International Archives of

Int Arch Occup Environ Hlth 37,139-155(1976)

(ketipational

and 1 Enrironnunlal

health

C) by Springer-Verlag 1976

Zum EinfluB des Ldrms auf Leistung bei geistiger Arbeit und ausgewahlte physiologische Funktionen E KLOTZBUCHER Wissenschaftlich-Technisches Zentrum fr Arbeitsschutz beim Ministerium fur Bauwesen (Direktor: OMR Prof Dr sc med H -G Hublein), Abteilung Arbeitsphysiologie, Marzahner Chaussee 19/33, DDR-1136 Berlin

The Effect of Noise on Mental Performance and Selected Physiological Functions Summary White noise of 55, 70 or 85 dB (AI) during arithmetic tasks under constant time strain led to a higher excretion of epinephrine already at a level of 55 dB (AI), to a slower and more irregular work and to an increased heart rate from a level of 70 dB (AI), to a faster increase of the respiration rate variability, more frequent changes in heart and respiration rate and a greater instability of heart-respiration rate relation With increasing noise level a decrease of correlations between the different performancecriteria and between performance-criteria on the one side and physiological reactions on the other side came to pass concerning respiration rhythm and connection between heart and respiration rhythm There was a much greater decrease between the noise level of 55 and 70 dB (AI) than between 70 and 85 dB (AI) Apart from few exceptions the nature of correlations was unaffected by noise level According to our findings there was an increase of epinephrine excretion already at a noise level of 55 dB (AI), i e at a lower level than the commonly indicated limit for vegetative reactions of 60 dB. Key words:

Mental work

Noise

Catecholamines

Heart arrhythmia

Respir-

ation arrhythmia.

Zusammenfassung Lrm von 55, 70 und 85 dB (AI) (weiBes Rauschen) bewirkte bei einem unter konstantem Zeitdruck durchgefuhrten Rechentest bereits bei 55 dB (AI) eine hhere Adrenalinausscheidung, ab 70 dB (AI) eine langsamere und unregelma Bigere Arbeit und Herzfrequenzerh 6hung, bei 85 dB (AI) einen rascheren Anstieg der Schwankungsgr 6Be der Atemperiodendauer, Unruhe der Herz und Atemperiodik und Instabilitat des Pulsatemquotienten Mit zunehmender Lautstarke erfolgte eine Abnahme des Zusammenhangs zwischen den verschiedenen Leistungskriterien und zwischen den Leistungskriterien und physiologischen Reaktionen, die den Atemrhythmus und die Kopplung zwischen

139

Puls und Atemrhythmus betraf Die Abnahme war zwischen den Lrmstufen 55 und 70 dB (AI) wesentlich gr 6Ber als zwischen den Lrmstufen 70 und 85 dB (AI) Die Art des Zusammenhangs wurde, von geringen Ausnahmen abgesehen, nicht beeinflu Bt Die von uns bei geistiger Arbeit unter Lrmeinwirkung gefundenen Reaktionen traten fr die Adrenalinausscheidung schon bei 55 dB (AI) auf, d h bei einer Lautstdrke, die unter dem gew 6hnlich als Grenzwert fr mgliche vegetative Reaktionen angesehenen Wert von 60 dB lag. Schlusselw6rter: Geistige Arbeit Atemarrhythmie.

Lrm

Katecholamine

Herzarrhythmie -

Larm fhrt zu einer Beeinflussung der Leistung bei geistiger Arbeit und zu einer Beeinflussung physiologischer Reaktionen. Eine Reihe von Autoren fand, daB schwache und starke Lautreize gegenUber m Bigen Lautreizen einen Leistungsabfall verursachten (Schonpflug, 1965 ; Hrmann u Todt, 1960) Andere Autoren stellten mit zunehmender Lautstdrke eine Leistungsverbesserung fest Wieder andere fanden eine Abhan(Schbnpflug u Schafer, 1962) gigkeit der Lrmwirkung von der Art der Aufgabe (Lienert u. Jansen, 1964) oder vom Informationsgehalt des Gerausches (Jansen, 1973) An physiologischen Reaktionen auf Lrmreize wurden im wesentlichen beobachtet: Periphere Vasokonstriktion (Jansen, 1967 ; Lehmann u Tamm, 1956 ; Lehmann u Meyer-Delius, 1958), Blutdruckanderung (Lehmann u Meyer-Delius, 1958 ; Floss, 1964 ; Heinecker, 1959), Herabsetzung des Schlagvolumens (Lehmann u. Tamm, 1956 ; Jansen u Klensch, 1964), Erbhung der Herzfrequenz nSimon, 1969 ; Parrot, 1969 ; Harmon, 1933), (Fuchs-Schmuck u derung der Atemfrequenz, des Atemvolumens (Harmon, 1933) und nderung des Energieumsatzes des Atemrhythmus (Rosenau, 1962), (Harmon, 1933 ; Laird, 1927 ; Vernon u Warner, 1932), Steigerung des Muskeltonus (Laird, 1933), Herabsetzung des Hautwiderstandes (Davis, 1932), Storung der Pupillenweite, Akkomodation und Konvergenz (Damsky et al , 1965), Verminderung der Magenperistaltik und Speichelsekretion (Laird, 1928 ; Cannon, 1929), VerBender, 1956), Veranminderung der Hautdurchblutung (Hensel u Schulze, 1964), derung der elektrischen Hirnaktivitat (Jansen u Anderung des Blutzuckerspiegels (Finkle u Poppen, 1948 ; Nitschkoff, 1968), Anstieg der Katecholaminausscheidung (Hawel u. ndeStarlinger, 1967 ; Levi, 1965 ; Carlson et al , 1965) und rung der CorticoidausschUttung (Arguelles, 1967 ; Sakamoto, 1957 ; Bugard, 1955). Roloff, 1974) mit In fruheren Untersuchungen (KlotzbUcher u geistiger Arbeit ohne Zeitdruck und mit konstantem Zeitdruck stellten wir fest, daB der Zeitdruck weder die mittlere Herzperiodendauer, noch die Herzarrhythmie, noch die mittlere Atemperiodendauer beeinflu Bte Deutliche Reaktionen auf die ZeitZur Ermittlung druckarbeit zeigte dagegen die Atemarrhythmie

140

des Lrmeinflusses auf geistige Arbeit haben wir den gleichen Leistungstest wie fr Uher angewendet und die Wirkung von Lrm unterschiedlicher Intensitat auf Leistung und physiologische Reaktionen geprft.

METHODIK Wir fhrten an 10 gesunden mnnlichen Berufsschulern im Alter von 17 19 J den KL-Test nach Dker in 3 Versuchsserien unter Einwirkung von Lrm verschiedener Intensitat durch Serie 1: Einwirkung eines Breitbandgerausches (weiBes Rauschen) von 55 dB (AI); Serie 2: Einwirkung eines solchen Gerausches von 70 dB (AI); Serie 3: Einwirkung eines solchen Gerausches von 85 dB (AI) Die Versuche fanden in einem schalltoten Raum des Versuchslabors der Deutschen Post zwischen 8 und 11 Uhr statt. Der Abstand der Versuche bei den einzelnen Probanden betrug im Mittel 12 Tage Die Reihenfolge der Testserien war stochastisch. Die Probanden waren am Vortag des 1 Versuchs mit dem Test vertraut gemacht worden Die Rechenzeit betrug einheitlich 90 min, die vorgegebene Lsungszeit fUr einen Block mit 10 Rechenaufgaben 75 s Das Ende der 75 S wurde durch Aufleuchten eines kleinen Lmpchens angezeigt Dann muBte, gleichgUltig ob alle Aufgaben gelost waren oder nicht, der nchste Aufgabenblock in Angriff genommen werden Nachtragliche Korrekturen waren nicht gestattet Die Versuchsperson befand sich allein im Raum und wurde mittels Fernsehen beobachtet Die Lsungszeit der einzelnen Aufgaben wurde ber Bildschirm registriert, die Rechenfehler nach Versuchsabschlu B ausgewertet. Die Versuchsdurchf Uhrung fand in folgenden Abschnitten statt: 1 Ruhe 10 min im Sitzen ohne Lrm; 2 3 min Ruhe mit Lrm; 3 90 min Rechenarbeit mit Lrm. Wahrend des ganzen Versuchsablaufs wurden Herzfrequenz (EKG) und Atemfrequenz (ber Nasenthermistor) radiotelemetrisch Ubertragen und die Herzfrequenz und Atemfrequenzsignale (Inspirationsbeginn) in modulierter Form auf Tonband gespeichert Zur Auswertung wurden aus den Herzfrequenz und Atemfrequenzsignalen ber Zhler die Herzperiodendauer, die Atemperiodendauer und die Zeit zwischen Inspirationsbeginn und Beginn der nachfolgenden Herzperiode ermittelt und auf Lochstreifen eingegeben. Ausgewertet wurden die Ruhemessung ohne Lrm und die 90 min dauernde Rechenperiode Letztere wurde in 9 Abschnitte zu 10 min unterteilt. Zur Beurteilung der Rechenleistung wurden folgende Leistungskriterien ermittelt Mittlere Lsungszeit je Rechenaufgabe (Lx), Standardabweichung der Lsungszeiten (Ls), prozentualer Anteil der richtig gelosten Aufgaben (Ar) Aus den auf Lochstreifen eingegebenen Me Bdaten wurden folgende Gr 6 Ben ermittelt Mittlere

141

Herzperiodendauer (HPD x), ArrhythmiemaBe: Standardabweichung der Herzperiodendauer (HPD s), Laurig'scher Arrhythmiequotient der Herzperiodendauer (HPD q), Zahl der Richtungsanderungen (Umkehrpunkte) der Herzperiodendauer in Prozent der mglichen Richtungsdnderungen (HPD p), mittlere Atemperiodendauer (APD x) und die ArrhythmiemaBe Standardabweichung der Atemperiodendauer (APD s), Laurig'scher Arrhythmiequotient (APD q), Zahl der Richtungsdnderungen (Umkehrpunkte) der Atemperiodendauer in Prozent der mglichen Richtungsanderungen (APD p), mittlerer Quotient Herzperiodendauer/Atemperiodendauer (HAQ ), Standardabweichung des Quotienten Herzperiodendauer/Atemperiodendauer (HAQ s), mittlere Zeit zwischen Inspirationsbeginn und Beginn der nachfolgenden Herzperiode (ZED ), Standardabweichung der Zeit zwischen Inspirationsbeginn und Beginn der nachfolgenden Herzperiode (ZED s) Aus GrUnden der leichteren methodischen Erfassung wurde nicht der Pulsatemquotient, sondern der Quotient Herzperiodendauer/Atemperiodendauer berechnet, dessen Wert sich reziprok zum Pulsatemquotienten verhalt. Abweichend von den Angaben von Laurig u Philipp (1970) erfolgte die Berechnung des Arrhythmiequotienten nicht nach einer bestimmten Anzahl von Me Bwerten, sondern nach Versuchsabschnitten. Im Nachturin, Urin kurz vor dem Versuch und Urin 2-3 Std nach dem Versuch wurden Adrenalin und Noradrenalin nach der Methode von v Euler u Floding (1955) bestimmt und die Werte auf 100 mg Kreatininausscheidung bezogen Zur Berechnung von Unterschieden wurde der t-Test fr Paardifferenzen verwendet, zur Ermittlung von Zusammenhdngen der Ma Bkorrelationskoeffizient berechnet.

ERGEBNISSE Die Mittelwerte der Lsungszeiten (Lx), Standardabweichungen der L 6 sungszeiten (Ls) und des prozentualen Anteils der richtig gelbsten Aufgaben (Ar) in den verschiedenen Lrmstufen und UnterWie diese suchungsabschnitten sind in Abbildung 1 dargestellt Abbildung ausweist, war das Arbeitstempo in der niedrigsten Lrmstufe 55 dB (AI)l zumindest in der zweiten Arbeitshalfte am schnellsten Nach dem t-Test fr Paardifferenzen war der Unterschied zu den Lrmstufen 70 und 85 d B (AI) mit P 0,05 signifikant Die Standardabweichung der Lsungszeiten, die die Schwankung des Arbeitstempos anzeigt, verhielt sich in der Lrmstufe 55 d B (AI) am gleichmd Bigsten und nahm in den hheren Lrmstufen zu. Nach dem t-Test fr Paardifferenzen war der Unterschied zur Ldrmstufe 70 dB (AI) mit P < 0,01, zur Lrmstufe 85 dB (AI) mit P < 0,05 signifikant Der prozentuale Anteil der richtig gelosten Aufgaben, der die Rechengenauigkeit anzeigt, nderte sich im Versuchsablauf wenig Lediglich in der Lrmstufe 85 dB (AI) fand sich zu Beginn der zweiten Versuchshdlfte durchschnittsmdBig

142

L9

Mittlere Herzperiodendauer (HPD)

Mittlere Losungszeiten (LI)

-19

110 100

t

-o-

2

3

t

4

7 t Arbeitsabschnitt

Standardabweichung der HP'U

I

I

I

I

I

I

I

i

2

3

4

5

6

7

a8 Arbeitsabschnitt

Li

Standardabweichung der L'dsungszien( Ls)

10 se9 9

- 3 120. '100 V 117,asec 110100. ii i 90- i 1

80-

R'i

1

Ruhe

I

i, 5

b

-

5

6

7

70-

7 6

*1.I 130

5

120I 1

2

3

4

5

6

7

8

9

Areitsabsctnitt

A ,r 100l 1.

i

Ruhe

I

I I

e

'

90

i I 13

),00 %;XOS ·-_ _, SO;? 740sec__

Proz Anteil der richtig gelosten Aufgaben (Ar)

4

a

u

Ar.bitsabschnitt

Laurio'scher Arrhythmieauotient der HPD n

t

100 90

95

Ruhe

1

2

3

4

5

6

7 8 9 Arbeitsabschnift

Richtungsanderungen in Prozent der moglichen Richtungsanderungen der HPD

o TO

__ /n'

3

110.

80

90

2

-' 43,7% 1

100 85

I

3

Lrmtufen

Abb 1 Abb 1 Abb 2

I 5

4 I

1

4

I

'fI

5

55 dB(A) D

I

I "9

Arbeitsabschnitt

7 Od AI);

Sd d 5 dB(AJ)

Ruhe

;

2

3

4

5

6

7 8 9 Arbeitsabschnitt

% gesetzl Wertangabe in ProzentderRuheere Ruhewerte auf 100 d BAI) 55 LOrmstufen o o 55dB(Al); D 4 7OdD(AI);

Abb 2 Einflu B des Lrms auf Leistung bei geistiger Arbeit EinfluB des Lrms auf MaBzahlen der Herzperiodendauer

Nach eine vortibergehende Verbesserung der Rechengenauigkeit Paardifferenzen unterschied sich die Rechengedem t-Test fr nauigkeit innerhalb der verschiedenen Lrmstufen jedoch nicht signifikant. Es wurde also am schnellsten und gleichmdBigsten gerechnet, wenn der Lrm gering war, whrend die Rechengenauigkeit durch Leistungskriterien den Lrm praktisch nicht beeinflu Bt wurde und Lrmeinwirkung zeigten folgende signifikanten Beziehungen. Korrelationen der verschiedenen Leistungskriterien innerhalb der einzelnen Lrmstufen ergaben eine Abnahme der signifikanten ZuDie Art des Zusammenhangs sammenhdnge mit zunehmendem Lrm wurde durch den Lrm jedoch nicht beeinflu Bt (Tabelle 1). Korrelationen des jeweils gleichen Leistungskriteriums zwischen den verschiedenen Lrmstufen (Tabelle 1) ergaben, daB die Zahl der signifikanten Zusammenhange zwischen den Lrmstufen 70 und 85 d B (AI) am hchsten war Das bedeutet, da B sich die Leistungskriterien in den beiden Lrmstufen whrend des Versuchsablaufs einheitlich verhielten Zwischen der Lrmstufe 55 d B (AI) und den hheren Lrmstufen ergab sich lediglich fr den prozentualen Anteil der richtig gelosten Aufgaben ein si-

143

Tabelle 1 Korrelationen zwischen den Leistungskriterien und den Ma Bzahlen der Herzperiodendauer, der Atemperiodendauer, des Quotienten Herzperiodendauer/Atemperiodendauer und der Zeit zwischen Inspirationsbeginn und Beginn der nachfolgenden Herzperiode Larmstufe dB (AI) 55 Korrelations koeffizient

70 Korrelations koeffizient

85

r

r

r

Korrelationskoeffizient

Korrelationen der verschiedenen Leistungskriterien innerhalb der einzelnen Ldrmstufen Lx/Ls

+0,84

+0,74 xxx

+0,94 xxx

Lx/Ar Ls/Ar

-0,63 xxx -0,57 xxx

-0,27 x -0,21 ns

+0,05 ns +0,1 ns

55/70 Korrelations

55/85 Korrelations

70/85 Korrelations-

koeffizient

koeffizient

koeffizient

r

r

r

Ldrmstufe dB (AI)

Korrelationen des gleichen Leistungskriteriums zwischen den verschiedenen Larmstufen Lx Ls

-0,11 ns +0,06 ns

-0,02 ns +0,01 ns

+0,61 xxx +0,77 xxx

Ar

+0,27 xx

+0,46

+0,41 xxx

xx

Ldrmstufe dB (AI) 55 Korrelations koeffizient

70 Korrelations koeffizient

85 Korrelationskoeffizient

r

r

r

Korrelationen der Leistungskriterien mit den Ma8zahlen der Herzperiodendauer -0,47 xxx -0,5 xxx

Lx/HPD

-0,44 xxx

-0,14 ns

Ls/HPD x Ar/HPD x

-0,43 xxx +0,1 ns

Lx/HPD S

-0,37 xxx

-0,07 ns +0,17 ns -0,51-0,4 xxx

Ls/HPD S

-0,36 xxx

-0,36 xxx

-0,33 xx

Ar/HPD S L/HPD q

+0,09 ns

+0,27 x

-0,21 ns

-0,38

-0,5

Ls/HPD q

-0,39 xxx

-0,37 xxx

-0,34 xx

Ar/HPD q Li/HPD p Ls/HPD p Ar/HPD p

-0,12 -0,16 -0,11 -0,14

+0,32 -0,18 -0,04 +0,11

-0,15 -0,17 -0,03 -0,12

144

ns ns ns ns

+0,14 ns xxx

xxx-0,36

xxx

xx ns ns ns

ns ns ns ns

Tabelle 1 (Fortsetzung) Ldrmstufe d B

(AI) 55

70

85

Korrelations

Korrelations

Korrelations-

koeffizient

koeffizient

koeffizient

r

r

r

Korrelationen der Leistungskriterien mit den Ma Bzahlen der Atemperiodendauer

Ls/APD x

-0,35 xxx xxx -0,36

Ar/APD x

+0,21

Lx/APD s

Ar/APD s

-0,42 xxx xxx -0,43 xx +0,32

LR/APD q

-0,4

Ls/APD q

-0,39

Ar/APD q

+0,05 ns

-0,04 ns

-0,001 ns

-0,15 ns

+0,18 ns

+0,18 ns

+0,18 ns

-0,04 ns

+0,08 ns

-0,03 ns

+0,16 ns

+0,17 ns

+0,22 x

+0,07 ns

-0,16 ns

+0, 1

+0,24 x

-0,07 ns

-0,11 ns

LR/APD p

+0,04 ns

+0,42 xxx

-0,12 ns

Ls/APD p

-0,04 ns

+0,22 x

Ar/APD p

-0,03 ns

-0,34 xx

-0,22 x -0,36 xxx

Lx/APD x

Ls/APD s

ns

xxx

xxx

ns

Korrelationen der Leistungskriterien mit den Mittelwerten des Quotienten Herzperiodendauer/Atemperiodendauer und seiner Standardabweichung LR/HAQ x

-0,24 x

-0,2

Ls/HAQ R

-0,19 ns

+0,02 ns

-0,2

Ar/HAQ i

+0,11 ns

-0,03 ns

+0,002 ns

LR/HAQ s

-0,28 xx

+0,08 ns

-0,16 ns

Ls/HAQ s

-0,33 xx

+0,07 ns

-0,15 ns

Ar/HAQ s

+0,29 xx

+0,11 ns

+0,05 ns

ns

-0,22 x ns

Korrelationen der Leistungskriterien mit der mittleren Zeit zwischen Inspirationsbeginn und Beginn der nachfolgenden Herzperiode und ihrer Standardabweichung Lx/ZED i

-0,46 xxx

Ls/ZED R

-0,41

Ar/ZED x

-0,23 x

-0,19 ns

-0,09 ns

-0,18 ns

+0,07 ns

+0,15 ns

-0,08 ns

LR/ZED s

-0,42 xxx

-0,3

Ls/ZED s

-0,41 xxx

-0,14 ns

-0,12 ns

Ar/ZED s

+0,08 ns

+0,27 x

+0,03 ns

Signifikanz:

xxx p < 0,001, XX p < 0,01,

xxx

XX

-0,3

xx

x p < 0,05, ns = nicht signifikant.

145

gnifikanter Zusammenhang Das Ergebnis stimmt mit dem der t-Tests fr Paardifferenzen Uberein, nach denen sich zwischen den Lrmstufen 70 und 85 d B (AI) keine signifikanten Unterschiede in den Leistungskriterien ergaben und nach denen sich die Rechengenauigkeit in den verschiedenen Lrmstufen nicht signifikant unterschied. Das Verhalten der mittleren Herzperiodendauer (HPD x), der Standardabweichung der Herzperiodendauer (HPD s), des Laurig' schen Arrhythmiequotienten der Herzperiodendauer (HPD q) und des prozentualen Anteils der Richtungsanderungen der Herzperiodendauer (HPD p) in den verschiedenen Lrmstufen und UntersuZur besseren chungsabschnitten ist in Abbildung 2 dargestellt Vergleichbarkeit des Verhaltens der physiologischen Parameter wdhrend der Lrmeinwirkung wurden die Ruhewerte einheitlich auf 100 % gesetzt und die Werte der verschiedenen Arbeitsabschnitte in Prozent der Ruhewerte berechnet Die durchschnittlichen Me Bwerte whrend der Ruheperioden sind auf den Abbildungen mit angegeben. Die mittlere Herzperiodendauer blieb in der Lrmstufe 55 d B (AI) im Bereich des Ruhewertes In den Lrmstufen 70 und 85 dB (AI) erfolgte eine geringe Verk Urzung whrend der Arbeitsphase Nach dem t-Test fr Paardifferenzen war der Unterschied zwischen der Larmstufe 55 d B (AI) und den brigen Lrmstufen signifikant (P < 0,001). Die Standardabweichung und der Laurig'sche Arrhythmiequotient der HerzS der Herzperiodendauer anperiodendauer, die die Schwankungsgr Be zeigen, verhielten sich gleichsinnig Bei beiden Arrhythmiema Ben war eine Abnahme im ersten Arbeitsabschnitt und ein Wiederanstieg in den brigen Arbeitsabschnitten zu verzeichnen. Die gro Bten Werte fanden sich in der Lrmstufe 70 dB (AI), die kleinsten in der Lrmstufe 85 dB (AI) Die Unterschiede waren nach dem t-Test fr Paardifferenzen signifikant, fr HPD S mit P