Einführung in die Akustik und ihr Teilgebiet der Psychoakustik

Die Definition des Schalldruckpegels 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 Größe des Schalldruckpegels  wurde eingeführt, damit man den Wertebereich des Schalldrucks, den das Gehör verarbeiten kann, mathematisch sinnvoll handhaben und darstellen kann. 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. 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 - Hintergrundinformationen 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 Lautheit die Schärfe die Rauhigkeit die Tonhaltigkeit die Schwankungsstärke Psychoakustische Kenngrößen - Hintergrundinformationen

Zur Beschreibung der wahrgenommenen Lautstärke wird in nahezu allen bestehenden Vorschriften und Richtlinien der A- gewichtete 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]

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.

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. 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 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. Wie aus den Messwerten abzulesen ist, bildet die berechnete Lautheit diese Empfindung gut nach. 60 dB(A) Fön 7,5 sone 60 dB(A) Industriemaschine 13 sone Lautheit Beispiele

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

Schwankungsstärke Beispiele Fmod=16Hz 0,4 vacil Fmod=1Hz 0,5 vacil Fmod=2Hz 0,8 vacil Fmod=4Hz 1 vacil Fmod=30Hz 0,1 vacil Fmod=8Hz 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 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. F1= 400 Hz F2= 401 Hz F1= 400 Hz F2= 403 Hz F1= 400 Hz F2= 410 Hz Rauhigkeit Beispiele

Schwebung- Rauhigkeit- Wahrnehmung zweier getrennter Töne Die Frequenzabstände zwischen den beteiligten Tönen werden erhöht, so dass der Übergang der Empfindungen Schwebung- Rauhigkeit- Wahrnehmung 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- Rauhigkeit- Wahrnehmung 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 Meß- und 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 Tonal Tonalität Beispiele

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