Diplomarbeit. Michael Cik

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1 Institut für Elektronische Universität für Musik und Technische Universität Graz Institut für Straßen- Musik und Akustik darstellende Kunst Graz und Verkehrswesen Entwicklung eines Lästigkeitsindex für Straßenverkehrslärm Diplomarbeit von Michael Cik durchgeführt am Institut für Elektronische Musik und Akustik der Universität für Musik und darstellende Kunst Graz in Zusammenarbeit mit dem Institut für Straßen- und Verkehrswesen der Technischen Universität Graz Betreuer: o.univ.-prof. Mag. Dipl.-Ing. Dr. Robert HÖLDRICH Graz, Dezember 2005

2 Danksagung Herzlich danken möchte ich Herrn Prof. Dr. Robert Höldrich für die ausgezeichnete fachliche Betreuung bei der Anfertigung dieser Diplomarbeit; dem Institut für Straßen- und Verkehrswesen, unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Martin Fellendorf, für die Nutzung der Infrastruktur und den Mitarbeitern für die inspirierenden Gespräche; Herrn Ass.-Prof. Dr. Kurt Fallast für die fachliche Unterstützung als Projektleiter und für alle seine Anregungen und Hilfestellungen; sowie allen weiteren Personen, die mich im Zusammenhang mit dieser Arbeit fachlich unterstützt und weitergebracht haben, insbesondere Herrn Thomas Musil für die Hilfestellung bei der PD-Programmierung, meinem Bruder Thomas für seine handwerkliche Unterstützung bei der Adaptierung des Psychoakustik-Labors und Hilfe bei den Aufnahmen, meiner Freundin Beate und meinem Vater bei der Unterstützung der Aufnahmen und natürlich bei allen Probanden des Hörversuches. Ein besonderes Dankeschön ergeht an die Auftraggeber des Projektes Lästigkeitsindex für Straßenverkehrslärm - der ASFINAG unter Projektleiter DI Werner Kaufmann, dem BMVIT und dem BMLFUW für die Zurverfügungstellung der finanziellen Mittel zur Realisierung dieser wissenschaftlichen Arbeit. Für ihre Geduld, ihr Verständnis und viele kleine und große Hilfeleistungen danke ich ganz besonders meiner Freundin Beate und meinen Eltern.

3 Zusammenfassung Derzeit wird entsprechend den aktuellen Normen und Rechenvorschriften der Einfluss des Lärms hauptsächlich durch den A-bewerteten energieäquivalenten Dauerschallpegel (L A,eq ) beschrieben. Dieses Maß berücksichtigt zuwenig die subjektive Wahrnehmung und Bewertung von Schallereignissen durch die Betroffenen. Anlässlich des Projektes Lästigkeitsindex für Straßenverkehrslärm am Institut für Straßen- und Verkehrswesen (ISV) an der Technischen Universität Graz soll in Zusammenarbeit mit dem Institut für Elektronische Musik und Akustik (IEM) an der Universität für Musik und darstellende Kunst in Graz ein Instrument geschaffen werden, welches die subjektive Störwirkung des Lärms auf den Menschen repräsentativer beschreibt. Im Rahmen dieses Projektes wurde diese Diplomarbeit als Vorstudie für den Lästigkeitsindex für Straßenverkehrslärm durchgeführt. Es wurde in einer ausführlichen Literaturrecherche herausgefunden, welche Methoden zur Lästigkeit im Straßenverkehr in der wissenschaftlichen Literatur vorliegen. Weiters wurde die Adaptierung des Psychoakustik-Labors für Hörversuche am Institut für Straßen- und Verkehrswesen an der Technischen Universität Graz durchgeführt. Mittels stereofoner Aufnahmetechniken (Kunstkopf Aufnahmetechnik) wurde eine Datenbank für verschiedene Fahrzeuggeräusche in unterschiedlichen Kategorien (Fahrzeugtyp, Geschwindigkeit, Straßenbelag, Verkehrsaufkommen, usw.) erstellt. Durch digitale Signalverarbeitung wurde eine Distanztransformation von Fahrzeugvorbeifahrten modelliert. In der Planung und Durchführung eines psychoakustischen Vorversuches wurden mit einem reduzierten Geräuschensemble und kleiner Anzahl von Versuchspersonen verschiedene Untersuchungen (Test des Setups, Test der Präsentationsform, Skalenniveau, Validität, usw.) durchgeführt und auf Basis psychoakustischer Größen analysiert. Ziel des gesamten Projektes ist es, aus dem Vorversuch, welcher in der Diplomarbeit erarbeitet wurde, einen psychoakustischen Hörversuch mit einer großen Anzahl von Versuchpersonen durchzuführen und daraus abgeleitet einen Lästigkeitsindex für Straßenverkehrslärm zu entwickeln. Entwicklung eines Lästigkeitsindex für Straßenverkehrslärm

4 Abstract At present, according to the current standards and calculation specifications, the impact of the traffic noise is represented by the A-weighted equivalent mean continuous sound pressure level (L A,eq ). In our opinion, this dimension considers too little the subjective perception and evaluation of sound events by the affected. The aim of our study "Index of annoyance for road traffic noise" a co-project of the Technical University of Graz, Institute of Highway Engineering and Transportation Planning with the University of Music and Dramatic Arts of Graz, Institute for Electronic Music and Acoustics was to establish a powerful instrument to describe the subjective interfering effect of the noise on human beings more accurately. In the context of this project this diploma thesis was accomplished as a preliminary study for the "Index of annoyance for road traffic noise". It was found out in a detailed literature search, which methods for the annoyance in the traffic in the scientific literature are present. Further the adaptation of the psychoacoustic laboratory for hearing attempts at the Institute of Highway Engineering and Transportation Planning and traffic accomplished. By means of stereophonic recording technologies (Head Measurement System) became a data base for different vehicle noises in different categories (motor vehicle type, speed, road surfacing, traffic volume, etc.) provided. Also a distance transformation was modelled by digital signal processing by vehicle past travels. In planning and execution of the psychoacoustic preliminary test became different investigations with a reduced noise ensemble and a small number of test subjects (test of the Setups, test of the presentation form, scale level, validity, etc.) accomplished and on basis of psychoacoustic parameters analyzed. The aim of the study is it to accomplish from the preliminary test, which was compiled in the diploma thesis a psychoacoustic hearing attempt with a large number of attempt persons and to develop from it derived an "Index of annoyance for road traffic noise". Entwicklung eines Lästigkeitsindex für Straßenverkehrslärm

5 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Aufbau und Funktion des peripheren menschlichen Gehörs Äußeres Ohr Mittelohr Innenohr (Cochlea) Aufbau Funktionsweise Psychoakustische Parameter Allgemeines Kurven gleicher Lautstärke (Phon Kurven) Schallbewertungen db (A) - Bewertung db (B) - Bewertung db (C) - Bewertung db (D) - Bewertung Ruhehörschwelle, Hörfläche und Mithörschwelle Verdeckungseffekte Frequenzgruppen und Erregung Frequenzgruppen und Tonheit Frequenzgruppen- und Erregungspegel Lautheit Spektrale Effekte Zeitliche Effekte Modell der Lautheit nach Zwicker Schärfe Modell der Schärfe nach Zwicker und Aures Rauhigkeit und Schwankungsstärke Abhängigkeit der Rauhigkeiten Modell der Rauhigkeit nach Fastl Modell der Rauhigkeit nach Aures Lästigkeitsindex für Straßenverkehrslärm Seite I Inhaltsverzeichnis

6 3.10 Tonhaltigkeit (Klanghaftigkeit) Modelle der Tonhaltigkeit Lästigkeit oder Wohlklang Aufnahme/Wiedergabetechnik und Signalverarbeitung Allgemein Binaurale Aufnahme- und Wiedergabetechnik Audiosignalverarbeitung von Effekten Distanztransformation - Anwendungsbeispiel Psychoakustisches Versuchsdesign Allgemeines Adaptierung des Psychoakustik-Labors am ISV Blockschaltbild des Hörversuchslabors Blockschaltbild der technischen Apparaturen Experimentelles Design des Hörversuches Kombination einer direkten Größenschätzung mit einem Paarvergleich Definition des Hörversuches Software Hörversuchsoberfläche Durchführung des Hörversuches Ablauf des Hörversuches Ergebnisse des psychoakustischen Hörversuches Statistische Grundlagen und Auswertung Teilnehmerstatistik Ergebnisse des Hörversuches Auswertung und Analyse des Hörversuches (Modellbildung der subjektiven Hörversuchsergebnisse mit den objektiven psychoakustischen Parametern) Auswertung der psychoakustischen Parameter Auswertung mit linearer und multipler linearer Regression (Diagramme, Regressionanalysen) Regressionsanalyse der Bewertung Regressionsanalyse der Bewertung Regressionsanalyse der Bewertung Regressionsanalyse für die Bewertung Lästigkeitsindex für Straßenverkehrslärm Seite II Inhaltsverzeichnis

7 7.2.5 Regressionsanalyse der Bewertung Regressionsanalyse der Bewertungen 1 bis Regressionsanalyse der Bewertungen 1 bis Zusammenfassung und Ausblick Zusammenfassung Ausblick Anhang Auswertung der psychoakustischen Parameter mit ArtemiS Psychoakustische Parameter der Bewertung Psychoakustische Parameter der Bewertung Psychoakustische Parameter der Bewertung Psychoakustische Parameter der Bewertung Psychoakustische Parameter der Bewertung Audiometrie - Fragebogen Lästigkeitsindex - Fragebogen Literatur Lästigkeitsindex für Straßenverkehrslärm Seite III Inhaltsverzeichnis

8 Abbildungsverzeichnis Abb. 1: Anatomie des Gehörs [1]...3 Abb. 2: Gehörgang [2]...4 Abb. 3: Frequenzgang des Mittelohres [2]...5 Abb. 4: Aufbau des Innenohres [1]...6 Abb. 5: Scala vestibuli, Scala media, Scala tympani [2]...7 Abb. 6: Basilarmembran [2]...7 Abb. 7: Cortisches Organ und Umgebung [2]...8 Abb. 8: Auslenkung der Basilarmembran bei unterschiedlichen Frequenzen [2]...9 Abb. 9: Kurven gleicher Lautstärke [48]...11 Abb. 10: Kurven gleicher Lautstärke verschiedener Versuchsreihen [48]...12 Abb. 11: A,B,C und D-Bewertungskurven...15 Abb. 12: gleiche db(a) Bewertung von 2 unterschiedlichen Geräuschen [4]...16 Abb. 13: Zentralwert der Ruhehörschwelle L T von Versuchspersonen unter 25 Jahren [4]...17 Abb. 14: Hörfläche [4]...18 Abb. 15: Pegel eines Testtones, verdeckt durch frequenzgruppenbreites Rauschen, mit einer Mittenfrequenz von 1 khz. L CB ist der Pegel des frequenzgruppenbreiten Rauschens [5] Abb. 16: Frequenzgruppenbreite in Abhängigkeit von der Frequenz. Die gestrichelten Linien zeigen die Näherung für hohe und tiefe Frequenzen [5] Abb. 17: Erregungs-Tonheitsmuster für frequenzgruppenbreites Rauschen mit einer Mittenfrequenz von 1 khz. LG ist der Pegel des frequenzgruppenbreiten Rauschen [5].23 Abb. 18: Lautheitsfunktion eines 1 khz Tones (durchgezogene Linie) und eines gleichmäßig angeregten Rauschens (punktierte Linie). Die Lautheit wird als Funktion des Schalldruckpegels angegeben. Gestrichelte und punktiert-gestrichelte Linien stellen Näherungen dar Abb. 19: Gleiche Intensitätsdichte von Bandpassrauschen bei verschiedenen Bandbreiten...27 Abb. 20: Lautstärke eines 2 khz Tonimpulses, mit einem Schalldruckpegel von 57 db, in Abhängigkeit von der Tonimpulsdauer. Gestrichelte Linien zeigen Näherungen...29 Abb. 21: Schärfe von frequenzgruppenbreiten Schmalbandrauschen in Abhängigkeit von der Mittenfrequenz (durchgezogene Linie), von Bandpassrauschen mit einer oberen Grenzfrequenz von 10 khz in Abhängigkeit von der unteren Grenzfrequenz (gestrichelte Linie), und von Bandpassrauschen mit einer unteren Grenzfrequenz von 0,2 khz in Abhängigkeit von der oberen Grenzfrequenz (punktierte Linie). Das Kreuz markiert den Standardton mit einer Schärfe von 1 acum...30 Abb. 22: Rauhigkeit von amplitudenmodulierten Tönen mit einem Modulationsgrad von m=1 und gegebenen Mittenfrequenzen in Abhängigkeit von der Modulationsfrequenz...33 Abb. 23: Relative Klanghaftigkeit in Abhängigkeit von der Tonheit für Sinustöne (Punkte), Bandpassrauschen mit einer Bandbreite von 30 Hz (Rauten) und 1 khz (weiße Dreiecke) sowie Hochpassrauschen mit einer unteren Grenzfrequenz von 2 khz (schwarzes Dreieck)...36 Abb. 24: Relative Klanghaftigkeit in Abhängigkeit von der Bandbreite z. Der Verlauf wird durch Gleichung (24) angenähert Abb. 25: Analyse der Anteile der Deckenarten auf dem Streckennetz der ASFINAG (für höherrangiges Straßennetz: Autobahnen und Schnellstraßen)...39 Abb. 26: Verkehr-Grundkarte des Geografischen-Informations-System Steiermark - SMA...40 Abb. 27: Verkehr-Grundkarte des Geografischen-Informations-System Steiermark - Beton Abb. 28: Verkehr-Grundkarte des Geografischen-Informations-System Steiermark - Asphaltbeton Lästigkeitsindex für Straßenverkehrslärm Seite IV Abbildungs- und Tabellenverzeichnis

9 Abb. 29: Freifeld-Aufnahmen von PKW und LKW an der Autobahn...42 Abb. 30: Aufnahme-Equipment und ArtemiS-Analyse-Software...44 Abb. 31: Abbildungsskizze der durchgeführten Aufnahmen...46 Abb. 32: Blockschaltbild des Hörversuchslabor Abb. 33: Blockschaltbild der technische Apparaturen...54 Abb. 34: Lästigkeitsskala...55 Abb. 35: Bewertungsphase Abb. 36: Bewertungsphase Abb. 37: Bewertungsphase Abb. 38: Bewertungsphase Abb. 39: Bewertungsphase Abb. 40: Hörversuchsoberfläche Abb. 41: Ablauf des Hörversuchs...63 Abb. 42: Probandin beim Hörversuch im Psychoakustik-Labor Abb. 43: Altersverteilung der Probanden Abb. 44: Boxplot Lästigkeit Bewertungsphase Abb. 45: Boxplot Lästigkeit Bewertungsphase Abb. 46: Boxplot Lästigkeit Bewertungsphase Abb. 47: Boxplot Lästigkeit Bewertungsphase Abb. 48: Boxplot Lästigkeit Bewertungsphase Abb. 49: Scatterplot Lautheit BW Abb. 50: Scatterplot Pegel BW Abb. 51: Scatterplot Rauhigkeit BW Abb. 52: Scatterplot Schärfe BW Abb. 53: Scatterplot Lautheit BW Abb. 54: Scatterplot Pegel BW Abb. 55: Scatterplot Rauhigkeit BW Abb. 56: Scatterplot Lautheit BW Abb. 57: Scatterplot Pegel BW Abb. 58: Scatterplot Rauhigkeit BW Abb. 59: Scatterplot Lautheit BW Abb. 60: Scatterplot Pegel BW Abb. 61: Scatterplot Rauhigkeit BW Abb. 62: Scatterplot Lautheit BW Abb. 63: Scatterplot Pegel BW Abb. 64: Scatterplot Rauhigkeit BW Abb. 65: Scatterplot Lautheit BW Abb. 66: Scatterplot Lautheit_50 BW Abb. 67: Scatterplot Pegel BW Abb. 68: Scatterplot Lautheit BW Abb. 69: Scatterplot Lautheit_50 BW Abb. 70: Scatterplot Pegel BW Abb. 71: Scatterplot Pegel_50 BW Abb. 72: Scatterplot Rauhigkeit BW Lästigkeitsindex für Straßenverkehrslärm Seite V Abbildungs- und Tabellenverzeichnis

10 Tabellenverzeichnis Tabelle 1: Parameter zur Berechnung der Normalkurven gleicher Lautstärkepegel [48]...13 Tabelle 2: Schallpegeldifferenz zwischen freiem und diffusen Schallfeld bei gleicher Lautstärke [46]...14 Tabelle 3: Frequenzgruppen...22 Tabelle 4: Berechnung der maximalen Pegelunterschiede...50 Tabelle A: Liste der definierten Geräuschensembles...71 Tabelle 5: Lautheit für Bewertungsphase Tabelle 6: Rauhigkeit für Bewertungsphase Tabelle 7: Schärfe für Bewertungsphase Tabelle 8: Schwankungsstärke für Bewertungsphase Tabelle 9: Tonhaltigkeit für Bewertungsphase Tabelle 10: Schalldruckpegel für Bewertungsphase Tabelle 11: Lautheit für Bewertungsphase Tabelle 12: Rauhigkeit für Bewertungsphase Tabelle 13: Schärfe für Bewertungsphase Tabelle 14: Schwankungsstärke für Bewertungsphase Tabelle 15: Tonhaltigkeit für Bewertungsphase Tabelle 16: Schalldruckpegel für Bewertungsphase Tabelle 17: Lautheit für Bewertungsphase Tabelle 18: Rauhigkeit für Bewertungsphase Tabelle 19: Schärfe für Bewertungsphase Tabelle 20: Schwankungsstärke für Bewertungsphase Tabelle 21: Tonhaltigkeit für Bewertungsphase Tabelle 22: Schalldruckpegel für Bewertungsphase Tabelle 23: Lautheit für Bewertungsphase Tabelle 24: Rauhigkeit für Bewertungsphase Tabelle 25: Schärfe für Bewertungsphase Tabelle 26: Schwankungsstärke für Bewertungsphase Tabelle 27: Tonhaltigkeit für Bewertungsphase Tabelle 28: Schalldruckpegel für Bewertungsphase Tabelle 29: Lautheit für Bewertungsphase Tabelle 30: Rauhigkeit für Bewertungsphase Tabelle 31: Schärfe für Bewertungsphase Tabelle 32: Schwankungsstärke für Bewertungsphase Tabelle 33: Tonhaltigkeit für Bewertungsphase Tabelle 34: Schalldruckpegel für Bewertungsphase Lästigkeitsindex für Straßenverkehrslärm Seite VI Abbildungs- und Tabellenverzeichnis

11 1. Einleitung In einer Zeit verstärkter Bemühungen um den Umweltschutz hat auch der Schutz vor unerwünschtem Schall, dem Lärm, eine sehr große Bedeutung. Dabei geht es nicht nur um die Vermeidung von Gehörschäden, mit denen erst bei relativ hohen Pegeln oder lang andauernder Beschallung gerechnet werden muss, sondern vielmehr um die Beeinträchtigung des Wohlbefindens der von Lärm - bei dieser Arbeit im speziellen von Straßenverkehrslärm - betroffenen Personen. Die Störwirkung von Lärm wird in der Lärmforschung unter dem Begriff Lästigkeit zusammengefasst. Die Lästigkeit von Lärm kann nur schwer allgemeingültig vorhergesagt werden, weil ein Geräusch in einem bestimmten Moment gewollt oder in anderem Zusammenhang ungewollt sein kann. Lärm wird von einer betroffenen Person aufgenommen und ruft bestimmte Reaktionen hervor. Diese Reaktionen (Belästigungen) hängen einerseits von den Signaleigenschaften (Amplitude, Frequenzspektrum, Zeitcharakteristik), andererseits vom physischen und psychischen Zustand sowie der Tätigkeit der betroffenen Person ab. Die Lästigkeit setzt sich also zusammen aus einem physikalischen Anteil, welcher ausschließlich durch die Signaleigenschaften beschrieben werden kann, und einem Anteil, der sich auf die Eigenschaften des vom Lärm betroffenen Individuums bezieht. Werden die individuellen Einflussgrößen bewusst abgesondert, dann entsteht eine Größe, von der angenommen wird, dass sie in einer Versuchssituation die Lästigkeit von Schallen zutreffend und reproduzierbar wiedergibt. Aufbauend auf eine Pilotstudie von Zwicker (1991) zur unbeeinflussten Lästigkeit wird dieser ausschließlich von auditiven Faktoren beeinflusste Anteil des Gestörtseins als Psychoakustische Lästigkeit (Dissertation Widmann 1992) bezeichnet. Diese entsteht in einer Laborsituation, wenn Versuchpersonen keine Beziehung zur Schallquelle bzw. die Schalle keinen Informationsgehalt besitzen, die Lästigkeit also ausschließlich durch das Schallsignal hervorgerufen wird und die Versuchspersonen unter definierten Bedingungen am Versuchsablauf teilnehmen. Lästigkeitsindex für Straßenverkehrslärm Seite 1 Einleitung und Aufgabenstellung

12 Schall wird vom Gehör aufgrund psychoakustischer Gesetzmäßigkeiten analysiert. Eine wirksame Beschreibung von Lärm und der hervorgerufenen Lästigkeit kann deshalb sinnvoller Weise nur unter Berücksichtigung der Eigenschaften des menschlichen Gehörs erreicht werden. Daher werden Hörempfindungen zur Beschreibung der Lästigkeit herangezogen. Diese weitgehend voneinander unabhängigen Grundgrößen, die das Gehör zur Klassifizierung von Schallen heranzieht, sind z.b. die Lautheit, die Tonhöhe, die Schärfe und die Rauhigkeit. Im Rahmen des Projektes Lästigkeitsindex für Straßenverkehrslärm an der Technischen Universität Graz in Zusammenarbeit mit dem Institut für Elektronische Musik und Akustik wurde diese Diplomarbeit als Vorstudie durchgeführt. Es wurde in einer ausführlichen Literaturrecherche ermittelt, welche Methoden zur Lästigkeit im Straßenverkehr in der wissenschaftlichen Literatur vorliegen. Weiters wurde die Adaptierung eines Psychoakustik-Labors für Hörversuche am Institut für Straßen- und Verkehrswesen an der Technischen Universität Graz durchgeführt. Mittels stereofoner Aufnahmetechniken (Kunstkopf Aufnahmetechnik) wurde eine Datenbank für verschiedene Fahrzeuggeräusche in unterschiedlichen Kategorien (Fahrzeugtyp, Geschwindigkeit, Straßenbelag, Verkehrsaufkommen, usw.) in Abhängigkeit der meteorologischen Einflüsse erstellt. Durch digitale Signalverarbeitung wurde eine Distanztransformation und Mehrkanalwiedergabe für Fahrzeugvorbeifahrten (PKW) auf Basis von Mono-Aufnahmen modelliert. In der Planung und Durchführung eines psychoakustischen Vorversuches wurden mit einem reduzierten Geräuschensemble und kleinerer Anzahl von Versuchspersonen verschiedene Untersuchungen (Test des Setups, Test der Präsentationsform, Skalenniveau, Validität, usw.) durchgeführt und auf Basis psychoakustischer Größen analysiert. Lästigkeitsindex für Straßenverkehrslärm Seite 2 Einleitung und Aufgabenstellung

13 2. Aufbau und Funktion des Gehörs Im folgenden Kapitel wird die Anatomie des Hörorgans, welches sich in drei Abschnitte gliedert das äußere Ohr mit Ohrmuschel und Gehörgang, das Mittelohr mit Trommelfell und Gehörknöchelchenkette und Ohrtrompete sowie das Innenohr - und deren Funktionsweise beschrieben. Abb. 1: Anatomie des Gehörs [1] 2.1 Äußeres Ohr Zum äußeren Ohr zählt die Ohrmuschel und der äußere Gehörgang. Die Ohrmuschel besteht mit Ausnahme des Ohrläppchens aus einem elastischen Knorpel, der von Haut überzogen ist. Der äußere Gehörgang besteht aus zwei Teilen, dem äußeren knorpeligen und dem inneren knöchernen Teil. Er verläuft nicht gerade, sondern S-förmig gekrümmt und erweitert sich vor der Trommelfellebene grabenförmig nach unten. Die Ohrmuschel und der Gehörgang bilden zusammen einen so genannten Schalltrichter. Der Schall, welcher aus verschiedenen Richtungen kommt, wird von der Ohrmuschel aufgefangen und gelangt über den Gehörgang zum Trommelfell. Eine weitere Aufgabe des Gehörgangs ist, dass er das Trommelfell vor Verletzungen schützt. Lästigkeitsindex für Straßenverkehrslärm Seite 3 Aufbau und Funktion des Gehörs

14 Der Gehörgang verkürzt weiters auch den Abstand zwischen Innenohr und Gehirn, damit eine schnelle und effektive Informationsübertragung gesichert ist. Dies ist mit ein Grund warum das Innenohr klein gehalten werden kann. Zusätzlich wirkt der Gehörgang wie ein λ/4 Resonator wobei die Resonanzen bei λ/4, 3λ/4, 5λ/4 usw. liegen. Abb. 2: Gehörgang [2] f λ 4 = m c 340 = = = khz λ (1) (2) Dadurch, dass der Gehörgang im Durchschnitt ca. 22 mm lang ist, ergibt sich daraus bei einer Schallgeschwindigkeit c von 340 m pro Sekunde, die erste Resonanz bei 3.86 khz und die dritte Resonanz bei 11.6 khz. Die Bestätigung findet sich in den Kurven gleicher Lautstärke wieder, welche eine erhöhte Empfindlichkeit bei 3.5 khz und 12 khz zeigen. Der Gehörgang wird durch das Trommelfell abgeschlossen. [3] 2.2 Mittelohr Das Bindeglied zwischen äußerem Ohr und Innenohr ist das Mittelohr. Zwischen dem Trommelfell und Innenohr liegt ein schmaler, luftgefüllter Hohlraum, die Paukenhöhle, der zusammen mit der Ohrtrompete die wesentlichen Hohlraumsysteme des Mittelohres bildet. In die seitliche Wand der Paukenhöhle ist das Trommelfell eingelassen. Das Trommelfell ist auf der Seite zum Außenohr hin mit Haut und auf der Seite zum Mittelohr mit Schleimhaut überzogen. Die Spannung des Trommelfells kann durch Muskeln verändert werden. Je mehr Spannung durch diese Muskeln erzeugt wird, desto mehr Schallanteile werden am Trommelfell reflektiert und nicht über das Mittelohr zum Lästigkeitsindex für Straßenverkehrslärm Seite 4 Aufbau und Funktion des Gehörs

15 Innenohr weitergeleitet. Ein Schallereignis, welches impulsartig auftritt, wird durch diesen Mechanismus jedoch nicht begrenzt. Die Folge daraus ist, dass bleibende Hörschäden im Innenohr auftreten können. Die Verbindung zwischen Trommelfell und dem Innenohr wird durch die Gehörknöchelchenkette hergestellt und besteht aus Hammer (Malleus), Amboss (Incus) und Steigbügel (Stapes). Der lange Griff des Hammers reicht bis zum Zentrum des Trommelfells und ist mit diesem fest verwachsen. Der Hammerkopf bildet eine gelenkige Verbindung mit dem Amboss, an dessen langen Schenkel der Steigbügel ebenfalls gelenkig fixiert ist. Die Steigbügelschenkel ruhen auf der Fußplatte, die das ovale Fenster zum Innenohr abdeckt. Die Spannung der Gehörknöchelchenkette wird zusätzlich durch zwei Muskeln aufrechterhalten. Diese setzen am Hammer bzw. Steigbügel an und ziehen bei Kontraktion den Hammergriff und mit ihm das Trommelfell nach innen bzw. kippen die Steigbügelfußplatte im ovalen Fenster. Die Aufgabe des Mittelohres ist es, den Luftschall, welcher über das Außenohr aufgenommen wird, in Flüssigkeitsschall zu transformieren. Diese Impedanzanpassung zwischen den Schallwellenimpedanzen von Luft im Gehörgang und der Lymphflüssigkeit im Innenohr wird durch die Gehörknöchelchen (Hebelübersetzung) und der Flächentransformation (Trommelfell ovales Fenster) realisiert. Durch die Flächentransformation können Schalldrücke um das 22-fache verstärkt werden. Im Frequenzbereich um 1 khz ist das Trommelfell genau an die Schallwellenimpedanz der Luft angepasst. Das Mittelohr wirkt als Tiefpassfilter, da ab einer Frequenz von 2 khz die Massen der Gehörknöchelchen, sowie die Elastizitäten und Schwingungseigenschaften des Trommelfells eine Rolle spielen. Abb. 3: Frequenzgang des Mittelohres [2] Dies wirkt sich in einer Verschlechterung der Übertragungsfähigkeit aus. Beim Schlucken öffnet sich die Eustachische Röhre für einen kurzen Augenblick und dies hat einen Druckausgleich zwischen dem Mittelohr und dem Gehörgang zur Folge. [3] Lästigkeitsindex für Straßenverkehrslärm Seite 5 Aufbau und Funktion des Gehörs

16 2.3 Innenohr Das Innenohr ist in das Felsenbein eingebettet und umgeben von einer harten Knochenkapsel findet sich hier ein vielgestaltiges System aus Gängen und Hohlräumen, das als Labyrinth bezeichnet wird Aufbau Abb. 4: Aufbau des Innenohres [1] In diesem knöchernen Labyrinth ist wie ein Ausguss das häutige Labyrinth eingelagert, das in einer Flüssigkeit, der Perilymphe, schwimmt. Im Innenraum des häutigen Labyrinths befindet sich eine anders zusammengesetzte Flüssigkeit, die Endolymphe. Das häutige Labyrinth des Innenohres enthält das Hörorgan in der Schnecke (Cochlea) und den Vestibularapparat mit zwei Räumen sowie drei Bogengängen. Die knöcherne Schnecke stellt einen Kanal dar, der sich zweieinhalbmal um eine kegelförmige, ebenfalls knöcherne Achse, die Schneckenspindel, windet. Der Innenraum der Schnecke ist in drei übereinanderliegende Kanäle, die Scala vestibuli (Vorhoftreppe), Scala media (Schneckengang) und Scala tympani (Paukentreppe), gegliedert. Der obere Kanal, die Scala vestibuli, grenzt an das ovale Fenster, der untere Kanal, Scala tympani, an das runde Fenster. Beide Kanäle sind mit Perilymphe gefüllt Lästigkeitsindex für Straßenverkehrslärm Seite 6 Aufbau und Funktion des Gehörs

17 und stehen im Helicotrema miteinander in Verbindung. Dazwischen liegt als mittlerer Kanal die Scala media, die mit Endolymphe gefüllt ist. Abb. 5: Scala vestibuli, Scala media, Scala tympani [3] Die Scala vestibuli und die Scala media werden durch die Reissner-Membran voneinander getrennt. Den Boden der Scala media bildet die bindegewebige Basilarmembran, welche das Corti-Organ trägt. Abb. 6: Basilarmembran [2] Das Corti-Organ besteht aus verschiedenen Stützzellen und den Sensorzellen, die als innere und äußere Haarzellen bezeichnet werden. Die Haarzellen erstrecken sich von der Basal- bis zur Kuppelwindung. Die inneren Haarzellen bilden lediglich eine Reihe, während die äußeren Haarzellen in drei Reihen angeordnet sind. Die Anzahl der inneren Haarzellen beträgt ca und die Anzahl der äußeren Haarzellen beträgt ca Der Hörnerv besteht aus ca afferenten Fasern, welche zum Gehirn hinleiten und 2000 efferenten Fasern, welche vom Gehirn wegleiten. Die beiden Haarzelltypen sind Lästigkeitsindex für Straßenverkehrslärm Seite 7 Aufbau und Funktion des Gehörs

18 durch einen Tunnel voneinander getrennt, der eine der Perilymphe ähnliche Flüssigkeit enthält. Die Haarzellen tragen an ihrer Oberfläche Sinneshärchen. Über ihnen liegt eine gallertartige Schicht, die Tektorialmembran. Die Zilien der äußeren Haarzellen sind mit dieser gallertartigen Membran verbunden. [3] Abb. 7: Cortisches Organ und Umgebung [2] Funktionsweise Bei Beschallung des Ohres überträgt die Stapes-Fußplatte über das ovale Fenster Schallenergie auf die Perilymphe in der Scala vestibuli. Wegen der Inkompressibilität der Innenohrflüssigkeit muss ein Druckausgleich über das runde Fenster erfolgen. Die Membran des runden Fensters bewegt sich dabei in umgekehrter Richtung wie die Stapes-Fussplatte. Da die Wände des Endolymphschlauches (Scala media) nicht starr sind, werden bei diesen mechanischen Vorgängen die Scala media mit der Reisner- Membran und der Basilarmembran ausgelenkt. Schwingungen des ovalen Fensters erzeugen in der Perilymphe so genannte Wanderwellen, die sich zum Helicotrema hin bewegen. Während dieser Bewegung nimmt die Fortpflanzungsgeschwindigkeit jeder Welle laufend ab, weil die Basilarmembran zum Helicotrema hin breiter wird und dadurch eine größere Beweglichkeit erhält. Aus diesem Grund nimmt auch die Amplitude der Wanderwelle, d. h. die Auslenkung der Basilarmembran, zunächst zu. Da jedoch während der Fortbewegung gleichzeitig ein Energieverlust eintritt, kommt es bald wieder zu einer Abnahme der Amplitude. Zwischen dem Ursprungsort der Welle am Stapes und dem Ort, an dem sie infolge Dämpfung verschwindet, bildet sich somit ein Amplitudenmaximum aus. An der Stelle des Amplitudenmaximums werden die Sinneszellen am stärksten erregt. Da dieses Maximum für Wellen verschiedener Frequenzen an unterschiedlichen Orten der Basilarmembran entsteht (für hohe Frequenzen in der Stapesnähe, für niedrige Frequenzen in der Nähe des Helicotremas), Lästigkeitsindex für Straßenverkehrslärm Seite 8 Aufbau und Funktion des Gehörs

19 sind unterschiedlichen Orten des Endolymphschlauches (bzw. bestimmter Harrazellen) definierte Frequenzen zugeordnet. Diesen Vorgang, bei dem sich die Wanderwellen nach Frequenzen geordnet entmischen, bezeichnet man als Frequenzdispersion. Abb. 8: Auslenkung der Basilarmembran bei unterschiedlichen Frequenzen [2] Bei Auslenkung der Basilarmembran durch eine Wanderwelle werden die ausgelösten Aktionspotentiale über die zugehörigen Nervenfasern an das Gehirn weitergeleitet. Die Information über die Lautstärke ist vor allem in der Zahl der Nervenimpulse verschlüsselt enthalten. Die hohe Empfindlichkeit des Gehörs ist nur durch einen aktiven Prozess (Dämpfung bzw. Verstärkung) zu erklären, der im Bereich Haarzelle-Tektorialmembran zu suchen ist. [3] Lästigkeitsindex für Straßenverkehrslärm Seite 9 Aufbau und Funktion des Gehörs

20 3. Psychoakustische Parameter 3.1 Allgemeines Die Psychoakustik befasst sich mit der Beschreibung des Zusammenhanges der menschlichen Empfindung von Schall (Hörereignis) mit dessen physikalischen Schallfeldgrößen (Schallereignis). Die Verarbeitung physikalischer Signale zu einem Höreindruck wird dabei in mehreren Stufen modelliert. Diese werden dem einzelnen Ohr und der kognitiven Signalverarbeitung zugeordnet. Es erweist sich als zweckmäßig, rein physikalische Parameter wie Pegel, Frequenz, Bandbreite, Dauer oder Modulationsgrad auf gehörgerechte Parameter abzubilden. In der Regel wirken dabei jeweils mehrere physikalische Größen auf eine psychoakustische Größe ein. Diese soll als einzelne Empfindung unabhängig von anderen Empfindungen beurteilt werden können. Die Skalen psychoakustischer Größen beschreiben die Stärke der Empfindung. Verbreitete psychoakustische Parameter sind Lautheit (Einheit sone), Schärfe (Einheit acum), Tonhöhe (Einheit mel), Rauhigkeit (Einheit asper) und Schwankungsstärke (Einheit vacil). Daneben sind Tonhaltigkeit und Impulshaftigkeit bedeutsame Größen, die bei der Bildung der Beurteilungspegel herangezogen werden. Im folgenden Kapitel werden die psychoakustischen Parameter erklärt, auf welche in den nächsten Kapiteln zurückgegriffen wird. 3.2 Kurven gleicher Lautstärkepegel (Phon Kurven) In den 20er und 30er Jahren wurden die Kurven gleicher Lautstärke entwickelt. Maßgebend daran beteiligt war eine deutsche Gruppe um Heinrich Barkhausen und eine amerikanische Gruppe um Fletcher und Munson. Die ersten Kurven gleicher Lautstärke wurden 1933 veröffentlicht. Der Datensatz, welcher in der ISO 226 genormt wurde, stammt von Robinson und Dadson aus dem Jahr Die Kurven gleicher Lautstärke wurden folgendermaßen ermittelt: Den Versuchspersonen wurde ein Standardreiz bei 1000 Hz geboten, anschließend hörten Lästigkeitsindex für Straßenverkehrslärm Seite 10 Psychoakustische Parameter

21 die Versuchspersonen einen Vergleichsreiz, bei dem sie den Pegel so einzustellen hatten, dass dieser gleich laut empfunden wurde als der Standardreiz. Dieser Versuch wurde über den gesamten Hörbereich durchgeführt, wobei die Amplitude von 0 db begonnen und in Schritten von 10 db bis 120 db erhöht wurde. Aktuelle Versuche, die diesen Versuch wiederholen, weisen große Streuungen auf, wobei die Ruhehörschwelle bei fast allen Versuchen, außer bei Fletcher-Munson, das gleiche Ergebnis liefert. Die Kurven gleicher Lautstärke hängen von der Schallart (reiner Ton, Rauschen über eine gewisse Bandbreite), von der Übertragung des Schalls (freies Feld, diffuses Feld oder Kopfhörer) und natürlich auch vom Alter der Versuchspersonen ab. Die Hörschwelle entspricht einem Lautstärkepegel von 4 phon. Die Kurven gleicher Lautstärke beziehen sich auf normal hörende Personen im Alter zwischen 18 und 25 Jahren. Abb. 9: Kurven gleicher Lautstärke [48] Wie man in Abbildung 10 sieht, sind die Unterschiede der verschiedenen Versuchsreihen speziell im Bereich bis 1 khz sehr groß. Gerade der Bereich unter 1 khz ist in Bezug auf Lästigkeitsindex für Straßenverkehrslärm Seite 11 Psychoakustische Parameter

22 die Lautheit einer der wichtigsten Bereiche. Genau in diesem Frequenzbereich gibt es die meisten Informationen (Leistung). Es wurde auch noch zu späteren Zeitpunkten Untersuchungen durchgeführt wie z.b. Suzuki (1996), Lydolf und Möller (1997), Bellman (1999), Takeshima (1997, 2001). [48] Abb. 10: Kurven gleicher Lautstärkepegel verschiedener Versuchsreihen [48] Lästigkeitsindex für Straßenverkehrslärm Seite 12 Psychoakustische Parameter

23 Für die rechnerische Ermittlung der Kurven gleicher Lautstärke wird die folgende Funktionsgleichung verwendet. [48] ( ) Lu = 20 lg U f (3) Lp+ Lu Tf + Lu B f = 0,4 10 0, , (4) ( 40 lg B ) Phon + Phon LN = f 94 (5) Variablendefinition: L N...Lautstärkepegel eines reinen Tones in Phon L P Schalldruckpegel in db T f Hörschwelle des Sinus a f...frequenzabhängiger Exponent für reine Töne U f...auf 1kHz normierte Größe der Übertragungsfunktion Tab. 1: Parameter zur Berechnung der Normalkurven gleicher Lautstärkepegel [48] Lästigkeitsindex für Straßenverkehrslärm Seite 13 Psychoakustische Parameter

24 Der Schallpegel im freien Schallfeld und im diffusen Schallfeld ist nicht gleich groß. Der Grund ist darin zu suchen, dass im ebenen freien Schallfeld die Einfallsrichtung des Schalls von vorne kommt und beim diffusen Schallfeld der Schall aus allen Richtungen eintrifft. Tab. 2: Schallpegeldifferenz zwischen freiem und diffusen Schallfeld bei gleicher Lautstärke [46] L = L L (6) P Pf Pd Die obige Tabelle gibt an, um wie viel sich bei gleichem Lautstärkepegel der Schalldruckpegel im freien Schallfeld (L Pf ) vom Schalldruckpegel im diffusen Schallfeld (L Pd ) unterscheidet. [46] Lästigkeitsindex für Straßenverkehrslärm Seite 14 Psychoakustische Parameter

25 3.3 Schallbewertungen Bewertungskurven (db(a), db(b) und db(c) nach IEC/DIN 651 und db(d)) sind die Kurven von Bewertungsfiltern, die für eine ganz bestimmte Lautstärke ein ähnliches Frequenzverhalten wie das menschliche Ohr haben. Sie stellen eine "spiegelbildliche" Kurve zu einer bestimmten Kurve gleicher Lautstärkepegel dar. Die A-, B-, und C-Bewertung unterscheiden sich vor allem durch ihr Verhalten bei tiefen Frequenzen. [15] Abb. 11: A,B,C und D-Bewertungskurven db(a) Bewertung Die A-Bewertungskurve entspricht ungefähr der inversen 40-phon-Kurve. Die einzelnen Frequenzen werden in der db(a) Bewertung einer bestimmten Gewichtung unterzogen. Ein Nachteil der A-Bewertung ist, dass sie nur für 40 phon gültig ist und daher bei lauten Schallereignissen andere phon Kurven herangezogen werden müssen und das weiters auch tieffrequente Schallanteile nicht ausreichend berücksichtigt werden. Die phon- Kurven wurden durch reine Sinustöne (bzw. Schmalbandrauschen) ermittelt, darum ist die A-Bewertung streng genommen auch nur für solche Signale gültig. In der folgenden Abbildung ist ein Nachteil der db(a) Bewertung zu sehen. Ein breitbandiger Schall mit Lästigkeitsindex für Straßenverkehrslärm Seite 15 Psychoakustische Parameter

26 spezieller spektraler Zusammensetzung ist trotz gleichen Wertes der db(a) Bewertung um den Faktor 3.5 lauter als der schmalbandige Schall. Abb. 12: gleiche db(a) Bewertung von 2 unterschiedlichen Geräuschen [4] Die A-Bewertung hat sich trotz dieser Nachteile auf der ganzen Technik-Welt durchgesetzt und wird z.b. bei der Beurteilung von Geräuschen im Immissionsschutz verwendet. Aus diesem Grund gibt es sehr viele Vergleichswerte und auch die Realisierung und Anwendung der db(a) Bewertung ist sehr einfach zu handhaben db(b) Bewertung Die db(b) Bewertungskurve entspricht der inversen 60-phon-Kurve. Die B- Bewertungskurve stellt so wie die A-Bewertungskurve nur eine sehr grobe Annäherung dar und wird ergänzend bei der Messung von Fahrzeuginnenraumgeräuschen verwendet db(c) Bewertung Die db(c) Bewertungskurve ist die inverse 80-phon-Kurve. Diese Bewertung kann auch als Bandpass gesehen werden, wobei die untere Grenzfrequenz dem Wert 31.5 Hz und die obere Grenzfrequenz 8 khz entspricht. Die db(c) Bewertung findet Anwendung bei der Beurteilung von tieffrequenten Geräuschimmissionen. Lästigkeitsindex für Straßenverkehrslärm Seite 16 Psychoakustische Parameter

27 3.3.4 db(d) Bewertung Diese Bewertung wurde hauptsächlich zur Erfassung von Fluglärm eingeführt. Bei der D- Bewertungskurve wird versucht, nicht nur die Lautstärke, sondern auch die Lästigkeit zu bewerten. 3.4 Ruhehörschwelle, Hörfläche und Mithörschwelle Zeichnet man den Schalldruckpegel, der notwendig ist um einen Ton gerade noch zu hören, als Funktion der Frequenz auf, so erhält man die Ruhehörschwelle. Schalle unterhalb der Ruhehörschwelle werden vom menschlichen Gehör nicht wahrgenommen. Für die Hörbarkeit eines Schalles ist ein Mindestschalldruck von p = 20µPa erforderlich. Dieser Mindestschalldruck entspricht einem Schalldruckpegel von 0 db bei 1 khz. Ab einem bestimmten Schalldruckpegel wird ein Schmerz empfunden. Trägt man diese Kurve auch als Funktion der Frequenz auf, so erhält man die Schmerzschwelle. Der Ruhehörschwelle wird eine Lautheit von 0 sone zugeordnet. Die Ruhehörschwelle wird auch als absolute Hörschwelle bezeichnet und mit der Methode des pendelnden Einregelns bestimmt. [4] Abb. 13: Zentralwert der Ruhehörschwelle L T von Versuchspersonen unter 25 Jahren [4] Das Bereich zwischen der Ruhehörschwelle und der Schmerzgrenze wird als Hörfläche bezeichnet. In der folgenden Abbildung macht der große Bereich deutlich, innerhalb dessen das Gehör arbeiten kann [4]. Der Grenzwert der Gefährdung gilt für eine Beschallung von 8 Stunden pro Tag. Lästigkeitsindex für Straßenverkehrslärm Seite 17 Psychoakustische Parameter

28 Abb. 14: Hörfläche [4] Die Mithörschwelle ist jener Schalldruckpegel des Testschalls (z.b. Musik, Sprache), welcher das Schallereignis haben muss, damit er neben dem Störschall gerade noch wahrnehmbar ist. Die Mithörschwelle liegt immer über der Ruhehörschwelle, wobei bei einigen Szenarien auch die Mithörschwelle in die Ruhehörschwelle übergehen kann. 3.5 Verdeckungseffekte Die Verdeckungseffekte des menschlichen Gehörs spielen eine große Rolle im alltäglichen Leben. Unterhaltungen mit anderen Personen können durch äußere Geräusche gestört werden. Somit muss die Lautstärke der Konversation den Umgebungsgeräuschen angepasst werden, damit man verstanden werden kann. Diese Effekte kann man auch in der Musik beobachten. Manche Instrumente unterscheiden sich von Natur aus in ihrer Grundlautstärke. Um dem Hörer ein volles Klangbild zu schaffen, müssen sich alle Instrumente einer Lautstärke anpassen. Um den Verdeckungseffekt zu messen, wird die Verdeckungsgrenze (Mithörschwelle) bestimmt. Es gibt prinzipiell drei Arten von Verdeckung. Man spricht von Simultanverdeckung, wenn beide Töne gleichzeitig erklingen. Vorverdeckung entsteht, Lästigkeitsindex für Straßenverkehrslärm Seite 18 Psychoakustische Parameter

29 wenn der Testton nur kurz erklingt bevor ein Verdecker hinzukommt. Unter Nachverdeckung versteht man das Erklingen eines Testtones kurz nachdem der Verdecker abgeklungen ist. [5] Die Ursache für eine Verdeckung liegt in der Ausbreitungsform der Schallwelle im Innenohr. Abbildung 16 zeigt den Pegel eines Testtones, der durch frequenzgruppenbreites Rauschen mit einer Mittenfrequenz von 1 khz verdeckt wird. Abb. 15: Pegel eines Testtones, verdeckt durch frequenzgruppenbreites Rauschen, mit einer Mittenfrequenz von 1 khz. L CB ist der Pegel des frequenzgruppenbreiten Rauschens [5]. Die Flanke zu tiefen Frequenzen ist sehr steil und pegelunabhängig, die Flanke zu hohen Frequenzen ist pegelabhängig und verläuft flacher. Eine Verdeckung kann als Anhebung der Ruhehörschwelle interpretiert werden. Die Ruhehörschwelle ist in Abbildung 15 gestrichelt dargestellt. Eine Teilverdeckung verdeckt den Testton nicht komplett, führt aber zu einer Reduzierung seiner Lautstärke. 3.6 Frequenzgruppen und Erregung Das menschliche Gehör fasst bestimmte Frequenzbereiche in Frequenzgruppen zusammen. Schalle, die innerhalb einer Frequenzgruppe liegen, beeinflussen sich anders als Schalle, die in verschiedenen Frequenzgruppen auftreten. Zwei Töne mit gleichem Pegel innerhalb einer Frequenzgruppe werden leiser wahrgenommen, als wenn sie in verschiedenen Frequenzgruppen erklingen. In diesem Kapitel wird auf die Eigenschaften und die Skalierung der Frequenzgruppen eingegangen. Es werden Definitionen für die Pegel der Frequenzgruppen und der Erregung beschrieben. Lästigkeitsindex für Straßenverkehrslärm Seite 19 Psychoakustische Parameter

30 Weißes Rauschen hat eine Verdeckungsgrenze, die abhängig von der Frequenz ist. Solche Verdeckungsgrenzen sind nur bis zu einer Frequenz von 500 Hz frequenzunabhängig, steigen aber um 10 db an, wenn die 1 khz Grenze überschritten wird. Unter der Annahme, dass das menschliche Gehör eine Verdeckungsgrenze hat, die unter 500 Hz frequenzunabhängig ist, müssen die gesuchten Frequenzbänder bis zu einer Frequenz von 500 Hz frequenzunabhängig sein. Daher sollte die Frequenzgruppenbandbreite konstant sein. Bei höheren Frequenzen steigt die Verdeckungsgrenze um 10 db pro Dekade. Dies bedeutet, dass die Intensität innerhalb des betrachteten Bandes proportional zur Frequenz hin wächst. Daher muss die Bandbreite um den Faktor 10 erhöht werden, wenn die Frequenz auch um den gleichen Faktor erhöht wird. Unter der Annahme, dass ein Ton innerhalb eines Verdeckers hörbar ist, wenn die Energien gleich sind und der Verdecker in das Frequenzband fällt, welches die Frequenz des Testtones als Mittenfrequenz hat, dann kann die gesuchte Bandbreite wie folgt bestimmt werden: Für Frequenzen unter 500 Hz ist die Verdeckungsgrenze 17 db höher als die Energiedichte von weißem Rauschen, welches den Ton verdeckt. Unter der Annahme der Energiegleichheit des Rauschens und des Tons innerhalb des Bandes wird eine Bandbreite von 10 17/10, also 50 mal größer als 1 Hz, angenommen. Beachtet man aber, dass die Energie eines Tones an der Verdeckungsgrenze nur die Hälfte bis ein Viertel von der Energie des Rauschens, das in dem betrachteten Band auftritt, besitzt, kann die Bandbreite genauer bestimmt werden. Bei niedrigen Frequenzen haben die Frequenzgruppen eine Bandbreite von 100 Hz. Bei Frequenzen über 500 Hz haben die Frequenzgruppen eine Bandbreite, die um 20% größer als die Mittenfrequenz ist [5]. Abbildung 16 zeigt eine gute Näherung der Frequenzgruppenbreite in Abhängigkeit von der Frequenz. Die kritische Bandbreite ist ebenso frequenzabhängig. Sie bezieht sich auf die Bandbreite der jeweiligen Frequenzgruppe, in der sich das Spektrum eines Schalles befindet. Lästigkeitsindex für Straßenverkehrslärm Seite 20 Psychoakustische Parameter

31 Abb. 16: Frequenzgruppenbreite in Abhängigkeit von der Frequenz. Die gestrichelten Linien zeigen die Näherung für hohe und tiefe Frequenzen [5] Frequenzgruppen und Tonheit Tabelle 2 zeigt die genauen Werte der Frequenzgruppenbreiten mit ihren jeweiligen Grenzfrequenzen. Aus der Tabelle ist ersichtlich, dass der hörbare Frequenzbereich bis 16 khz in 24 Frequenzgruppen unterteilt werden kann. Jede Frequenzgruppe hat die Einheit Bark, benannt nach Heinrich Barkhausen. Gleichung (7) zeigt die Abhängigkeit der Tonheit z von der Frequenz f [5]. (7) Die Umkehrformel von Gleichung (7) lässt sich nicht einfach bilden, sie wird durch Gleichung (8) angenähert [5]. (8) Lästigkeitsindex für Straßenverkehrslärm Seite 21 Psychoakustische Parameter

32 Tab. 3: Frequenzgruppen Frequenzgruppen- und Erregungspegel Die Frequenzselektivität des menschlichen Gehörs kann durch Aufteilung der Schalle in die einzelnen Frequenzgruppen dargestellt werden. Die hierbei entstehende Intensität der Frequenzgruppe I G ist eine Größe, die durch Gleichung (9) beschrieben wird. (9) Lästigkeitsindex für Straßenverkehrslärm Seite 22 Psychoakustische Parameter

33 Der Pegel innerhalb der Frequenzgruppe wird durch Gleichung (10) berechnet. Hierbei ist I 0 = W/m 2. (10) Der Erregungspegel kann berechnet werden, indem man den Pegel innerhalb der Frequenzgruppe berechnet, in der sich die Kernerregung3 befindet. An diesem Punkt ist der Erregungspegel und der Frequenzgruppenpegel gleich. Der Erregungspegel L E wird durch Gleichung (11) beschrieben. (11) Um Erregungsverläufe zu beschreiben, spielt der Verlauf der Verdeckungsgrenze als eine Funktion der Frequenzgruppe eine wichtige Rolle. Es ist relativ schwer, den genauen Verlauf der Verdeckungsgrenze zu bestimmen. Daher wird die Verdeckungsgrenze von reinen Tönen, die durch Schmalbandrauschen verdeckt werden, genutzt, um die Erregungspegel über die Frequenzgruppen aufzutragen. Abbildung 18 zeigt den Erregungspegel über den Frequenzgruppen eines frequenzgruppenbreiten Rauschens mit der Mittenfrequenz von 1 khz [5]. Abb. 17: Erregungs-Tonheitsmuster für frequenzgruppenbreites Rauschen mit einer Mittenfrequenz von 1 khz. L G ist der Pegel des frequenzgruppenbreiten Rauschen [5]. Lästigkeitsindex für Straßenverkehrslärm Seite 23 Psychoakustische Parameter

34 Die rechte Flanke ist pegelabhängig nach Gleichung (12). Hierbei sind f und L Frequenz und Pegel der entsprechenden Kernerregung. (12) Während die Verläufe bis 40 db noch recht symmetrisch sind, werden sie für höhere Pegel immer unsymmetrischer. Die linke Flanke ist pegelunabhängig und wird durch Gleichung (13) beschrieben [5]. (13) Lästigkeitsindex für Straßenverkehrslärm Seite 24 Psychoakustische Parameter

35 3.7 Lautheit Die Lautheit ist eine Empfindungsgröße und kann getrennt von anderen psychoakustischen Wahrnehmungen wahrgenommen werden. Ein wichtiger Effekt bei der Lautheitsempfindung ist die Verdeckung. Kommt es zu einer teilweisen Verdeckung eines Schalles durch einen Verdecker, so nimmt die Lautheit des verdeckten Schalles Werte zwischen null und der jeweiligen noch hörbaren Lautheit des Schalles an. Der Wert null entspricht hier der Verdeckungsgrenze. Die Effekte der teilweisen Verdeckung treten spektral und zeitlich auf [4]. Die Lautstärkeempfindung ist messbar, indem man den zu messenden Schall mit einem bekannten Schall auf Lautstärkeunterschiede vergleicht. Dies kann man erreichen, indem man zum einen ein Verhältnis durch Veränderung der Hörreize findet oder ein Verhältnis zweier Reize beurteilt. In der Psychoakustik dient ein 1 khz Ton als Standardton. Dem 40 db Pegel des 1 khz Tones wird die Lautheit 1 sone (lat. sonare - klingen) zugeordnet. Für eine Lautstärkebeurteilung ist die Verdoppelung oder Halbierung nützlich. Viele Messungen zeigen, dass der Pegel eines 1 khz Tons im ebenen Feld um 10 db erhöht werden muss, um eine Verdoppelung der Lautheit zu erzielen. Der Pegel von 50 db entspricht dann einer Lautheit von 2 sone. Somit kann der Exponent der Lautheitsfunktion wie folgt berechnet werden: Eine Zunahme von 10 db bewirkt eine Erhöhung der Lautheit um den Faktor 2. Dies entspricht auf einer logarithmischen Basis einem Wert von 3 db. Daher entspricht der Exponent des Potenzgesetzes, das die Lautheitsfunktion eines 1 khz Tones über 40 db beschreibt, 3/10. Bei Lautstärkepegel unter 40 db wird der Pegelunterschied für eine Verdoppelung oder Halbierung der Lautstärke geringer. Es ergeben sich Pegelunterschiede von 5 db bei 20 db oder 2 db bei 10 db. Nimmt man die Lautstärke eines 1 khz Tones mit einem Pegel von 40 db zu Hilfe, kann man die Lautheitsfunktion bestimmen. Sie wird durch die durchgezogene Linie in Abbildung 18 dargestellt. Lästigkeitsindex für Straßenverkehrslärm Seite 25 Psychoakustische Parameter

36 Abb. 18: Lautheitsfunktion eines 1 khz Tones (durchgezogene Linie) und eines gleichmäßig angeregten Rauschens (punktierte Linie). Die Lautheit wird als Funktion des Schalldruckpegels angegeben. Gestrichelte und punktiert-gestrichelte Linien stellen Näherungen dar. Die Abszisse ist der Pegel des 1 khz Tones. Die Ordinate ist der logarithmisch skalierte Lautstärkepegel. Der Exponent des Potenzgesetzes, das dem Verlauf einer Geraden entspricht, wird durch die Steilheit der Geraden bestimmt, die bei Pegeln über 30 db auftritt. Bei Pegeln unter 30 db ist die Potenzfunktion nicht weiter relevant. Der Unterschied zwischen der gestrichelten und der durchgezogenen Linie zeigt die Unstimmigkeit. Bei Pegel unter 10 db nimmt die Lautstärke des 1 khz Tones drastisch ab und erreicht bei einem Schalldruckpegel von 3 db den Nullpunkt. Die Lautstärkefunktion wird normalerweise nur für den 1 khz Ton angegeben. Aber mit Hilfe der Kurven gleicher Lautstärke kann auch für Töne anderer Frequenzen eine Funktion angegeben werden. Da die Einheit phon auf den Lautstärkepegel eines gleichlauten 1 khz Tones bezogen ist, können die Kurven gleicher Lautstärke in Abbildung 9 neben dem Lautstärkepegel in phon auch mit vergleichbarer Lautheit beschriftet werden. Eine Zunahme von 10 phon entspricht einer Verdopplung der Lautheit und bei 20 phon führt zu einer Vervierfachung der Lautheit. Bei Lautstärken unter 40 phon nimmt die Lautheit stark ab und beträgt bei 20 phon 0,15 sone [5]. Lästigkeitsindex für Straßenverkehrslärm Seite 26 Psychoakustische Parameter

37 3.7.1 Spektrale Effekte Das Spektrum eines Schalles kann entweder schmal- oder breitbandig sein. Ein Sinuston hat die schmalste Bandbreite. Gleichmäßig angeregtes Rauschen (uniform exciting noise) hat das breiteste Spektrum und in jeder Frequenzgruppe die gleiche Intensität. Bei der Lautstärkemessung durch Vergleich zweier Schalle muss der veränderbare Standardschall die gleiche Lautheit besitzen, wie der zu messende Schall mit einer festen Lautheit. Ein Vergleich der Lautstärkepegel eines 1 khz Sinustones und gleichmäßig angeregtem Rauschen zeigt, dass gleichmäßig angeregtes Rauschen bei gleichem Schalldruckpegel lauter als der Sinuston ist. Bei kleinen Pegeln sind die beiden Schalle fast gleichlaut. Über 20 db hat das gleichmäßig angeregte Rauschen eine größere Lautstärke als der 1 khz Ton mit gleichem Pegel. Ein gleichmäßig angeregtes Rauschen von 40 db ist so laut wie ein 1 khz Ton von 55 db. Mit Hilfe dieser Erkenntnisse ist es möglich, eine Lautheitsfunktion für gleichmäßig angeregtes Rauschen zu entwickeln. Das Ergebnis ist in Abbildung 18 durch die gepunktete Linie ausgedrückt. Die Lautheit von 1 sone ist bei gleichmäßig angeregtem Rauschen schon bei einem Pegel von 30 db erreicht. Die Lautheit steigt mit zunehmenden Pegeln steiler an, als die Lautheit des 1 khz Tones. Ab einem Pegel von 60 db kann dieser Verlauf mit der strichpunktierten Geraden in Abbildung 18 genähert werden. Diese entspricht einer Potenzfunktion mit einem Exponenten von 0,23. Der Effekt, dass die Lautheit von gleichmäßig angeregtem Rauschen bei einem Pegel von 60 db 3,5 mal größer ist als die Lautheit des Sinustones bei gleichem Pegel spielt eine wichtige Rolle bei der Lautheitsbewertung von Rauschen. Da sich der Sinuston und gleichmäßig angeregtes Rauschen besonders bei der Bandbreite unterscheiden, ist es ratsam, die Lautheit als eine Funktion der Bandbreite zu messen. Hier gilt es, besonders die Intensitätsdichte, die in Abbildung 19 gezeigt wird, zu beachten. Abb. 19: Gleiche Intensitätsdichte von Bandpassrauschen bei verschiedenen Bandbreiten Lästigkeitsindex für Straßenverkehrslärm Seite 27 Psychoakustische Parameter

38 Für weißes Rauschen ist sie frequenzunabhängig. Das Hinzufügen eines Bandpassfilters und Veränderung seines Durchlassbereiches führt zu Schallen mit konstanter Intensitätsdichte. Da die Lautstärke vom Schallpegel abhängig ist, muss darauf geachtet werden, dass der Schallpegel unverändert bleibt, wenn man die Bandbreite verändert. Ein anderer Weg, die Abhängigkeit der Lautheit von der Bandbreite zu untersuchen ist, die Messung der Lautheit als Funktion des Frequenzunterschiedes f zweier Töne gleichen Pegels. Für Frequenzunterschiede bis 10 Hz kann das menschliche Gehör den Schwebungen der zwei Töne folgen, die zu der Lautheitsempfindung beitragen. Der Spitzenwert entspricht dem doppelten Wert des Schalldruckpegels des Einzeltones und hat eine Lautstärke von 66 phon. Das bedeutet, dass für kleine Frequenzdifferenzen f die Lautstärke durch den Spitzenwert des Schalldruckpegels bestimmt wird. In dem Bereich der Frequenzunterschiede, in dem das menschliche Ohr die zeitliche Veränderung der Einhüllenden des Schalldrucks nicht mehr wahrnimmt, wird die Lautstärke durch die Intensität des Schalles erzeugt. Bei Frequenzunterschieden größer als 160 Hz nimmt die Lautstärke des gleichlauten 1 khz Referenztones stark zu. Dieser Anstieg endet erst bei einem f von 2000 Hz. Bei einem f größer als 2000 Hz entspricht die Pegelzunahme 10 db, was der Addition der Lautheiten zweier einzelner Töne entspricht. Da eine Zunahme von 10 db des 1 khz Tones eine Verdoppelung der Lautstärke bewirkt, kann man die Lautstärke bei großen Frequenzunterschieden zweier Töne berechnen, indem man die Lautstärke der einzelnen Töne addiert [5] Zeitliche Effekte Natürliche Schalle wie Sprache und Musik sind nicht dauerhaft und daher zeitabhängig. Somit ist die Lautheit eines Schalles auch zeitabhängig. Die Lautstärke eines Schallimpulses nimmt ab einer Dauer kleiner 100 ms ab. Für länger andauernde Schalle ist die Lautstärke unabhängig von der Dauer. Die Lautheit nimmt bei einer Schalldauer von etwa 10 ms um die Hälfte ab, dies entspricht einer Lautstärke von 50 phon, wenn die Lautstärke bei ununterbrochenem Erklingen des Schalles 60 phon beträgt. Abbildung 20 zeigt den Lautstärkepegel in Abhängigkeit von der Schalldauer. Bei einer Reduzierung der Schalldauer um den Faktor 10 wird die Lautstärke um 10 phon reduziert. Oberhalb von 100 ms ist die Lautstärke unabhängig von der Schalldauer [5]. Lästigkeitsindex für Straßenverkehrslärm Seite 28 Psychoakustische Parameter

39 Abb. 20: Lautstärke eines 2 khz Tonimpulses, mit einem Schalldruckpegel von 57 db, in Abhängigkeit von der Tonimpulsdauer. Gestrichelte Linien zeigen Näherungen Modell der Lautheit nach Zwicker Die vorhergegangenen Abschnitte befassten sich mit verschiedenen Effekten, die nützlich für eine Beschreibung der Lautheit sind. Neben der Frequenzgruppenbreite spielt auch die Frequenzselektivität des menschlichen Gehörs eine wichtige Rolle bei der Bestimmung der Lautheit. Um die Lautheit komplexer Schalle zu berechnen, sollte der Erregungspegel in Verbindung mit den Frequenzgruppen als Grundlage genutzt werden. Die Lautheit N ist das Integral der spezifischen Lautheit N über die Frequenzgruppen. (14) Die spezifische Lautheit N wird nach Gleichung (15) berechnet. Hierbei ist E 0 = 10 4 der Bezugswert der Schallintensität I 0 = W/cm 2, E(z) die Erregung an der Stelle der Tonheit z, E HS (z) die Erregung des im Gehör vorhandenen Grundgeräusches, s(z) der Schwellenfaktor für hohe und tiefe Frequenzen, N 0 die Bezugslautheit, die so gewählt ist, dass sich für einen 1 khz Sinuston mit dem Schalldruckpegel von 40 db eine Lautheit von N = 1 sone ergibt [5]. (15) Lästigkeitsindex für Straßenverkehrslärm Seite 29 Psychoakustische Parameter

40 3.8 Schärfe Die Schärfe ist wie die Lautheit ein wesentliches Merkmal zur Beurteilung von Schallen und lässt sich getrennt von anderen Empfindungsgrößen messen. Je größer der hochfrequente Anteil eines Schalles relativ zum Gesamtspektrum ist, umso schärfer wird er empfunden. Da es bei einer Pegelsteigerung von 30 db lediglich zu einer Verdoppelung der Schärfe kommt, kann die Pegelabhängigkeit für Schalle mit kleinen Pegeldifferenzen vernachlässigt werden. Ist die Bandbreite eines Schalles kleiner als die Frequenzgruppenbreite, so ist die Schärfe nur gering von der Bandbreite abhängig. Die wichtigsten Größen, die die Schärfe beeinflussen, sind das Spektrum und die Mittenfrequenz von schmalbandigen Schallen. Daher muss ein Referenzschall von 1 khz, 60 db und einer Bandbreite von f f G = 160 Hz eingeführt werden. Als Einheit wurde der Ausdruck acum (lat. scharf) gewählt. Für den Referenzschall beträgt die Schärfe1 acum. Er ist in Abbildung 21 durch ein Kreuz markiert. Abb. 21: Schärfe von frequenzgruppenbreiten Schmalbandrauschen in Abhängigkeit von der Mittenfrequenz (durchgezogene Linie), von Bandpassrauschen mit einer oberen Grenzfrequenz von 10 khz in Abhängigkeit von der unteren Grenzfrequenz (gestrichelte Linie), und von Bandpassrauschen mit einer unteren Grenzfrequenz von 0,2 khz in Abhängigkeit von der oberen Grenzfrequenz (punktierte Linie). Das Kreuz markiert den Standardton mit einer Schärfe von 1 acum Die durchgezogene Linie entspricht der Schärfe eines frequenzgruppenbreiten Rauschens in Abhängigkeit von der Rauschmittenfrequenz. Für schmalbandiges Rauschen nimmt die Schärfe mit zunehmender Mittenfrequenz zu. Hohe Spektralanteile sind für eine sehr ausgeprägte Schärfe verantwortlich. Die Bandbreite eines Schalles ist Lästigkeitsindex für Straßenverkehrslärm Seite 30 Psychoakustische Parameter

41 eine weitere Größe, die die Schärfe beeinflusst. Um diesen Effekt zu messen, werden zwei feste und zwei variable Größen benutzt. Eine feste Größe ist die untere Grenzfrequenz des Rauschens bei 200 Hz. Die veränderbare Größe ist hier die obere Grenzfrequenz. Erhöht man die obere Grenzfrequenz ab 300 Hz, so erhöht sich auch die Schärfe. Die gepunktete Linie in Abbildung 21 zeigt dieses Verhalten. Eine weitere Möglichkeit ist, die obere Grenzfrequenz von 10 khz als Konstante, und die untere Grenzfrequenz als Variable zu nutzen. Die untere Grenzfrequenz wird soweit gesenkt bis ein Breitbandrauschen mit einer Bandbreite von 200 Hz bis 10 khz entsteht. Diese Verschiebung der Frequenz führt zu einer Senkung der Schärfe. Die gestrichelte Linie zeigt den Verlauf. Die Schärfe eines Schmalbandrauschens bei 1 khz, zu dem ein höherfrequentes Rauschen addiert wird, um ein Breitbandrauschen von 1 khz bis 10 khz zu erzeugen, nimmt von 1 acum zu 2,5 acum zu. Dieser Effekt ist zu erwarten, denn das Hinzufügen von hochfrequenten Anteilen bedeutet auch eine Zunahme der Schärfe. Die Schärfe nimmt ab, wenn tieffrequente Anteile hinzugefügt werden [5] Modell der Schärfe nach Zwicker und Aures Dieses Modell zur Beschreibung der Schärfe basiert auf dem Lautheits-Tonheitsmuster, da die spektrale Einhüllende die Hauptgröße ist, die die Schärfe beeinflusst. Die spektrale Einhüllende wird in der Psychoakustik auch durch das Erregungspegel- Lautheitsmuster, bzw. durch die spezifischen Lautheiten beschrieben. Die Zunahme der Schärfe bei höheren Frequenzen kann genutzt werden, um eine Gewichtsfunktion g(z) zu entwickeln. Von 1 Bark bis 16 Bark hat sie einen Wert von 1 und steigt für Frequenzen größer 16 Bark exponentiell an. Zwicker gibt Gleichung (16) zur Berechnung der Schärfe an. c ist hierbei ein Normierungsfaktor, der den Wert 1 acum bei einem schmalbandigen 1 khz Ton von 60 db wiedergibt [5]. (16) Untersuchungen mit Testschallen ergeben einen zu großen Wert der Schärfe für Schalle mit hoher Frequenzlage. Daraufhin wurde die Gleichung (16) von Aures modifiziert. Gleichung (17) zeigt diese verbesserte Schärfefunktion [9]. Lästigkeitsindex für Straßenverkehrslärm Seite 31 Psychoakustische Parameter

42 (17) Die Gewichtsfunktion g (z) wird gegeben durch Gleichung (18). (18) 3.9 Rauhigkeit und Schwankungsstärke Die Rauhigkeit und Schwankungsstärke sind ebenso wie die Lautheit und Schärfe Empfindungsgrößen, die in der Psychoakustik als elementare Empfindungsgrößen bezeichnet werden. Die Rauhigkeit ist eine Empfindung, die bei schnellen Hüllkurvenfluktuationen im Bereich von 15 Hz bis 300 Hz auftritt und kann als unangenehm wahrgenommen werden. Bei langsamen Schwankungen (Modulationen) unterhalb von 15 Hz definiert sich die Hörempfindung Schwankungsstärke. Für beide psychoakustischen Größen gelten die gleichen Berechnungscharakteristika. Ein Beispiel zur Empfindung der Rauhigkeit ist die Darbietung zweier Sinustöne mit der gleichen Amplitude. Die beiden Frequenzen f 1 und f 2 sind anfangs gleich. Durch Vergrößern von f 2 entsteht eine Schwebung f = f 2 f 1. Diese Schwebung wird als einzelner Ton mit der Frequenz f = f 1 + f/2 wahrgenommen. Überschreitet f einen Wert von ca. 15 Hz, so empfindet man an Stelle der Schwebung eine gewisse Rauhigkeit. Wird die Frequenzunterscheidungsgrenze f D überschritten, so werden zwei Töne mit unterschiedlichen Frequenzen wahrgenommen [21] Abhängigkeiten der Rauhigkeit Als Einheit für Rauhigkeit wurde asper (lat. rauh) gewählt und für die Schwankungsstärke wurde die Einheit vacil definiert. Um die Rauhigkeit qualitativ zu beschreiben, muss wiederum ein Referenzschall eingeführt werden. Ein 1 khz Ton, der mit 70 Hz amplitudenmoduliert ist, einen Modulationsgrad von m = 1 besitzt und einen Pegel von 60 db hat, entspricht einer Rauhigkeit von 1 asper. Bei Amplitudenmodulation wird die Rauhigkeit durch den Modulationsgrad und die Modulationsfrequenz beeinflusst. Die Abhängigkeit der Rauhigkeit von der Modulationsfrequenz gilt auch für Töne mit anderen Mittenfrequenzen. Abbildung 23 zeigt diese Abhängigkeit bei verschiedenen Lästigkeitsindex für Straßenverkehrslärm Seite 32 Psychoakustische Parameter

43 Mittenfrequenzen mit einem Modulationsgrad von m = 1. Der Verlauf weist eine Bandpasscharakteristik auf. Von kleinen Modulationsfrequenzen steigt die Rauhigkeit bei logarithmischer Ordinate linear an. Das Maximum hängt nur unterhalb einer Mittenfrequenz von 1 khz von der Modulationsfrequenz ab. Ab einer Mittenfrequenz von 1 khz ist das Maximum bei einer Modulationsfrequenz von 70 Hz. Bei kleineren Mittenfrequenzen verschiebt es sich in Richtung kleinerer Modulationsfrequenzen. Terhardt und Vogel stellten den in Gleichung (19) dargestellten Zusammenhang zwischen Rauhigkeit und Modulationsgrad m bei amplitudenmodulierten Sinustönen fest. (19) Abb. 22: Rauhigkeit von amplitudenmodulierten Tönen mit einem Modulationsgrad von m=1 und gegebenen Mittenfrequenzen in Abhängigkeit von der Modulationsfrequenz Bei Terhardt hat der Exponent den Wert p = 2, bei Vogel ist p = 1, 5. Die Abhängigkeit der Rauhigkeit vom Schallpegel ist sehr gering. Bei einer Verminderung des Pegels um 20 db nimmt die Rauhigkeit um den Faktor 2 ab [21] Modell der Rauhigkeit nach Fastl Die Frequenz- und Zeitauflösung des menschlichen Gehörs sind zwei Hauptfaktoren für die Rauhigkeitsempfindung. Die Frequenzauflösung wird durch das Erregungsmuster oder durch das spezifische Lautheits-Tonheitsmuster dargestellt. Es wird angenommen, Lästigkeitsindex für Straßenverkehrslärm Seite 33 Psychoakustische Parameter

44 dass das Gehör nicht in der Lage ist, die Frequenz genau wahrzunehmen und nur im Bereich der ganzen Tonheitsskala Veränderungen des Erregungspegels oder der spezifischen Lautheit wahrnimmt. Daher basiert das Modell auf Veränderungen des Erregungspegels durch Modulation. Es modelliert die Bandpasscharakteristik der Rauhigkeit durch die Multiplikation der Maskiertiefe L (Differenz zwischen Minimum und Maximum der zeitlichen Maskierung) mit der Modulationsfrequenz f mod. (20) Die Maskiertiefe L wird für kleine f mod groß und strebt gegen null bei großen f mod. Bei einer f mod von 70 Hz ist das Produkt maximal. Bei diesem Modell werden jedoch nicht die spezifischen Rauhigkeiten berücksichtigt. Eine Erweiterung dieses Ansatzes führt zu Gleichung (21). (21) Eine genaue Berechnung der Rauhigkeit unter Verwendung der Maskiertiefe L ist jedoch nicht möglich. Die Ergebnisse führen zwar zu qualitativen Übereinstimmungen mit gemessenen Rauhigkeiten, sind aber nicht sehr aussagekräftig [21] Modell der Rauhigkeit nach Aures Die Grundlage für die Berechnungen nach Aures stellen spezifische Rauhigkeiten r (z) dar. Für die spezifische Rauhigkeit wird ein gewichteter, effektiver Modulationsgrad m der Erregungszeitfunktion an der Stelle z der Tonheit verwendet. Er wird aus dem Quotienten aus dem Effektivwert der bandpassgefilterten Hüllkurve an der Stelle z und dem Gleichanteil des Betrages der ungefilterten Erregungszeitfunktion gebildet. Die Rauhigkeit wird nach Gleichung (21) durch Aufsummierung der Teilrauhigkeiten r i berechnet. Die Teilrauhigkeiten werden noch mit den Mittelwerten der normierten Kreuzkorrelationskoeffizienten k i 1 und k i der bandpassgefilterten Hüllkurvenzeitfunktionen der Bänder i-1, i und i, i+1 gewichtet [9]. (22) Lästigkeitsindex für Straßenverkehrslärm Seite 34 Psychoakustische Parameter

45 3.10 Tonhaltigkeit (Klanghaftigkeit) Die Tonhaltigkeit ist ein Maß für den Anteil von tonalen Komponenten im Spektrum des Schalls. Sie drückt aus, ob es sich bei einem Schall um einen Klang bestehend aus tonalen Anteilen, oder um ein Geräusch handelt. Bei breitbandigen Geräuschen gilt, je mehr tonale Komponenten enthalten sind, umso lästiger wird dieses Geräusch empfunden. Es gibt zwei unterschiedliche tonale Komponenten: zum einen einzelne Töne und andererseits ausgeprägte, schmalbandige Rauschanteile. Hörbare reine Töne können, obwohl ihr Beitrag zur Lautheit sehr gering sein kann, als lästig empfunden werden, wenn sie in breitbandigen Geräuschen auftreten. Schmalbandige Geräuschanteile haben nur dann einen Einfluss auf die Tonhaltigkeit, wenn deren Bandbreite kleiner als die kritische Bandbreite ist, dann werden sie vom Ohr als tonale Komponente wahrgenommen Modelle der Tonhaltigkeit Terhardt führte 1974 erste Untersuchungen zur Bestimmung der Tonhaltigkeit durch und kam zu einem Ansatz, die tonalen Komponenten in einem Geräusch zu finden. Als erstes wird das Zeitsignal in den Frequenzbereich transformiert und das Spektrum nach lokalen Pegelmaxima L i abgesucht. Ein solches Maximum muss folgende Bedingung erfüllen: (23) Ist Gleichung (23) erfüllt, so werden diese sieben FFT-Bins als tonale Komponente erkannt und aus dem Spektrum entfernt [21]. Aures erweitert die Ansätze von Terhardt bezüglich schmalbandiger Geräuschanteile. Es werden auch die Einflüsse von Pegelüberschuss (Abstand des Pegels der tonalen Komponente zum Pegel des Geräuschanteils), Frequenzlage und Bandbreite berücksichtigt. Abbildung 23 zeigt die Abhängigkeit der relativen Klanghaftigkeit von der Frequenz bei Sinustönen (Kreise), Bandpassrauschen mit der Bandbreite 30 Hz (Rauten) und Bandpassrauschen mit der Bandbreite 1 khz (weiße Dreiecke). Lästigkeitsindex für Straßenverkehrslärm Seite 35 Psychoakustische Parameter

46 Abb. 23: Relative Klanghaftigkeit in Abhängigkeit von der Tonheit für Sinustöne (Punkte), Bandpassrauschen mit einer Bandbreite von 30 Hz (Rauten) und 1 khz (weiße Dreiecke) sowie Hochpassrauschen mit einer unteren Grenzfrequenz von 2 khz (schwarzes Dreieck) Bei Sinustönen nimmt die Klanghaftigkeit mit wachsender Tonheit z ab, bei Rauschen hingegen nimmt sie zu. Dies ist damit zu erklären, dass die für das Gehör relevante Bandbreite der Rauschsignale, in Tonheitsdifferenzen z angegeben, mit wachsender Tonheit abnimmt und die Rauschsignale immer tonartiger werden. Abbildung 24 zeigt die Abhängigkeit der relativen Klanghaftigkeit von der Bandbreite z. Der Verlauf folgt der Gleichung (24). (24) Der Pegelüberschuss L i der i-ten tonalen Komponente mit der Frequenz f i lässt sich durch Gleichung (25) berechnen. (25) Lästigkeitsindex für Straßenverkehrslärm Seite 36 Psychoakustische Parameter

47 Abb. 24: Relative Klanghaftigkeit in Abhängigkeit von der Bandbreite z. Der Verlauf wird durch Gleichung (24) angenähert Hierbei ist L i der Pegel der tonalen Komponente und A Ek die Amplitude der Flankenerregung einer k-ten tonalen Komponente an der Stelle f i. E Gr (f i ) ist die Erregungsintensität des Geräuschanteils und E HS (f i ) die Erregung an der Stelle f i. Die Abhängigkeit der Klanghaftigkeit von der Frequenz wird mit Gleichung (26) dargestellt. Der Verlauf für Sinustöne wird in Abbildung 23 durch die gestrichelte Linie dargestellt. (26) Da ein Ansteigen des Pegelüberschusses über 20 db bis 30 db keine Rolle für die Klanghaftigkeit spielt, wird der Pegelüberschuss mit einer Gewichtungsfunktion (27) gewichtet, die für große L i gegen eins strebt. (27) Da die Klanghaftigkeit auch von der Lautheit abhängig ist, wird die Lautheit des Geräuschanteils N Gr mit der Lautheit des Gesamtschalles N durch Gleichung (28) in Bezug gesetzt. Lästigkeitsindex für Straßenverkehrslärm Seite 37 Psychoakustische Parameter

48 (28) Die Klanghaftigkeit berechnet sich mit Gleichung (29). (29) Als Referenzschall zur Bestimmung der Tonhaltigkeit (Klanghaftigkeit) wird ein 1 khz Sinuston mit einem Pegel von 60 db verwendet. Dessen Tonhaltigkeit beträgt 1 tu (tonality unit). Der Faktor c in Gleichung (29) dient zur Normierung [9] Lästigkeit und Wohlklang Die Hörempfindung Wohlklang kann als Gegenstück zur Lästigkeit von Schallen aufgefasst werden. Sowohl der Wohlklang als auch die Lästigkeit repräsentieren Hörwahrnehmungen, die von den bereits beschriebenen Hörempfindungen wesentlich beeinflusst werden. Mit zunehmender Rauhigkeit, Schärfe und Lautheit nimmt der Wohlklang ab und umgekehrt führt bei zunehmender Klanghaftigkeit zu einem hohen Wert des Wohlklanges zu. Als besonders lästig werden Geräusche, welche durch hohe Lautheit, große Schärfe, deutliche Rauhigkeit und Ausgeprägtheit der Tonhöhe charakterisiert werden, beschrieben. Während für die Hörempfindungen Lautheit, Schärfe und Rauhigkeit bezüglich Wohlklang und Lästigkeit gegenläufige Anforderungen bestehen, nimmt sowohl der Wohlklang als auch die Lästigkeit mit zunehmender Ausgeprägtheit der Tonhöhe zu. Lästigkeitsindex für Straßenverkehrslärm Seite 38 Psychoakustische Parameter

49 4. Aufnahme/Wiedergabetechnik und Signalverarbeitung 4.1 Allgemeines Als Grundlage für den psychoakustischen Hörversuch wurde mittels stereofoner Aufnahmetechnik (Kunstkopf) eine Geräuschdatenbank für Fahrzeugvorbeifahrten an Autobahnen und Schnellstraßen erstellt. Die Aufnahmen wurden nach folgenden Kriterien durchgeführt und unterteilt: Personenkraftwagen (PKW) o Geschwindigkeitsprofile: 100 km/h, 130 km/h Lastkraftwagen (LKW) o Geschwindigkeitsprofil: 90 km/h Des Weiteren wurden anhand der durchgeführten Auswertung der österreichischen Datenbank für die Autobahnen und Schnellstraßen (Quelle: ASFINAG Autobahnenund Schnellstrassen- Finanzierungs- Aktiengesellschaft) die drei am häufigsten vorkommenden Fahrbahndecken ausgewählt, an welchen die Aufnahmen durchgeführt worden sind. Fahrbahndecken auf höherrangigen Straßen in Österreich Länge [km] AB Beton BT BT-I BT-II BT-III DA DD-H DD-K DD-W EO GA MAK SMA Fahrbahndecke Abb. 25: Analyse der Anteile der Deckenarten auf dem Streckennetz der ASFINAG (für höherrangiges Straßennetz: Autobahnen und Schnellstraßen) Lästigkeitsindex für Straßenverkehrslärm Seite 39 Aufnahme/Wiedergabetechnik/Signalverarbeitung

50 Aus der durchgeführten Auswertung wurde folgende Farbahndecken für die Aufnahmen ausgewählt: Asphaltbeton (AB) Beton Splittmastixasphalt (SMA) Um die Aufnahmen in 100m Entfernung (Annahme anhand von Vorkenntnissen auf dem Gebiet der Verkehrslärmmessung) durchführen zu können, waren homogene Straßenstücke laut RVS 3.02 (Richtlinien und Vorschriften für den Straßenbau) auf einer Länge von 600m mit freier Ausbreitung (Freifeld) und ohne Störeinflüsse (Umgebungslärm usw.) erforderlich. Definition eines homogenen Straßenstückes laut RVS 3.02: 3 x der Normalabstand des Aufnahmeortes zur Straße = homogene Länge links und rechts vom Aufnahmeort Die Geschwindigkeiten der PKW und LKW wurden mit dem Lasermessgerät der Marke Riegl LR gemessen. Um meteorologischen Einflüssen vorzubeugen, wurden die Aufnahmen jeweils in der Nacht (zwischen 2.00 und 4.00 Uhr) bei gleichen Temperaturen, gleichem Luftdruck und Windstille durchgeführt. Die Daten von Temperatur, Luftdruck und Wind am Aufnahmeort wurden mit dem Wetter-Messgerät Kestrel 4000 gemessen. Geräuschaufnahmen der Fahrzeuge: Aufnahme Splittmastixasphalt (Ort: A2 bei Ilz - km Fahrtrichtung Graz) Streckenabschnitt Aufnahmepunkt Abb. 26: Verkehr-Grundkarte des Geografischen-Informations-System Steiermark - SMA Lästigkeitsindex für Straßenverkehrslärm Seite 40 Aufnahme/Wiedergabetechnik/Signalverarbeitung

51 Aufnahme Beton (Ort: A9 bei Leibnitz km 213,5 - Fahrtrichtung Slowenien) Aufnahmepunkt Abb. 27: Verkehr-Grundkarte des Geografischen-Informations-System Steiermark - Beton Aufnahme Asphaltbeton (Ort: S36 bei St. Michael ob Leoben km 5 Fahrt- Richtung St. Michael) Aufnahmepunkt Abb. 28: Verkehr-Grundkarte des Geografischen-Informations-System Steiermark - Asphaltbeton Lästigkeitsindex für Straßenverkehrslärm Seite 41 Aufnahme/Wiedergabetechnik/Signalverarbeitung

52 4.2 Binaurale Aufnahme- und Wiedergabetechnik Die binauralen Aufnahmen wurden mit einem Kunstkopf (HMS II von HEAD acoustics) und dem integrierten HEAD-DATA-Recorder (HDR VI) aufgezeichnet. Abb. 29: Freifeld-Aufnahmen von PKW und LKW an der Autobahn Die gesamten Daten der Aufnahmen wurden mittels der Software HEAD-Audio- Recorder 5.02 auf die Workstation im Psychoakustik-Labor übertragen. Aus den Gesamtaufnahmen wurden anhand des Messprotokolls einzelne definierte Fahrzeuge mit der Audiosoftware Adobe Audition 1.5 herausgeschnitten. Anhand der Definition des Psychoakustischen Hörversuches (siehe Kapitel 5) wurden aus der Geräuschdatenbank mit den einzelnen Fahrzeugen mit Hilfe der Audiosoftware definierte Fahrzeugensembles synthetisch erzeugt. Die Anzahl der PKW und LKW in einem Fahrzeugensemble wurden aus Verkehrszählungen einer durchschnittlich belasteten, höherrangigen Straße (DTV - durchschnittlicher täglicher Verkehr) erstellt (Quelle: ASFINAG Datenbank). Um vergleichbare Ensembles in weiterer Folge zu analysieren, wurden die Vorbeifahrtspunkte der Fahrzeuge in allen Ensembles als Trigger Punkte verwendet, sodass bei allen Stimuli zum gleichen Zeitpunkt eine Vorbeifahrt stattfindet. Ebenso wurden die Zeitlücken zwischen den einzelnen Fahrzeugen aufgrund von vorhandenen Auswertungen (Quelle: IBV-Fallast: Fahrzeugverteilungen auf Autobahnen) gewählt. Lästigkeitsindex für Straßenverkehrslärm Seite 42 Aufnahme/Wiedergabetechnik/Signalverarbeitung

53 Die Wiedergabe der einzelnen Fahrzeugensembles erfolgt über das eigens dafür installierte Hörversuchslabor, welches mit einer Beschallungsanlage (siehe Kapitel 5.2.2) ausgestattet wurde. Normalerweise wird das Schallereignis einer Kunstkopf-Aufnahme über Kopfhörer direkt am Ohreingang in den Gehörgang des Probanden eingespeist. Die binauralen Signale des Kunstkopfs enthalten die Richtungsinformationen, wie: Laufzeitdifferenzen, Beugung und Abschattung der Signale am Kopf, am Außenohr sowie den Schultern. Die daraus entstehenden frequenzabhängigen, ohrspezifischen Pegeldifferenzen werden Spektraldifferenzen genannt. Man kann quasi "mit den Ohren des Kunstkopfs" realitätsnah hören. Werden Kunstkopfaufnahmen mit Lautsprechern wiedergegeben, so fehlt die erforderliche scharfe Trennung zwischen dem linken und rechten Kanal. Durch Übersprechkompensation nimmt man nun eine zusätzliche Trennung vor. Dabei wird der auf das rechte Ohr übersprechende Anteil des linken Signals ausgelöscht und umgekehrt. Durch spezielle Positionierung der Lautsprecher erfolgte diese Kompensationsberechnung für die gegenphasigen Kompensationssignale und gilt für genau einen Punkt im Raum, dem so genannten "Sweet Spot", in dem den Probanden die Fahrzeugensembles dargeboten worden sind. Bei einem ersten Hörversuch wurden den Probanden die Fahrzeugensembles auch alternierend über Kopfhörer und Lautsprecher zugespielt und von diesen bewertet. Als Ergebnis wurde festgestellt, dass sich keine Unterschiede in der Bewertung der Lästigkeit aufgrund der Beschallungssituation - Kopfhörer oder Lautsprecher - ergaben, jedoch bei den Probanden die Form der Beschallung mit Lautsprechern einen natürlicheren und angenehmeren Eindruck hinterließen. Aus diesem Grund wurde für die weitere Studie auch die Form der Lautsprecherbeschallung gewählt. Lästigkeitsindex für Straßenverkehrslärm Seite 43 Aufnahme/Wiedergabetechnik/Signalverarbeitung

54 Abb. 30: Aufnahme-Equipment und ArtemiS-Analyse-Software 4.3 Audiosignalverarbeitung von Effekten Die Aufnahmen wurden, wie vorhergehend beschrieben, in einer Entfernung von 100m durchgeführt. Um Aussagen bezüglich unterschiedlicher Distanzen treffen zu können, wurde eine Distanztransformation von Fahrzeugvorbeifahrten modelliert. Zu diesem Zweck wurden monaurale Aufnahmen gemacht und diese im Anschluss daran als Hörversuchsvergleich und Präsentationsmittel im IEM-CUBE mittels der Software PD ( Pure Data - Graphical Computer Music System) mehrkanalig wiedergegeben. Lästigkeitsindex für Straßenverkehrslärm Seite 44 Aufnahme/Wiedergabetechnik/Signalverarbeitung

55 4.3.1 Distanztransformation - Anwendungsbeispiel Aufgabenstellung: Distanztransformation von PKW-Vorbeifahrt und Mehrkanalwiedergabe von Vorbeifahrt- Geräuschen auf Basis von Mono-Aufnahmen. Annahmen: Fahrzeug mit konstanter Geschwindigkeit. Messung mit zwei Messmikrofonen in unterschiedlichem, definiertem Abstand. Mono-Aufnahmen Messequipment: 2 AKG CK 92 Blue Line Kondensatorkapsel 2 AKG SE300B Speiseadapter CK RME Fireface 800 Laptop Lästigkeitsindex für Straßenverkehrslärm Seite 45 Aufnahme/Wiedergabetechnik/Signalverarbeitung

56 Abbildungsskizze der durchgeführten Aufnahmen: Abb. 31: Abbildungsskizze der durchgeführten Aufnahmen Definition der verwendeten Größen: d 1 Normalabstand von Mikrofon 1 zur Fahrbahn d 2 Normalabstand von Mikrofon 2 zur Fahrbahn x bzw. x(t) Position des vorbeifahrenden KFZ auf der Fahrbahn, wobei x = 0 auf der Höhe der Aufnahme gesetzt wird Lästigkeitsindex für Straßenverkehrslärm Seite 46 Aufnahme/Wiedergabetechnik/Signalverarbeitung

57 Lästigkeitsindex für Straßenverkehrslärm Seite 47 Aufnahme/Wiedergabetechnik/Signalverarbeitung v konstante Geschwindigkeit des KFZ c Schallausbreitungsgeschwindigkeit r 1, r 2 bzw. r 1 (t), r 2 (t) Abstand des KFZ zu den Mikrofonen s 1 (t), s 2 (t) Schallsignale Berechung des Weges in Abhängigkeit der Zeit, wobei der Zeitursprung t = 0 in den Moment der Vorbeifahrt gelegt wird. Weiters lassen sich folgende Berechnungen durchführen: Definition der Geschwindigkeit: t s v = ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( t v d t x d t r t v d t x d t r t v t x + = + = + = + = = Berechung der Annäherungs- bzw. Entfernungsgeschwindigkeit v 2 : ) ( ) ( ) ( ) '( ) ( t v d t v t r t x v t v t v t x + = = = Achtung: v 2 nimmt positive und negative Werte an. (30) (31) (32) (33) (34)

58 Für die Distanztransformation einer Vorbeifahrtsaufnahme sind folgende Effekte zu berücksichtigen: a) Einfluss der Tonhöhe (Tonhöhenänderung - pitch shifting) aufgrund des Dopplereffektes b) Schallpegeländerung c) Frequenzabhängige Luftabsorption d) Frequenzabhängige Filterung aufgrund der winkelabhängigen Abstrahl- Charakteristik ad a) Dopplereffekt: Die von einem Beobachter wahrgenommene Frequenz ändert sich, sobald sich der Wellenerreger (bzw. die Schallquelle) und der Beobachter relativ zueinander bewegen. In diesem Fall: bewegte Quelle (KFZ) und ruhender Beobachter (Messmikrofon) f A/E = f 0 v 1m c (A/E: Annäherung /Entfernung; Ausdrücke für v << c ungefähr gleich) (35) f(t) = f 0 v ( t)' 1+ c (36) Daraus ergibt sich eine zeitabhängige Transposition T(t) in cent von: T(t) = ( ld (1+ v v ( ) ( ) c c 2 d 2 + ( v t) v v ( ) ( ) c c d ( v t) 2 2 ) ) (37) Lästigkeitsindex für Straßenverkehrslärm Seite 48 Aufnahme/Wiedergabetechnik/Signalverarbeitung

59 ad b) Schallpegeländerung gemäß folgender geometrischer Vorgaben: r1 ( t) s 2 (t) = s1(t) r ( t) 2 (38) s (t) = s (t) 2 1 d d ( v t) + ( v t) 2 2 (39) ad c) Einfluss der frequenzabhängigen Luftabsorption ( Ausbreitung von Schallwellen bei der Ausbreitung von Luft ): Siehe VDI-Richtlinie 2714 Schallausbreitung im Freien [51] Die Abhängigkeit der Luftabsorption bezieht sich auch auf die Temperatur und Luftfeuchtigkeit. Berechnungsformel: db (r2 (t) - r (t)) m x 1 (40) x db/m Umwandlung aus Dämpfungskoeffizient α L in db/km für Frequenzen in Herz Berechnung anhand des Beispieles: Distanztransformation für die durchgeführten Aufnahmen PKW (Skoda Felicia) Transformation von 50m auf 100m : d 1 = 50m d 2 = 100m Gemessene Werte bei der Aufnahme: 10 C Temperatur 70% Luftfeuchtigkeit Lästigkeitsindex für Straßenverkehrslärm Seite 49 Aufnahme/Wiedergabetechnik/Signalverarbeitung

60 Berechnung der maximalen Pegelunterschiede: Frequenz [Hz] maximaler Pegelunterschied [db] 250-0, , , , , Tab. 4: Berechnung der maximalen Pegelunterschiede Die Realisierung der frequenzabhängigen Pegelunterschiede erfolgte mit der digitalen Audiobearbeitungssoftware Adobe Audition 1.5. ad d) Frequenzabhängige Filterung aufgrund der winkelabhängigen Abstrahl- Charakteristik Aus dem Harmonoise source model for road vehicles entwickelt [49], (40) wobei für die vertikale Ausbreitungsrichtung: und für horizontale Ausbreitungsrichtung gilt: (41) (42) Wobei φ die Winkelabweichung von der Normalrichtung ist, also im Vorbeifahrtsmoment gilt φ = 0. sin ( ϕ (t)) = 1 x(t) x (t) 2 + = v t d 1 (v t) + d1 (43) Lästigkeitsindex für Straßenverkehrslärm Seite 50 Aufnahme/Wiedergabetechnik/Signalverarbeitung

61 Damit gilt für: L 1 2(t) = 5 abs v t (v t) 2 + d 2 2 v t (v t) 2 + d 2 1 (44) Als Beispiel für d 2 = 2 d 1 und x = d 1 /2 gilt: L = -1 db Als Beispiel für d 2 = 2 d 1 und x = d 1 gilt: L = -1,3 db Als Beispiel für d 2 = 2 d 1 und x = d 2 gilt: L = -0,9 db Die Implementierung der Daten erfolgte unter Matlab 7.0 über einen zeitvarianten Shelving-Filter 1.Ordnung [18]. Lästigkeitsindex für Straßenverkehrslärm Seite 51 Aufnahme/Wiedergabetechnik/Signalverarbeitung

62 5. Psychoakustisches Versuchsdesign 5.1 Allgemeines Psychoakustische Hörversuche haben das Ziel, subjektive Wahrnehmungen von Versuchspersonen quantitativ zu erfassen. Ein Hörtest prüft die Reaktionen der Versuchspersonen auf dargebotene Reize oder Stimuli in einem sinnvollen Zeitrahmen und wird statistisch ausgewertet Adaptierung des Psychoakustik-Labors am ISV Insbesondere für Arbeiten im Bereich der Experimentellen Audiologie, für die Abhaltung psychoakustischer Experimente, werden Reflexionsarme Räume benötigt. Um den psychoakustischen Hörversuch mit den Freifeldaufnahmen (siehe Kapitel 4) unter Laborbedingungen durchführen zu können, wurde im Rahmen dieser Diplomarbeit ein reflexionsarmer Abhörraum (Hörversuchslabor) am Institut für Straßen- und Verkehrswesen eingerichtet. Um die gering nachteiligen, geometrischen Gegebenheiten zu kompensieren, war es notwendig, einige akustische Anpassungen zur Erfüllung der Richtlinien der European Broadcasting Union (EBU) [52] und der International Telecommunication Union (ITU) [53] bezogen auf die Nachhallzeit und die Hintergrundgeräusche für Abhörräume vorzunehmen. Zur Optimierung der Akustik (Verbesserung der Nachhallzeit und Reduktion des Schalldruckpegels) wurde die Fensterfront (doppelte Ausführung von hoch dämmenden Schallschutzfenstern) des Raumes mit einem Akustik-Vorhang (hoch absorbierender Vorhang) ausgestattet. Die Seitenwände und die Decke wurden mit schallabsorbierenden Akustik-Dekorplatten (Material: absorbierender Melaminharzschaum) ausgestattet. Zur zusätzlich Dämmung von auftretenden Raummoden wurden Stellwände mit Akustik-Dekorplatten erstellt und in Verwendung gebracht. Weiters wurden im Hörversuchslabor ein Interface (Monitor und Maus) und eine Beschallungsanlage (detaillierte Beschreibung siehe Kap ) installiert. Über das Interface erfolgt die selbstständige Steuerung des Hörversuches durch den Probanden. Die zusätzlichen technischen Apparaturen wurden neben dem Hörversuchslabor in einem Regieraum (Assistentenraum) untergebracht, so dass nur das notwenige Equipment (Interface und die Lautsprecher) im Labor vorhanden ist, um weiteren Lärm- und Reflexionsquellen vorzubeugen. Lästigkeitsindex für Straßenverkehrslärm Seite 52 Psychoakustisches Versuchsdesign

63 5.2.1 Blockschaltbild des Hörversuchslabors Grundriss des adaptierten Hörversuchslabors am Institut für Straßen- und Verkehrswesen der Technischen Universität Graz: Abb. 32 : Blockschaltbild des Hörversuchslabor Lästigkeitsindex für Straßenverkehrslärm Seite 53 Psychoakustisches Versuchsdesign

64 5.2.2 Blockschaltbild der technischen Apparaturen Blockschaltbild der technischen Apparaturen im Hörversuchslabor und Regieraum des Psychoakustik-Labors: Abb. 33 : Blockschaltbild der technische Apparaturen Lästigkeitsindex für Straßenverkehrslärm Seite 54 Psychoakustisches Versuchsdesign

65 5.3 Experimentelles Design des Hörversuches Kombination einer direkten Größenschätzung mit einem Paarvergleich Die Meßmethoden zur Messung von Empfindungsgrößen lassen sich grob in zwei Gruppen einteilen, je nach dem ob die Versuchsperson selbst aktiv in die Messung eingreift, oder ob sie vom Versuchsleiter die Reizgrößen dargeboten bekommt, die sie anschließend beurteilen muss. Beim hier durchgeführten Hörversuch wurde eine softwaremäßige Versuchsanordnung entwickelt. Die Versuchsperson kann durch Anklicken eines Startsymbols an dem dafür installierten Monitor selbst den Versuchsablauf steuern. So hat die Versuchperson die Möglichkeit, jede der zu testenden Größen miteinander zu vergleichen, für sich selbst eine Rangordnung festzulegen, gegebenenfalls eine Testgröße mehrmals anzuhören und die dabei wahrgenommen Lästigkeit durch das Anklicken eines Markers in der Lästigkeitsskala zu beurteilen. Diese Urteile könne zu jedem Zeitpunkt innerhalb einer Bewertung verändert werden Defintion des Hörversuches Die aus den Einzelfahrzeugen erstellten Fahrzeugensembles wurden in 5 unterschiedlichen Bewertungsphasen (BW1 bis BW5) von den Probanden auf ihre Lästigkeit bewertet. Das Skalenniveau der Lästigkeit wurde auf einer Intervallskala von 11 Stufen dargestellt. Es wurden nur die Bereiche wenig lästig bis sehr lästig definiert. Die weitere Einteilung des Lästigkeitsurteils wurde jedem Probanden selbst überlassen, um so wenig wie möglich Einfluss auf die Testperson zu nehmen. Fahrzeugensemble 1 wenig lästig sehr lästig Fahrzeugensemble 2 wenig lästig sehr lästig Fahrzeugensemble 3 wenig lästig sehr lästig Abb. 34: Lästigkeitsskala Lästigkeitsindex für Straßenverkehrslärm Seite 55 Psychoakustisches Versuchsdesign

66 Definition der einzelnen Bewertungsphasen und deren randomizierter Reihenfolge, welche beim Hörversuch den Probanden zur Beurteilung dargeboten wurde: 1. Bewertung (BW1) Fahzeugensemble (30sec) 5 PKW mit 130km/h 1 LKW mit 90km/h Beton (A9 Leibnitz) Fahzeugensemble (30sec) 5 PKW mit 130km/h 1 LKW mit 90km/h Asphaltbeton (S36 Weiglmoar) Fahzeugensemble (30sec) 5 PKW mit 100km/h 1 LKW mit 90km/h Asphaltbeton (S36 Weiglmoar) Fahzeugensemble (30sec) 5 PKW mit 130km/h 1 LKW mit 90km/h Beton (A9 Leibnitz) Reproduzierbarkeit des Probanden Fahzeugensemble (30sec) 5 PKW mit 100km/h 1 LKW mit 90km/h Beton (A9 Leibnitz) Abb. 35: Bewertungsphase 1 Lästigkeitsindex für Straßenverkehrslärm Seite 56 Psychoakustisches Versuchsdesign

67 2. Bewertung (BW2) Fahzeugensemble (30sec) 5 PKW mit 100km/h 1 LKW mit 90km/h SMA (A2 Ilz) Fahzeugensemble (30sec) 5 PKW mit 130km/h 1 LKW mit 90km/h Beton (A9 Leibnitz) Fahzeugensemble (30sec) 5 PKW mit 100km/h 1 LKW mit 90km/h Beton (A9 Leibnitz) Fahzeugensemble (30sec) 5 PKW mit 130km/h 1 LKW mit 90km/h SMA (A2 Ilz) Fahzeugensemble (30sec) 5 PKW mit 130km/h 1 LKW mit 90km/h Beton (A9 Leibnitz) Reproduzierbarkeit des Probanden Abb. 36 : Bewertungsphase 2 Lästigkeitsindex für Straßenverkehrslärm Seite 57 Psychoakustisches Versuchsdesign

68 3. Bewertung (BW3) Fahzeugensemble (30sec) 5 PKW mit 100km/h 1 LKW mit 90km/h Asphaltbeton (S36 Weiglmoar) Fahzeugensemble (30sec) 5 PKW mit 100km/h 1 LKW mit 90km/h SMA (A2 Ilz) Fahzeugensemble (30sec) 5 PKW mit 130km/h 1 LKW mit 90km/h Asphaltbeton (S36 Weiglmoar) Fahzeugensemble (30sec) 5 PKW mit 130km/h 1 LKW mit 90km/h SMA (A2 Ilz) Fahzeugensemble (30sec) 5 PKW mit 130km/h 1 LKW mit 90km/h Asphaltbeton (S36 Weiglmoar) Reproduzierbarkeit des Probanden Abb. 37: Bewertungsphase 3 Lästigkeitsindex für Straßenverkehrslärm Seite 58 Psychoakustisches Versuchsdesign

69 4. Bewertung (BW4) Fahzeugensemble (30sec) 6 PKW mit 130km/h Beton (A9 Leibnitz) Fahzeugensemble (30sec) 6 PKW mit 100km/h Beton (A9 Leibnitz) Fahzeugensemble (30sec) 6 PKW mit 130km/h SMA (A2 Ilz) Fahzeugensemble (30sec) 6 PKW mit 130km/h Asphaltbeton (S36 Weiglmoar) Fahzeugensemble (30sec) 6 PKW mit 100km/h Asphaltbeton (S36 Weiglmoar) Fahzeugensemble (30sec) 6 PKW mit 130km/h Beton (A9 Leibnitz) Reproduzierbarkeit des Probanden Fahzeugensemble (30sec) 6 PKW mit 100km/h SMA (A2 Ilz) Abb. 38: Bewertungsphase 4 Lästigkeitsindex für Straßenverkehrslärm Seite 59 Psychoakustisches Versuchsdesign

70 5. Bewertung (BW5) Fahzeugensemble (30sec) 6 LKW mit 90km/h Beton (A9 Leibnitz) Fahzeugensemble (30sec) 6 LKW mit 90km/h Asphaltbeton (S36 Weiglmoar) Fahzeugensemble (30sec) 3 LKW mit 90km/h Asphaltbeton (S36 Weiglmoar) Fahzeugensemble (30sec) 3 LKW mit 90km/h Beton (A9 Leibnitz) Fahzeugensemble (30sec) 3 LKW mit 90km/h SMA (A2 Ilz) Fahzeugensemble (30sec) 6 LKW mit 90km/h SMA (A2 Ilz) Fahzeugensemble (30sec) 6 LKW mit 90km/h Beton (A9 Leibnitz) Reproduzierbarkeit des Probanden Abb. 39: Bewertungsphase 5 Lästigkeitsindex für Straßenverkehrslärm Seite 60 Psychoakustisches Versuchsdesign

71 5.3.3 Software Hörversuchsoberfläche Die Hörversuchsoberfläche zur Steuerung und Bewertung der Testgrößen durch den Probanden wurde mit der Software Microsoft Visual Basic 6.0 als stand-alone- Programm entwickelt. Die Ergebnisse der einzelnen Bewertungen werden in eine Microsoft Excel Tabelle zur weiteren Verarbeitung ausgegeben. Abb. 40: Hörversuchsoberfläche Lästigkeitsindex für Straßenverkehrslärm Seite 61 Psychoakustisches Versuchsdesign

72 5.4 Durchführung des Hörversuches Ablauf des Hörversuches Die Probanden wurden durch eine Information zum Thema Verkehrslärm und einer kurzen Darstellung des Projektes Lästigkeitsindex für Straßenverkehrslärm auf den Hörversuch eingeführt. Zuerst erfolgte die Befragung zum Thema vorhandene Hörhilfen oder etwaige Erkrankungen im Bereich des Gehörs (siehe Kapitel 9.2). Im Anschluss daran wurde ein Audiometrietest mit dem jeweiligen Probanden im Frequenzbereich zwischen 500 Hz und 8 khz vorgenommen, um so eine Aussage über das jeweilige Hörvermögen zu erhalten oder womöglich auch eine Altersschwerhörigkeit festzustellen. Danach wurde mit dem Probanden der psychoakustische Hörversuch zur Beurteilung von Verkehrslärm durchgeführt. Dem Probanden wurde erklärt, dass er im besonderen die Charakteristik des Geräusches beurteilen soll und nicht die unterschiedliche Lautheit der einzelnen Ensembles der ausschließliche Beurteilungsgrund für die Lästigkeit sein soll. Weiters wurde darauf hingewiesen, sich zuerst alle Ensembles in einer Bewertungsphase anzuhören und erst dann die Bewertung durchzuführen oder auch im Paarvergleich zu beurteilen. Die Bewertung der Ensembles konnte nur in der jeweiligen Bewertungsphase korrigiert werden. Nach Abschluss einer Phase war dies nicht mehr möglich. Zum Schluss wurde dem Probanden noch ein Fragebogen bezüglich der Auseinandersetzung mit Lärm zur Auswertung vorgelegt (siehe Kapitel 9.3). Der gesamte Hörversuch inklusive der Befragungen, Ablauf siehe Abbildung 41, dauerte ca. 50 Minuten. Lästigkeitsindex für Straßenverkehrslärm Seite 62 Psychoakustisches Versuchsdesign

73 Abb. 41: Ablauf des Hörversuchs Abb. 42: Probandin beim Hörversuch im Psychoakustik - Labor Lästigkeitsindex für Straßenverkehrslärm Seite 63 Psychoakustisches Versuchsdesign