Bedeutung der Psychoakustik für Untersuchungen im Soundscape. Prof. Dr.-Ing. Klaus Genuit HEAD acoustics GmbH

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1 Bedeutung der Psychoakustik für Untersuchungen im Soundscape Prof. Dr.-Ing. Klaus Genuit HEAD acoustics GmbH

2 Von der Bedeutung des Hörsinns "Des Menschen Geist wohnt in den Ohren: Wenn er etwas Gutes höret, so erfüllet er den Leib mit Wohlgefallen; höret er aber das Gegenteil, so brauset er auf." Xerxes I. 2

3 SoundScape Interdisziplinärer Ansatz zur Erfassung von Umweltgeräuschqualität Holistischer, disziplinübergreifender Ansatz zur qualitativen Erfassung der akustischen Umwelt nach Murray R. Schafer 3

4 ISO Soundscape Standard DIS Definition des Begriffes Soundscape acoustic environment as perceived and experienced and understood by people, in context Berücksichtigung des Kontexts The context includes the interrelationships between person and activity and place, in time and space. It may influence soundscape at three levels: (1) the auditory sensations, (2) the interpretation of the auditory sensations, and (3) the responses to the acoustic environment 4

5 ISO/CD Methods and Measurements ISO on soundscape was developed in order to enable a broad international consensus and to provide a foundation for communication across disciplines and professions with an interest in soundscape. ISO provides the definition of and a conceptual framework for the term soundscape. ISO provides the methods and measurements in soundscape studies. The Soundscape concept was adopted as an approach to provide a more holistic evaluation of noise and its effects on the quality of life. Soundscape suggests exploring all of the sound in an environment in its complexity, ambivalence, meaning and context considering the conditions and purposes of its production and perception. Soundscape research represents a paradigm shift in the field of environmental sound evaluation. It firstly relies upon human perception and then turns to physical measurement. The Soundscape technique uses a variety of investigation techniques, taxonomy and measurement methods. This is a necessary protocol to approach a subject or phenomenon, to improve the validity of the research or design outcome and to reduce the uncertainty of relying only on one approach. The Soundscape approach maximizes the use of available resources, such as affected stakeholders. 5

6 Analysator Gehör 6

7 Problemstellung: SoundScape Messung Beurteilung einer akustischen Umwelt ist mehrdimensional Überlagerung von mehreren Schallquellen ist nicht problemlos vorhersagbar Entfernungsabhängigkeit und räumliche Verteilung sind unklar Psychologische und kognitive Aspekte sind messtechnisch schwer oder nicht zu beschreiben Frage: genau oder richtig? 7

8 Soundscape natürliche Geräusche technische Geräusche Wind Wasser Tiere Verkehr Freizeit Arbeitswelt Eine Klanglandschaft ist [...] keine objektiv existierende Gegebenheit (eine Klanglandschaft kann nicht überflogen und fotografiert werden), sondern eine von der menschlichen Wahrnehmung konstituierte Kulturlandschaft. (A. Lorenz: Klangalltag-Alltagsklang) SoundScape ist die komplexe Überlagerung von natürlichen und technischen Geräuschen SoundScape kann durch Entfernen, Verändern oder aber durch Hinzufügen von Schallereignissen gestaltet werden (Klangökologie, Akustikdesign) 8

9 Lärmbelästigung <-> SoundScape Welche der vorhandenen Schallquellen verursacht eine Belästigung? (Selektion) Welche Signaleigenschaften wie Modulation oder Muster im Zeitoder Frequenzbereich sind unangenehm, auffällig, lästig (Psychoakustik) Welche Informationen liefert die jeweilige Schallquelle? (Kognitiver Aspekt) Welche Einstellung bzw. Erwartungshaltung haben die Betroffenen? (Psychologie) 9

10 Einflussgrößen Moderatoren: Individuelle Disposition (Gesundheitszustand, Anamnese) Einstellung zur Quelle Erwartungshaltung Situative Merkmale Kompensationsmöglichkeiten Sensibilisierung Tageszeit Ortsüblichkeit Quellenmerkmale 10

11 Problem: Leiser SoundScape Je kleiner der A-bew. Schalldruckpegel, desto mehr werden Muster im Zeit- und Frequenzbereich störend wahrnehmbar Das Gehör adaptiert sich an die Geräuschumwelt und empfindet Änderungen im Zeit- oder Frequenzbereich als unangenehm Teilweise planerische Ansätze, bei denen Störgeräusche durch neutrale Geräusche maskiert werden (z.b. Springbrunnen) 11

12 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 12

13 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? 13

14 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)? 14

15 Übersicht Psychoakustische Parameter Lautheit: Schärfe: Rauigkeit: Berücksichtigung der Frequenzaufteilung und der Maskierungseigenschaften im Gehör DIN , ISO 532 (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) 15

16 Zeitvariante Lautheit DIN 45631/A1 Officially DIN website 16

17 Schärfe Officially DIN website 17

18 Modulationen, Gemisch von Tönen Geräusch Frequenz / Hz Modulationsfrequenz / Hz Schwankung Rauigkeit &

19 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% 19

20 Entfernungsabhängigkeit 20

21 Bedeutung der binauralen Signalaufnahme Binaurales Hören ermöglicht Richtungserkennung Störgeräuschunterdrückung, Reduzierung von Nachhall Selektives Hören Binaurale Lautheit ist abhängig von der Verteilung der Schallquellen Der menschliche Kopf verändert das Schallfeld, eine seitliche Schallquelle ist lauter als eine von vorne 21

22 Richtungsabhängige Pegeländerung Kunstkopf, linkes Ohr Mess-Mikrofon Weißes Rauschen um den Kopf bewegt 22

23 Selektivität Das menschliche Gehör ist in der Lage, je nach räumlicher Position, zeitlichen und spektralen Mustern 5 bis 7 Schallquellen zu separieren und einzeln zu analysieren Darüber hinaus wird nur ein komplexes Gesamtgeräusch wahrgenommen und ganzheitlich bewertet Das bedeutet, die Beurteilung von Geräuschszenarien ist situationsabhängig 23

24 Abhörstudio für Hörversuche 24

25 gleicher Pegel, unterschiedliche Lautheit unterschiedliche Rauigkeit, die Summe ist insgesamt geringer unterschiedliche Schärfe, die Summe ist geringer SoundScape 25

26 Vorbeifahrt eines Fahrzeuges Freifeld, Wiesenfläche, 50 km/h, 2. Gang 7 m 25 m 50 m 100 m 4 Messorte in verschiedenen Entfernungen: 7 Meter 25 Meter 50 Meter 100 Meter 26

27 Wie erwartet: Verdopplung der Entfernung ergibt die Halbierung des Schalldruckes Im Gegensatz zum Pegel: die Verdopplung der Entfernung führt nicht zu einer Halbierung der Lautheit Die Reduktion des Pegels führt nicht zu einer eindeutigen Verringerung der Schärfe Die Reduktion des Pegels führt nicht zu einer vergleichbaren Abnahme der Rauigkeit SoundScape 27

28 Modulationsspektrum vs. Frequenz als Funktion der Entfernung 28

29 Fallbeispiel: Lärmkarte Schalldruckpegelkarte Lärm ist unerwünschter Hörschall, der zu Störungen, Belästigungen oder Schäden führen kann (DIN 1320) Die Belästigung durch Schall stellt die individuell bewertete Beeinträchtigung durch eine Schalllast dar (DIN 1320) D.h. es geht neben dem Verhüten von pathogenen Gesundheitsschäden gleichermaßen um das Vermeiden von unzumutbaren Belästigungen 29

30 Bedeutung der Lärmkartierung Lärmkartierung basierend auf berechnete A-bewertete Schalldruckpegel ist der erste Schritt in Richtung einer akustisch besseren Umgebung Die Lärmkartierung ist notwendig, aber nicht hinreichend Wenn die Lärmkartierung kritische Bereiche ausweist, so besteht auf jeden Fall ein Handlungsbedarf Die Umkehrung gilt nicht: Wenn berechnete db(a)-werte in einem vermeintlich unkritischen Bereich liegen, können trotzdem Belästigungen durch Lärm vorliegen Letztendlich bedeutet die Lärmkartierung eine db(a)-kartierung, Lärm ist deutlich komplexer 30

31 Veränderung von Parametern mit Zunahme der Entfernung zur Quelle % Behavior of Parameters db(a) in % N in % S in % R in % RA in % Parameter Wenn spezielle Geräuscheigenschaften neben dem gemittelten Schalldruckpegel maßgeblich zur Lästigkeit beitragen, dann ist die entfernungsabhängige Verringerung der Lästigkeit nicht mit dem Abstandsgesetz des Schalldruckpegels kompatibel MP 6 MP 7 MP 8 31

32 Einfluss der Entfernung auf die Charakteristik eines Geräusches Die Veränderungen der dargestellten Parameter mit der Entfernung sind sehr unterschiedlich und teilweise sehr komplex Die Schallenergie nimmt mit wachsender Entfernung ab Dagegen sind spektrale Muster und spezifische zeitliche Strukturen von der Entfernung relativ unabhängig Weder die Schärfe noch die Rauigkeit weisen eine zum Schalldruckpegel vergleichbare Abnahme auf Deshalb kann nicht mit der Reduktion des Schalldruckpegels automatisch eine vergleichbare Verringerung der Belästigung angenommen werden! 32

33 Europäische Aktivitäten OBELICS Objective Evaluation of Interior Car Sound EU Project for better understanding of sound quality and the language of sound SVEN Sound Quality of Vehicle Exterior Noise EU Project for the prediction of exterior sound quality of vehicle with consideration of human hearing QCity Quiet City Transport ( ) Identification and ranking of noise sources of various transportation means Quantitative description of the annoyance of single pass-by events using psycho-acoustic descriptors CityHush Acoustically green road vehicles and city areas ( ) External noise from hybrid electric vehicles Modification and Application of HEAD Visor Technology for pass-by-source Localization 33

34 Aufnahme von Verkehrsgeräuschen U-shaped roundabout 34

35 Einfluss Bebauung und Verkehrsdichte auf physiologische Reaktionen L - Shape U - Shape Quai des Célestins 3000 vh/h Avenue du Gen. Leclerc 3000 vh/h Rue de la Roquette 750 vh/h Rue de la Tombe d Issoire 750 vh/h 35

36 Hautleitfähigkeit, wenig Verkehr Geringe Verkehrsdichte Deutlichere physiologische Reaktion auf das Verkehrsgeräusch L 36

37 Hautleitfähigkeit, hohes Verkehrsaufkommen Hohe Verkehrsdichte Deutlichere physiologische Reaktion auf das Verkehrsgeräusch U 37

38 Bewertung einzelner Geräuschquellen und deren Überlagerung db(a) 70dB(A) 70dB(A) 70dB(A) 70dB(A) 74.8dB(A) 76dB(A) 38

39 Bewertung einzelner Geräuschquellen und deren Überlagerung Lautheit N 5 =42sone N 5 =25sone N 5 =34sone N 5 =39sone N 5 =47sone N 5 =49sone Sehr unterschiedliche Lautheiten 39

40 Bewertung einzelner Geräuschquellen HV im Labor 9,0 Annoyance of Single Sources 8,0 7,0 6,0 6,7 6,1 6,9 6,3 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 Road Traffic Train Aircraft Fountain Annoyance Gleicher A-bewerteter Schalldruckpegel, aber unterschiedliche Bewertungen der Lästigkeit Wie erwartet: Fluglärm am lästigsten und Schienenverkehrslärm an wenigsten lästig 40

41 Bewertung einzelner Geräuschquellen Zusätzlich visuelle Informationen 9,0 8,0 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 Annoyance of Single Sources 6,7 6,7 6,9 6,1 6,3 4,9 Road Traffic Train Aircraft Fountain Annoyance Bei zusätzlichem visuellen Input verändert sich die Lästigkeitsbewertungen: Brunnengeräusche werden positiver bewertet, wohingegen die Lästigkeit einer Zugvorbeifahrt unverändert bleibt Berücksichtigung von Kontexteffekten notwendig 41

42 Bewertung bei Überlagerung von Geräuschquellen 9,0 8,5 8,0 7,5 7,0 6,5 6,0 5,5 5,0 8,0 7,7 7,9 Geringere Lästigkeitsbewertungen 7,6 7,2 7,4 4 Quellen+ Brunnenbild Noch geringere Lästigkeit 74.8 db(a) 76.0 db(a) 74.8 db(a) Road+Train+ Aircraft Fountain+Train+ Aircraft Fountain+Road+ Perceived Loudness Level of Interference Train+Aircraft+Picture Annoyance 7,6 7,0 6,8 Je nach spezifischer Quellenkonstellation und Konnotation der Quellen variieren die Lästigkeitsbewertungen (sogar dem Pegel entgegengesetzt) 42

43 Soundscape-Untersuchung - Methodik Datenerhebung Feldmessungen innen Datenbasis Aufnahmen relevanter Geräuschevents, Langzeitmessungen Analyse Berechnung spezieller Parameter Triangulation Langzeitmessungen Zeitpunkt und Häufigkeit Statistische Analyse Interview Kommentare Qualitative Analyse 43

44 Soundscape 44

45 Umweltakustik - Soundscape 45

46 tire road noise middle frequency range, gearbox of trucks low frequency range, engine orders of trucks 46

47 Reifen-Fahrbahngeräusch Getriebeheuler Die Geräuschmuster bleiben weitestgehend unabhängig von der Entfernung erhalten Motorordnungen LKW The Propagation of Sound What does that mean for the Perception of the Human Hearing? 47

48 SoundScape von NYC Is a time averaged sound level helpful in describing your perception? like 90 db(a)? Can some single values at all describe the specific perception of this scenario? 48

49 New York's Acoustic Signature 49

50 Was wird gehört?? brake squeal bus-stop 90 db(a) New York's Acoustic Signature alarm a time averaged sound pressure level? bells certain sound sources with specific characteristics like? hum engine or a mixture of different sound sources? 50

51 Perception of Multi-Source Acoustic Environments Where you focused on the squeal noise? 51

52 Perception of Multi-Source Acoustic Environments Or where you focused on the permanent hum? 52

53 Perception of Multi-Source Acoustic Environments Or where you focused on the noise of the bells? 53

54 Perception of Multi-Source Acoustic Environments Where you focused on the noise of the sirens? Psychoakustik & Soundscape Different sources with their specific acoustic contributions determine overall assessments How to calcuate/predict superposition effects of sources? 54

55 Zusammenfassung Die Menschen empfinden Geräusche (nahezu) unabhängig vom A-bewerteten Schalldruckpegel Geräuschqualität kann nicht mit herkömmlicher Schallmesstechnik bestimmt werden Die Überlagerung von mehreren Schallquellen ist nicht linear, die Vorhersage von psychoakustischen Größen ist nicht möglich Die Vorhersage der Lästigkeit in Abhängigkeit der Entfernung folgt nicht dem einfachen Abstandsgesetz Zur Vorhersage der Auswirkungen von Umweltgeräuschen benötigen wir mehr Wissen über die Signalverarbeitung im Gehör Änderungen von einzelnen Parametern sind oft bedeutsamer für die empfundene Belästigung als absolute Größen 55

56 Schlussfolgerungen Analyse Soundscape bedarf der interdisziplinären Zusammenarbeit von Akustikern, Psychoakustikern, Medizinern, Soziologen, Psychologen Fühlen sich Menschen in einem Soundscape durch Schall belästigt und der Ingenieur/Gutachter antwortet (nur) mit dem energie-äquivalenten Dauerschallpegel L Aeq, dann ist das Missverständnis vorprogrammiert Hinhören! Auf das Geräusch wie auch auf die Beanstandungen der Betroffenen hören. 56