für kommerzielle NGST-
Proben (gelb = MNB, orange = MNS, rot = FFP, lila = FFP
+ Ventil)
Die STI-Messungen aller Masken in den in Tabelle 1
beschriebenen Räumen konnten messtechnisch ermittelt und
visuell aufbereitet werden. So sind bspw. in Abbildung 5 alle
STI-Messwerte der untersuchten Atemschutzmasken im
Seminarraum IMWS mit einer Sender- Empfangsposition
von 2 m zu sehen. Das STI-Maximum von 0,65 ist wie zu
erwarten beim verwendeten Referenzsignal ohne Maske
ermittelt worden. Das STI-Minimum erzielt die FFP-Ventil-
Maske NGST 25 mit einem STI-Wert von 0,53. Selbst im
Vergleich zum Referenzsignal mit Kunstkopf, welches
bereits messtechnische Verzerrungen beinhaltet, zeigen sich
eine Überschreitung des JND von 0.03 und somit hörbare
Sprachverständlichkeitsunterschiede durch einige der
untersuchten Atemschutzmasken.
Abbildung 5: STI-Messwerte im Seminarraum IMWS - 2
m Abstand gemessen für alle NGST-Proben (gelb = MNB,
orange = MNS, rot = FFP, lila = FFP + Ventil, türkis =
Fraunhofer Design) und Referenzsignale (grau)
Die von den Layertypen individuell ausgehende Gewichtung
auf die Sprachverständlichkeit lässt sich in Abbildung 6
erkennen. Zu sehen ist das Ergebnis mehrerer STI-
Mess
ungen,
in denen einzelne
Laye
r der Masken-Probe
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NGST 29 entfernt wurden. Während nach der Entfernung
eines äußeren Layers ein Anstieg des STI um 0,01 gemessen
wurde, konnte bei der vollständigen Entfernung des
mittleren Meltblown-Layers ein ΔSTI von 0,03 ermittelt
werden, was als eben hörbarer Unterschied gilt. Dieses
Ergebnis zeigt die Relevanz einer genauen Schichten-
konfig
uration.
Abbildung 6: STI in Abhängigkeit zur Layeranzahl des
Maskenkörpers der Probe NGST 29 im Seminarraum
IMWS und 2 m Abstand
Abschließend konnte ein Ranking, (siehe Tabelle 2) erstellt
werden, welches die untersuchten Atemschutzmasken nach
ihren technisch ermittelten STI-Werten auflistet. Diese
Ergebnisse konnten zusätzlich in einem Hörversuch am
IMWS validiert werden. Dabei wurden 12 Versuchspersonen
unterschiedlichen Geschlechtes mit einem durchschnittlichen
Alter von 40 Jahren nach ihrem Empfinden der Deutlichkeit
in einem Paarvergleich und ihrem Empfinden der
Höranstrengung für einen Mean-Opinion-Score befragt. Die
zu bewerteten Hörbeispiele wurden aus einem
zehnsekündigen Sprach-Sample, welches im RaR durch
verschiedene Masken manipuliert wurde, gewonnen.
Ausblick und Anmerkungen
Die entwickelte Methode wurde erfolgreich umgesetzt und
validiert. Dabei wurden hörbare Unterschiede zwischen
Maskentypen festgestellt und der zugehörige
Materialeinfluss belegt. Für die weitere medizinische
Produktentwicklung ist zu empfehlen, sich auf die Layer-
eigenschaften der verarbeiteten Vliesstoffe zu konzentrieren,
um einen Sweet Spot zwischen Schalldurchlass und
Virenrückhalt zu finden. Für die interdisziplinäre Forschung
an diesen höchst-relevanten Themen sollte ein normiertes
Maß zur Sprachverständlichkeitsmessung von Atem-
schutzmasken entwickelt werden, welches die Reproduzier-
barkeit der Methode garantiert. Abschließend sei
anzustreben, das Sprach-Frequenzspektrum von Frauen in
die STI via STIPA Methode zu integrieren.
Literatur
[1] Bundesministerium für Gesundheit (Hrsg.). (2021).
Zusammen gegen Corona: Wie wir uns vor dem
Coronavirus schützen können. URL:
https://www.zusammengegencorona.de/downlo
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[2] Jin, Y.‑H. et al. (2020). A rapid advice guideline for the
diagnosis and treatment of 2019 novel coronavirus
(2019-nCoV) infected pneumonia (standard version).
Military Medical Research, 7(1). URL:
https://doi.org/10.1186/s40779-020-0233-6
[3] Asadi, S., Wexler, A. S., Cappa, C. D., Barreda, S.,
Bouvier, N. M. & Ristenpart, W. D. (2019). Aerosol
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URL: https://doi.org/10.1038/s41598-019-
38808-z
[4] Fraunhofer IPT/WZL, der RWTH Aachen. (2020, 8.
Juni). LIFEBELT, FFP-MASKEN – FALTMASKEN:
Leitfaden zur effizienten und bedarfsgerechten
Prozesskettengestaltung zulassungsfähiger
Schutzausrüstung
[5] Lazarus, H. (2007). Akustische Grundlagen
sprachlicher Kommunikation [Online-ausg.]. Springer.
URL: https://doi.org/10.1007/978-3-540-
49986-2
[6] Bradley, J. S., Reich, R. & Norcross, S. G. (1999). A
just noticeable difference in C 50 for speech. Applied
Acoustics, 58(2), 99–108. URL:
https://doi.org/10.1016/S0003-
682X(98)00075-9
[7] Eyring, C. F. (1930). Reverberation Time in “Dead”
Rooms. The Journal of the Acoustical Society of
America, 1(2A), 168. URL:
https://doi.org/10.1121/1.1901884
[8] DIN Deutsches Institut für Normung e.V. (2009). DIN
1320: Akustik - Begriffe (DIN 1320).
Tabelle 2: Übersicht der genutzten Messumgebungen
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