Psychoakustik und Raumakustik

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1 Psychoakustik und Raumakustik Grundlagen der Akustik DIN Psychoakustik Prof. Dr.-Ing. K. Genuit HEAD acoustics GmbH Ebertstraße 30a, Herzogenrath Tel: Fax:

2 Aufgaben des Gehörs Prof. Dr.-Ing. Klaus Genuit Psychoakustik und Raumakustik

3 Anmerkungen zur Klassenraumakustik Geringer Störgeräuschpegel Für den Unterricht ist eine gute Sprachverständlichkeit erforderlich: Eine geringe Sprachverständlichkeit führt zu einer erhöhten Sprecherlautstärke In halliger Umgebung führt das zu einer Erhöhung der Gesamtlautheit, was der Verbesserung der Sprachverständlichkeit entgegenwirkt Deckenreflexionen sind notwendig für eine gute Sprachverständlichkeit von vorne nach hinten Zuviel Absorption kann die Sprachverständlichkeit ungünstig verringern Auch wenn für die Sprachverständlichkeit die tieffrequenten Anteile der Sprache nicht erforderlich sind, sollte die Nachhallzeit für Frequenzen unterhalb 125 Hz möglichst klein sein 3

4 Hörfläche Prof. Dr.-Ing. Klaus Genuit Psychoakustik und Raumakustik

5 A-Bewertung Prof. Dr.-Ing. Klaus Genuit Psychoakustik und Raumakustik

6 A-Bewertung Hintergrund Anlehnung an Lautstärkeempfinden des menschlichen Ohres Beschreibt Abschwächung eines Signals entsprechend dem eines elektrischen Filters Normung nach DIN 653 Entspricht den Isophone-Kurven im niedrigen Schallpegelverlauf (bis 40 Phon) da Lärm in der Regel hohe Schallpegel aufweist, bei denen die Frequenzabhängigkeit des Ohres weniger stark ist, erscheint Verwendung A-Bewertung nicht sinnvoll dennoch basieren Grenzwertangaben in der heutigen Gesetzgebung im Wesentlichen auf A-bewertete Pegel Dazu versucht man mit semipauschalen Zuschlägen wahrnehmungsrelevante Effekte zu berücksichtigen (Impulshaltigkeit, Informationsgehalt, ) 6

7 Schallpegelmessverfahren A-Bewertung entspricht etwa der Isophone von 40 Phon Zeitkonstanten bei der Effektivwertbildung: fast: slow: impulse: 125 ms 1000 ms 35 ms Anstiegszeit Anmerkung: das Gehör hat eine Integrationszeitkonste in Abhängigkeit der Frequenz bis zu 2 ms! Tauglichkeit der Pegelmessungen als Maß für die Lautstärke, um bei hohen Pegeln eine mögliche Schädigung des Gehörs vorherzusagen. db(a) Werte sind nicht geeignet, Belästigung durch Lärm, Geräuschqualität und Sprachverständlichkeit zu beschreiben. Prof. Dr.-Ing. Klaus Genuit Psychoakustik und Raumakustik

8 Gleicher Pegel Unterschiedliche Lautheit 8

9 Terzanalyse Ein Terzfilter oder 1/3-Oktavfilter ist eine bestimmte Form eines elektrischen Filters mit konstanter relativer Filterbreite, was eine gute Approximation an das Filterbanksystem des menschlichen Gehörs entspricht Terzfilter für elektroakustische Messungen sind nach DIN EN genormt, wobei u.a. die Grenzfrequenzen f u und f o, die Mittenfrequenzen f m sowie die Bandbreite B bzw. der Gütefaktor Q festgelegt sind. Die meisten elektroakustischen Messungen werden mit Filtern und Normfrequenzen der Reihe B nach DIN EN ISO 266 ausgeführt, bei denen die Frequenz f = 1000 Hz als Mittenfrequenz vorkommt. Prof. Dr.-Ing. Klaus Genuit Psychoakustik und Raumakustik

10 Geräusche im Vergleich Zeitdaten und Terzspektrum von zwei Geräuschen Ähnliche Terzpegel und Gesamtschalldruckpegel (lin) 10

11 L/dB[SPL] L/dB[SPL] L/dB[SPL] Geräusche im Vergleich 3rd Octave Spectrum 80 Noise f/hz k Vergleichbar: Schalldruckpegel Terzspektrum Impulse f/hz k Sehr unterschiedliche Geräuscheindrücke Diesel f/hz k

12 DIN Hörsamkeit in kleinen bis mittelgroßen Räumen Acoustical quality in small to mediumsized rooms Acoustique des petits et moyens espaces Prof. Dr.-Ing. Klaus Genuit Psychoakustik und Raumakustik

13 DIN Die akustische Qualität eines Raumes im Sinne der Aufgabenstellung dieser Norm wird wesentlich von der Raumanordnung im Gebäude, der Schalldämmung seiner Umfassungsbauteile, der Geräuschentwicklung haustechnischer Anlagen sowie der Raumform- und Raumgröße (Primarstruktur) und der Oberflächenbeschaffenheit der Raumbegrenzungsflachen und Einrichtungsgegenstande (Sekundarstruktur) bestimmt. Die Dimensionierung und die räumliche Verteilung schallabsorbierender und schallreflektierender Flachen im betrachteten Raum sind dabei wesentliche Einflussgrößen. Sie legt die akustischen Anforderungen und Planungsrichtlinien zur Sicherung der Hörsamkeit vorrangig für die Sprachkommunikation einschließlich der dazu erforderlichen Maßnahmen fest. 13

14 DIN Die Grundlage für eine gute Hörsamkeit bilden außer architektonisch gestalterischen Aspekten und dem Umgebungskomfort das akustisch aufeinander abgestimmte Zusammenwirken von Raumgeometrie, - größe und -ausstattung und Gesamtstörschalldruckpegel. Für eine optimal funktionierende Sprachkommunikation über mittlere und größere Entfernungen müssen bei geringer bis mäßiger Sprechanstrengung des Sprechers (normal bis angehobener Sprechweise) möglichst viel Direktschall und deutlichkeitserhöhende Anfangsreflexionen bis ( ) ms vom Sprecher zum Hörer geleitet werden. Reflexionen größer 50 ms werden als störende Refelxion wahrgenommen. Anzustreben ist dazu eine weitgehende Reduzierung der Beeinträchtigungen: durch längeren störenden Nachhall, langverzögerte energiereiche Reflexionen Störgeräusche 14

15 Bereich der Nachhallzeit für Sprache Prof. Dr.-Ing. Klaus Genuit Psychoakustik und Raumakustik

16 Was ist subjektiv, was ist objektiv? Wahrnehmung sagt : Analyse zeigt: A und B sind unterschiedlich A und B sind identisch Prof. Dr.-Ing. Klaus Genuit Psychoakustik und Raumakustik

17 Definition Psychoakustik Die Psychoakustik befasst sich mit der Schallwahrnehmung des menschlichen Gehörs, sie umfasst die gehörrichtige Aufnahme mit einem Kunstkopf-Messsystem und der gehörgerechten Analyse von Schallereignissen. Unter Berücksichtigung des kognitiven Aspekts von Geräuschen ermöglicht die Psychoakustik die Beschreibung der Transformation von einem Schallereignis in ein Hörereignis. Die Psychoakustik beschreibt die Zusammenhänge zwischen physikalischen Reizen und den durch sie hervorgerufenen Empfindungen. E. Zwicker 17

18 Was ist Psychoakustik? In der Akustik wird von der Schallquelle ausgegangen: Was für Signale, was für Amplituden, was für Schwingungen/Frequenzen, welche Energie? Die Psychoakustik stellt den Empfänger (den Menschen) in den Mittelpunkt der Betrachtung: Welche Lautheit, Schärfe, Rauigkeit, Tonalität, Lästigkeit werden empfunden? Was sind die Erwartungen, Einstellungen, Erfahrungen der Betroffenen? 18

19 Aufgaben der Psychoakustik Im Mittelpunkt steht die Wahrnehmung von Schallereignissen Wie nimmt das Gehör Schall auf Art und Weise der Analyse im Innenohr Verarbeitung und Auswertung im Gehirn Objektive Beschreibung der subjektiv wahrgenommenen Geräuschqualität Besser, richtiger: Instrumentelle, analytische Beschreibung der perzeptiv, auditiv wahrgenommenen Geräuschqualität Wie erfolgt die Transformation von einem Schallereignis (Physik) zu einem Hörereignis (Psychologie)? 19

20 Anwendung Psychoakustik Die praktischen Hauptanwendungen der Erkenntnisse aus der Psychoakustik liegen seit über 30 Jahren im Bereich der Automobilindustrie Vornehmlich bei der Analyse der Fahrzeuginnenraumakustik, weil hier keine gesetzlichen, sondern umsatzorientierte Anforderungen bestehen Von daher liegen aus diesem Bereich zahlreiche praktische Erfahrungen vor, wie Geräusche von Motor, Reifen, Wind und diversen Hilfsaggregaten psychoakustisch zu analysieren sind. Die Anwendung der Psychoakustik innerhalb der Raumakustik liegt noch in den Anfängen. 20

21 Was ist Psychoakustik? Menschliche Gehör Geräuschereignis Hörereignis Sound Physik Psychoakustik Psychologie 21

22 Übersicht Psychoakustische Parameter Lautheit: Schärfe: Rauigkeit: Berücksichtigung der Frequenzaufteilung und der Maskierungseigenschaften im Gehör DIN , ISO 532 B (Einheit: sone) Gewichtetes erstes Moment der Tonheitsverteilung der spezifischen Lautheit, Verhältnis der höherfrequenten Spektralanteile zur Gesamtlautheit (acum) Zeitliche Struktur des Schallsignals, Modulationsgrad und Pegeldifferenz bestimmen die Rauigkeit Amplituden-, Frequenzmodulation (asper) Schwankungs- Zeitliche Struktur des Schallsignals, Modulationsgrad stärke: und Pegeldifferenz bestimmen die Rauigkeit (vacil) 22

23 Zeitvariante Lautheit DIN 45631/A1 Officially DIN website 23

24 Abhängigkeiten der Lautheit Frequenz Töne mit gleichem Pegel aber unterschiedlicher Frequenz werden nicht gleich laut wahrgenommen Spektrale Verteilung Breitbandige Schalle wirken lauter als schmalbandige bei gleichem Pegel Pegel Pegeländerungen führen nicht im gleichen Maße 1:1 zu Lautheitsänderungen Simultan-Verdeckung Bei gleichem Pegel ändert sich die Lautheit durch unterschiedliche Verdeckungen im Spektralbereich Vor- und Nachverdeckung Die zeitliche Struktur wirkt sich auf die Lautheit aus Zeitliche Dauer Die Lautheit nimmt mit der Dauer der Empfindung zu, erst nach ca. 1 Sekunde wird die endgültige Lautheit erreicht 24

25 Schärfe Officially DIN website 25

26 DIN Schärfe Spezifische Lautheit S 0,11 z 24 Bark z 0 mit g( z) 1 N'( z) z 24 Bark für z 0 g( z) Gewichtsfunktion z /Bark N'( z) dz z 15,8 Bark dz Frequenzgruppe acum Gesamtlautheit g( z) 0,15 e 0,42 ( z / Bark 15,8) 0,85 für z 15,8 Bark Vergleich der Gewichtsfunktionen g(z) DIN ( )und g(z) von Bismarck (---) 26

27 Schärfe 27

28 Lästigkeit von Rauschsignalen: Gegenspiel von Lautheit und SChärfe gleicher db(a) Selbst wenn Rosa Rauschen doppelt so laut ist wie Weißes Rauschen beurteilen 20% der Hörer Weißes Rauschen als lästiger 0dB +2 db +4 db +6 db +8 db +10 db +12 db 28

29 Definition der Rauigkeit Hüllkurvenschwankungen mit Frequenzen zwischen 20 Hz und 300 Hz werden als Rauhigkeit empfunden. Die Rauigkeit hängt ab von der Mittenfrequenz, der Modulationsfrequenz, des Modulationsgrades und in einem geringen Maße von dem Pegel. Frequenzmodulierte Töne erzeugen eine ähnliche Rauigkeit wie amplitudenmodulierte. Als Bezugssignal mit der Rauigkeit R = 1 asper wurde ein sinusförmig amplitudenmodulierter 1 khz Ton mit m = 1, f mod = 70 Hz und dem Pegel 60 db gewählt. Prof. Dr.-Ing. Klaus Genuit Psychoakustik und Raumakustik

30 Definition der Schwankungsstärke Als Bezugssignal mit der Schwankungsstärke F = vacil wurde ein sinusförmig amplitudenmodulierter 1 khz Ton mit m = 1, f mod = 4 Hz und dem Pegel 60 db gewählt. Die Schwankungsstärke hängt also vom Pegel L, Modulationsgrad m (Modulationstiefe d) und Modulationsfrequenz f mod ab Die Schwankungsstärke ist nicht standardisiert, die Berechnungsmethode ist daher zu vereinbaren. Die Einheit ist vacil. Signale mit großer Schwankungsstärke sind störender als solche mit großer Rauigkeit. Prof. Dr.-Ing. Klaus Genuit Psychoakustik und Raumakustik

31 Modulationen, Gemisch von Tönen 31

32 Pegelabhängigkeit der Psychoakustik db Pegel Lautheit N5 sone Rauigkeit casper Schärfe DIN acum 0 100,0% 100,0% 100,0% 100,0% -6 50,0% 68,8% 84,4% 99,1% ,0% 47,0% 70,3% 96,5% ,5% 31,9% 59,4% 96,5% 32

33 Perzeptive Geräuschbewertung Hörversuche bilden eine wichtige Basis für Bestimmung optimaler Geräuschqualität Benchmarktests Tests mit verschiedenen alternativen Lösungen Sprachverständlichkeit Raum- und Bauakustik Hörversuche sind unentbehrlich für Produktentwicklung Sound Design Forschung Zielorientierte Produktoptimierung 33

34 Das Prinzip der kopfbezogenen Stereofonie Prof. Dr.-Ing. Klaus Genuit Psychoakustik und Raumakustik

35 Vergleich: Konventional / Binaural Das Außenohr ist ein Richtungsfilter, das den Schalldruck im Bereich von +15/-30 db, in Abhängigkeit von Frequenz und Schalleinfallsrichtung wichtet Das menschliche Gehör hat zwei Eingänge: Binaurale Signalverarbeitung Richtungshören, Selektivität, Geräuschunterdrückung Von daher ist die Kunstkopftechnologie für raumakustische Untersuchungen zu empfehlen Prof. Dr.-Ing. Klaus Genuit Psychoakustik und Raumakustik

36 Definition Lärm Palmerston Lärm ist eben kein Lärm, sondern Schall, der zur falschen Zeit am falschen Ort zu hören ist. Guski WHO Lärm ist Schall der für Betroffene unerwünscht ist oder geeignet sie psychisch, physisch, sozial oder ökonomisch zu beinträchtigen. Lärm ist jede Art von Schall, der stört, belästigt oder die Gesundheit beeinträchtigen kann. Arbeitsring Lärm der DEGA Lärm ist ein bewertender Begriff, den man deshalb nicht messen kann. 36

37 Lärmbelästigung Welche der vorhandenen Schallquellen verursacht eine Belästigung? (Selektion) Welche Signaleigenschaften wie Modulation oder Muster im Zeit- oder Frequenzbereich sind unangenehm, auffällig, lästig (Psychoakustik) Welche Informationen liefert die jeweilige Schallquelle? (Kognitiver Aspekt) Welche Einstellung bzw. Erwartungshaltung haben die Betroffenen? (Psychologie) 37

38 Problemstellung Beurteilung einer akustischen Umwelt ist mehrdimensional Überlagerung von mehreren Schallquellen ist nicht problemlos vorhersagbar Entfernungsabhängigkeit und räumliche Verteilung sind sehr komplex zu bestimmen Psychologische und kognitive Aspekte sind messtechnisch schwer oder nicht zu beschreiben, insbesondere kaum berechenbar Frage: wie genau oder richtig ist der Lärm zu bestimmen? Lärm kann nicht gemessen werden! Lärm kann nicht gerechnet werden! Eine gute Akustik sollte daher gehört werden! 38

39 Anwendung Psychoakustik auf die Raumakustik Prof. Dr.-Ing. Klaus Genuit Psychoakustik und Raumakustik

40 Impulsantwort eines halligen Raumes Prof. Dr.-Ing. Klaus Genuit Psychoakustik und Raumakustik

41 Musik in einem halligen Raum Prof. Dr.-Ing. Klaus Genuit Psychoakustik und Raumakustik

42 Lautheit und Schärfe im Vergleich Mit Hall lauter, aber dumpfer Prof. Dr.-Ing. Klaus Genuit Psychoakustik und Raumakustik

43 Beispiel: Sprache Prof. Dr.-Ing. Klaus Genuit Psychoakustik und Raumakustik

44 Sprache mit Reflexionen um 100 ms Prof. Dr.-Ing. Klaus Genuit Psychoakustik und Raumakustik

45 Sprache mit Nachhall Prof. Dr.-Ing. Klaus Genuit Psychoakustik und Raumakustik

46 Pegel und Terzspektrum sind gleich Prof. Dr.-Ing. Klaus Genuit Psychoakustik und Raumakustik

47 Lautheit und Schärfe ändern sich durch Nachhall Prof. Dr.-Ing. Klaus Genuit Psychoakustik und Raumakustik

48 Änderung der Schwankungsstärke (Einhüllende der Sprache) Prof. Dr.-Ing. Klaus Genuit Psychoakustik und Raumakustik

49 Wenig Aussagekraft des Artikulationsindexes AI Prof. Dr.-Ing. Klaus Genuit Psychoakustik und Raumakustik

50 Geringe Aussagekraft durch Sprachverständlichkeit Prof. Dr.-Ing. Klaus Genuit Psychoakustik und Raumakustik

51 Auswirkungen von Dämpfungen Prof. Dr.-Ing. Klaus Genuit Psychoakustik und Raumakustik

52 Zusammenfassung Das menschliche Gehör ist ein äußerst leistungsfähiges Empfangs- und Signalverarbeitungssystem, dessen Signalverarbeitung hochkomplex ist Die Menschen beurteilen Geräusche weitestgehend unabhängig vom A-bew. Pegel Geräuschqualität, Lärmbelästigung und Raumakustik können nicht mit der herkömmlichen Schallmesstechnik bestimmt werden Analyse von Schallereignissen ist komplex und mehrdimensional -> erst einmal Hinhören! Hinhören auf die Akustik Hinhören auf die Beschreibungen der Betroffenen 52

53 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Prof. Dr.-Ing. Klaus Genuit Psychoakustik und Raumakustik