Schulen und Kitas Stressfaktor Lärm. Klassenräume aus psychoakustischer Sicht. Aufgaben des Gehörs

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1 Herbstworkshop 2015 DEGA-FA Lärm-Wirkungen und Schutz Aufgaben des Gehörs Schulen und Kitas Stressfaktor Lärm Klassenräume aus psychoakustischer Sicht Prof. Dr.-Ing. K. Genuit HEAD acoustics GmbH Ebertstraße 30a, Herzogenrath Tel: Fax:

2 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) 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! 3 4 2

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 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 5 6 3

4 Was ist subjektiv, was ist objektiv? A-Pegel und Terzspektrum Schulhof Wahrnehmung sagt : Analyse zeigt: A und B sind unterschiedlich A und B sind identisch 4

5 A-Pegel und Terzspektrum??????? 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? 10 5

6 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)? Übersicht Psychoakustische Parameter Lautheit: Berücksichtigung der Frequenzaufteilung und der Maskierungseigenschaften im Gehör DIN , ISO 532 (Einheit: sone) Schärfe: Gewichtetes erstes Moment der Tonheitsverteilung der spezifischen Lautheit, Verhältnis der höherfrequenten Spektralanteile zur Gesamtlautheit (acum) Rauigkeit: 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)

7 Zeitvariante Lautheit DIN 45631/A1 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 Officially DIN website

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

9 Definition der Rauigkeit Definition der Schwankungsstärke Hüllkurvenschwankungen mit Frequenzen zwischen 20 Hz und 300 Hz werden als Rauigkeit 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. 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. 9

10 Modulationen, Gemisch von Tönen Pegelabhängigkeit der Psychoakustik Geräusch Frequenz / Hz Modulationsfrequenz / Hz Schwankung Rauigkeit db Pegel Lautheit N5 sone Rauigkeit casper Schärfe DIN acum ,0% 100,0% 100,0% 100,0% ,0% 68,8% 84,4% 99,1% ,0% 47,0% 70,3% 96,5% ,5% 31,9% 59,4% 96,5% 1000 &

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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

14 DIN Bereich der Nachhallzeit für Sprache 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 27 14

15 Anwendung Psychoakustik auf die Raumakustik Impulsantwort eines halligen Raumes 15

16 Musik in einem halligen Raum Lautheit und Schärfe im Vergleich Mit Hall lauter, aber dumpfer 16

17 Beispiel: Sprache Sprache mit Reflexionen um 100 ms 17

18 Sprache mit Nachhall Pegel und Terzspektrum sind gleich 18

19 Lautheit und Schärfe ändern sich durch Nachhall Änderung der Schwankungsstärke (Einhüllende der Sprache) 19

20 Wenig Aussagekraft des Artikulationsindexes AI Geringe Aussagekraft durch Sprachverständlichkeit 20

21 Auswirkungen von Dämpfungen 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 Die Psychoakustik liefert die Basis für ein besseres Verständnis der Akustik -> erst einmal Hinhören! Hinhören auf die Akustik Hinhören auf die Beschreibungen der Betroffenen 42 21

22 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit 22