Laermschutz4_Psychoakustik_LKE

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Einführung in die Akustik und ihr
Teilgebiet der Psychoakustik
Eine der zentralen Größen in der
Akustik ist der Schalldruckpegel,
der
zur
Beschreibung
der
Lautstärke benötigt wird. Dieser
ist als logarithmisches Maß für
das Verhältnis zwischen dem
gemessenen
Schalldruck
und
einem
Bezugsschalldruck
definiert.
Die Definition des Schalldruckpegels
Die Größe des Schalldruckpegels wurde
eingeführt, damit man den Wertebereich des
Schalldrucks, den das Gehör verarbeiten kann,
mathematisch sinnvoll handhaben und
darstellen kann.
Die Definition des Schalldruckpegels
Einen Überblick über die Zuordnung
zwischen Schallpegel und
entsprechender Lautstärkeempfindung
soll durch die Grafik verdeutlicht
werden. Aus der Grafik ist auch
ersichtlich, dass das Gehör einen
Wertebereich von 0 dB bis 120 dB
verarbeiten kann.
Die Definition des Schalldruckpegels
Um der Tatsache Rechnung zu
tragen, dass das menschliche
Ohr Töne mit gleichem
Schalldruck in unterschiedlichen
Tonhöhen unterschiedlich laut
empfindet, werden so genannte
Frequenzbewertungskurven
verwendet.
A-Bewertung
Da die Krümmung der Kurven gleicher
Lautstärkewahrnehmung und damit der Frequenzgang
des Gehörs vom Schalldruckpegel abhängig ist, wurden
für unterschiedlich hohe Schalldruckpegel
unterschiedliche Bewertungskurven definiert:
A-Bewertung: entspricht den Kurven gleicher
Lautstärkepegel bei ca. 20-40 dB
B-Bewertung: entspricht den Kurven gleicher
Lautstärkepegel bei ca. 50-70 dB
C-Bewertung: entspricht den Kurven gleicher
Lautstärkepegel bei ca. 80-90 dB
D-Bewertung: entspricht den Kurven gleicher
Lautstärkepegel bei sehr hohen Schalldrücken
(Verwendung bei Fluglärm)
Bewertete Pegel werden durch den entsprechenden
Buchstaben der Frequenzbewertung gekennzeichnet.
Z. B. wird ein A-bewerteter Schalldruckpegel LpA oder
Schallleistungspegel LWA in dB(A) angegeben.
A-Bewertung
Psychoakustische Kenngrößen sind Empfindungsgrößen, die die
Eigenschaften des menschlichen Gehörs berücksichtigen. Dadurch bilden
diese Parameter eine sinnvolle Ergänzung zur physikalischen Messtechnik
und zur subjektiven Beschreibung von Geräuschen. Zu diesen Größen
zählen z.B.:





die
die
die
die
die
Lautheit
Schärfe
Rauhigkeit
Tonhaltigkeit
Schwankungsstärke
Psychoakustische Kenngrößen Hintergrundinformationen
Bei der Wahrnehmung von Geräuschen
analysiert das menschliche Gehör zu jedem
Zeitpunkt den Schall hinsichtlich der auftretenden
Frequenzen. Je nach Frequenzzusammensetzung
des Geräusches treten dabei unterschiedliche
Phänomene auf, die durch die
psychoakustischen Parameter näher
beschrieben werden können.
Im Bild ist die Wirkungsweise von
Maskierungseffekten dargestellt.
Ist zum Beispiel ein 1-kHz-Ton mit
einem Schallpegel von 80 dB
anwesend, so kann ein 2-kHz-Ton von
40 dB nicht mehr wahrgenommen
werden. Das heißt, der 2-kHz-Ton kann
fortgelassen werden, ohne dass ein
Mensch diesen Unterschied hört.
Tritt zusammen mit einem 1-kHz-Ton
von 80 dB ein 2-kHz-Ton von 60 dB auf,
kann man beide Töne wahrnehmen.
Aber man kann diesen 2-kHz-Ton mit
sehr schlechter Qualität übertragen:
Selbst Störgeräusche von 40 dB
können vom Menschen nicht mehr
wahrgenommen werden.
Zur Beschreibung der
wahrgenommenen Lautstärke wird
in nahezu allen bestehenden
Vorschriften und Richtlinien der Agewichtete Schalldruckpegel
verwendet.
Die psychoakustische Größe
Lautheit stellt jedoch das
geeignetere Maß zur
Lautstärkeeinstufung dar, da
dieser Parameter der Physiologie
des menschlichen Gehörs (z.B.
durch Berücksichtigung von
Maskierung) besser angepasst ist.
Lautheit [sone]
Diese Maskierungseffekte sind durch die
Mechanik des menschlichen Innenohrs
bedingt. Im Innenohr wird durch den
Schall die Basilarmembran zum
Schwingen gebracht. Jede Tonhöhe führt
an einer anderen Stelle der
Basilarmembran zur Resonanz, d.h. zu
besonders starken Bewegungen. Diese
Bewegungen werden von Nervenzellen,
die über die Länge der Basilarmembran
verteilt sind, abgetastet und führen so zu
Hörempfindungen unterschiedlicher
Tonhöhen.
Ursache
Die Mechanik des Innenohres ist so, dass hohe
Töne direkt am Anfang der Basilarmembran zu
Resonanzen und somit zur Erregung von
Nervenzellen führen. Nach der Resonanzstelle
werden sie stark abgedämpft und beeinflussen die
für tiefere Töne zuständigen Nervenzellen nicht
mehr. Tiefe Frequenzen müssen aber erst die
gesamte Länge der Basilarmembran
"entlanglaufen", bevor sie zur Resonanz und zur
Erregung der Nervenzellen führen und bevor sie
abgedämpft werden. Dies führt dazu, dass auch
Nervenzellen für hohe und mittlere Tonhöhen die
Bass-Schwingungen mitbekommen. Mittlere Töne
müssen bei Anwesenheit tiefer Töne mindestens
so stark sein, dass sie die Mit-Erregung durch die
Bässe "übertönen".
Ursache
Bei Verfahren zur verlustbehafteten
Audiokompression (z.B. MP3) werden solche
Maskierungseffekte gezielt ausgenutzt, um
Frequenzanteile, die wegen Maskierung zur Zeit
unhörbar sind, für diesen Moment auszufiltern,
oder um Frequenzbereiche, die teilweise maskiert
werden, mit geringerer Qualität (d.h. mit
geringerer Datenrate) zu übertragen.
Anwendung
Die normale Frequenzskala ist für die Beschreibung der
Prozesse im inneren Ohr nicht geeignet. Es passt nicht zur
Schnecke im Ohr – weder in linearer noch in logarithmischer
Skalierung, daher wird eine Einteilung des wahrnehmbaren
Frequenzbereiches in 24 kritische Bänder (Frequenzgruppen)
mit linearer Skala eingeführt. Die Einheit der Frequenzgruppen
ist BARK. Die Skala entspricht der Segmentlängen-Aufteilung
im Innenohr.
Bark-Skala
Das liegt daran, dass das Geräusch der
Industriemaschine sehr breitbandig ist,
das des Föns jedoch relativ
schmalbandig.
Bei gleichem Pegel wirken breitbandige
Geräusche lauter als schmalbandige.
60 dB(A)
Fön
7,5 sone
60 dB(A)
Industriemaschine
Wie aus den Messwerten abzulesen ist,
bildet die berechnete Lautheit diese
Empfindung gut nach.
Lautheit Beispiele
13 sone
Sind die Frequenzen von zwei wahrgenommenen Tönen nur
wenig verschieden, so nimmt man Schwankungen der
Amplitude bzw. Modulationen wahr, die man als Schwebungen
bezeichnet.
Bis zu einer Modulationsfrequenz von ca. 13 Hz hat man den
Eindruck, dass das Geräusch regelmäßig seine Lautstärke
ändert, also periodisch lauter und leiser wird. Man spricht
hierbei von Schwankungsstärke.
Die Schwankungsstärke ist bei einer Modulationsfrequenz von
4 Hz am stärksten ausgeprägt.
Schwankungsstärke
Fmod=16Hz
Fmod=1Hz
Fmod=2Hz
0,4 vacil
0,5 vacil
0,8 vacil
Fmod=4Hz
Fmod=30Hz
Fmod=8Hz
1 vacil
0,1 vacil
0,8 vacil
Schwankungsstärke Beispiele
Ein Geräusch wird als zunehmend schärfer empfunden, je größer der
Anteil an hohen Frequenzen in der spektralen Zusammensetzung des
Geräusches ist.
Die Schärfe ist eine der wichtigsten psychoakustischen
Empfindungsgrößen, da sie einen erheblichen Einfluss auf die
wahrgenommene Unangenehmheit von Schallreizen hat.
Beispiele für scharfe Geräusche:
-
Kreischen einer Kreissäge
Zahnarztbohrer
zischende Ventile
Schleifgeräusche
Schärfe
Beispiele für „scharfe Geräusche“
Gebläse
Druckluft
Liegt die Modulationsfrequenz im Bereich von ca.
13 bis ca. 200 bis 300 Hz, so stellt sich die
Empfindung der Rauhigkeit ein.
Den stärksten Rauhigkeitseindruck hat man bei
einer Modulationsfrequenz von ca. 70 Hz.
Rauh klingende Geräusche verursachen im
allgemeinen einen unangenehmen Höreindruck.
Beispiele für rauhe Geräusche:
-Brummen vom Rasierapparat
-Nageln vom Diesel
-gesprochenes rollendes R
Ist der Frequenzabstand der beiden Töne noch
größer als 200 bis 300 Hz, so nimmt man
allmählich zwei getrennte Töne wahr.
Rauhigkeit
Im nebenstehenden Beispiel
werden jeweils zwei Sinustöne der
Frequenzen F1 und F2
nacheinander dargeboten. Für
einen geübten Hörer ist eine leichte
Änderung der Tonhöhe bemerkbar.
Werden beide Töne jedoch
gleichzeitig dargeboten, so entsteht
eine Schwebung mit der
Schwebungsfrequenz |F1 - F2|, die
die Verstimmung der beiden Töne
deutlich macht.
Rauhigkeit Beispiele
F1= 400 Hz
F2= 401 Hz
F1= 400 Hz
F2= 403 Hz
F1= 400 Hz
F2= 410 Hz
Die Frequenzabstände
zwischen den beteiligten
Tönen werden erhöht, so
dass der Übergang der
Empfindungen
SchwebungRauhigkeitWahrnehmung zweier
getrennter Töne
deutlich wird.
Schwebung
F1= 400 Hz
F2= 403 Hz
Rauhigkeit
F1= 400 Hz
F2= 440 Hz
Wahrnehmung zweier
getrennter Töne
F1= 400 Hz
F2= 600 Hz
Schwebung- RauhigkeitWahrnehmung zweier getrennter Töne
Enthält ein Geräusch einen einzelnen deutlich
wahrnehmbaren Ton oder mehrere tonale
Komponenten, spricht man von Tonhaltigkeit.
In der Regel verstärken tonhaltige Geräusche den
unangenehmen Schalleindruck. Daher werden in Meßund Beurteilungsverfahren bei solchen Geräuschen
Zuschläge zum Schallpegel erhoben (siehe z.B. DIN
45681 Entwurf). Beispiele für tonhaltige Geräusche:
- pfeifender Fön
- Sirenen
- heulender Wind
Tonhaltigkeit
Wenig tonal
Tonalität Beispiele
Tonal
Die Bestimmung der
psychoakustischen Kenngrößen
liefert also einen den Eigenschaften
des menschlichen Gehörs
angepassten Satz von Parametern,
mit denen sich die Wahrnehmung
von Signalen besser beschreiben
lässt als mit rein physikalischen
Messgrößen.
Vorteile
Psychoakustische Parameter reagieren sensibler auf
bestimmte Geräuschveränderungen als die üblichen
Pegelmaße. Sie lassen sich daher auch zur
Qualitätskontrolle einsetzen. Die Kenntnis sowohl der
objektiven physikalischen und psycho- akustischen
Parameter als auch der subjektiven Beschreibungen der
Wirkungen von Geräuschen ist Voraussetzung, um
durch Sounddesign eine Verbesserung der
Geräuschqualität vornehmen zu können!
Qualitätssicherung
Die Psychoakustik bildet somit eine
sinnvolle Ergänzung der objektiven
Beschreibung von Geräuschen, mit
deren Hilfe sich die subjektive
Wirkung von Schallreizen auf den
Menschen näher erklären läßt.
Zusammenfassung
Geräusche bei 100 km/h
Luxusklasse
Mittelklasse
Kleinwagen
Kleinstklasse
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