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Hintergrundinformationen für Psycho-Akustik

Einleitung und Motivation

Schall kann zunächst mit Hilfe von verschiedenen physikalischen Größen wie Schalldruck, Schallintensität oder Schallenergie beschrieben werden.

Diese Werte spiegeln aber nur unzulänglich die subjektiv wahrgenommene Lautstärke wieder. Eine erste Näherung stellen die verschiedenen Gewichtungskurven (Bewertung) dar. Sie berücksichtigen die unterschiedliche Empfindlichkeit des menschlichen Ohres in Abhängigkeit der Frequenz. Diese Empfindlichkeiten sind allerdings pegelabhängig. Daraus resultieren eine Vielzahl von unterschiedlichen Gewichtungskurven. Am gebräuchlichsten sind die A und C Kurven. Ein Sinuston geringer Lautstärke von z.B. 50dB(A) wird bei unterschiedlichen Frequenzen als gleichlaut empfunden. Diese Ergebnisse gehen auf die Forschungsarbeiten von Barkhausen zurück, die er um 1920 veröffentlicht hat. Allerdings sind reine Sinustöne in der Natur eher selten, so daß das Hörempfinden nur ungenau abgebildet wird. Die breite Verwendung dieser Meßwerte liegt einzig darin, daß sie vergleichsweise einfach aus den physikalischen Größen zu bestimmen sind. Daher sind diese Bewertungen mittlerweile in nahezu allen Handschallpegelmessern enthalten.

Schallpegel in dB(A)

Schall wird üblicherweise mit einem Mikrofon zunächst in ein elektrisches Signal umgewandelt. Der Effektivwert (RMS) dieses Signals ist ein Maß für den Schallpegel. Diese Größe beschreibt zwar den physikalischen Pegel korrekt. Sie eignet sich jedoch nicht, um die Wahrnehmung des Pegels sinnvoll zu beschreiben. Hierfür wird das Signal zeitlich und im Frequenzbereich gefiltert, um eine grobe Annäherung an die Wahrnehmung zu erreichen. Die wichtigste Bewertungskurve ist die A-Kurve. Hohe und tiefe Frequenzen gehen deutlich gemindert in die Berechnung ein. Das Ohr hat allerdings, je nach Pegel, unterschiedliche Bewertungskurven. Gebräuchlich ist noch die C-Kurve. Da eine Anzeige in einem Schallpegelmesser nicht einem zeitlich schwankenden Pegel folgen kann, wird das Signal im Zeitbereich bewertet (gefiltert). Das entspricht einer Dämpfung eines Zeigerinstruments. Üblich sind die Zeitbewertungen Impuls (I 35ms), Fast (F 125ms) und Slow (S 1s). Zusätzlich wird der Schallpegel entsprechend der Sinneswahrnehmung logarithmiert (Anzeige erfolgt in dB). Diese Funktionen finden Sie in nahezu jedem Schallpegelmesser, da diese technisch auch einfach umgesetzt werden können. Dadurch ist eine hohe Vergleichbarkeit der Messwerte gegeben. Allerdings beschreibt ein Schallpegel in dB(A) die Sinneswahrnehmung nur sehr unzureichend. Ein identischer Schallpegel kann deutlich unterschiedlich wahrgenommen werden. Daher werden zunehmend psychoakustische Messgrößen wie Lautheit in Sone verwendet. Hier ist eine deutlich bessere Vergleichbarkeit gegeben.

Lautheit/Loudness (Sone)

Ein breitbandiges Rauschen erzeugt eine andere subjektiv wahrgenommene Lautstärke als ein einzelner Ton gleichen Pegels gemessen in dB(A). Daher ist dieses einfache Maß nur eingeschränkt aussagefähig. Zwicker hat solche psychoakustischen Effekte intensiv untersucht und Modelle für das Hörempfinden erstellt. Ein einfacher Effekt ist z.B. der Verdeckungseffekt (Maskierung). Besteht ein Signal aus einem lauten Ton, so werden leisere Tone nicht wahrgenommen. Niemand würde bei einem Symphoniekonzert das leise Trippeln einer Maus erkennen, obwohl diese in leisen Musikphasen hörbar wäre. Diese und andere Effekte dienen auch als Grundlage für verlustbehaftete Audiokomprimierung wie z.B. das sehr bekannte MP3 Verfahren zur Komprimierung von Musik. Hier werden Signalanteile, die gemäß den Modellen nicht gehört werden können, nicht gespeichert.

Basierend auf seinen umfangreichen Hörtests hat Zwicker ein Lautheitsmaß (engl. Loudness) entwickelt, das für stationäre Signale ein deutlich verbessertes Maß als dB(A) darstellt. Die Einheit der Lautheit ist Ssone. Im Gegensatz zur dB(A) ist dies eine lineare Größe. Dies heißt, daß z.B. 2 sone doppelt so laut sind wie 1 sone.

Bezugspunkt 1 sone

Der Bezugspunkt ist 1 sone, dies entspricht einem Sinuston mit 1000Hz bei einem Pegel von 40dB.

Anwendungen

Die Anwendungen sind z.B. in der Beurteilung von Klimaanlagen, Lüftungsanlagen aber auch typischen PC-Komponenten wie Festplatten oder CPU-Kühler etc. Die Lautheit berücksichtigt die subjektiv wahrgenommene Lautstärke. Sie beschreibt allerdings nicht wie angenehm oder störend ein Ton ist. Ein Sinuston wird von vielen Menschen sicher angenehmer empfunden als das Geräusch eines Zahnarztbohrers gleicher Lautheit.

Die Berechnung der Lautheit basiert auf den Ergebnissen einer Terzanalyse (1/3 Oktave). Die Messung der Lautheit erfordert zudem eine Kalibrierung auf absolute Schallpegel.

Es haben sich im Wesentlichen zwei Verfahren etabliert:

Für stationäre Signale: DIN 45631 bzw. ISO 532B. Dieses Verfahren ist seit vielen Jahrzehnten verfügbar und eignet sich insbesondere für Lüftungsanlagen, wo das Signal konstant also zeit-invariant ist. Dieses einfache Modell berücksichtigt nicht die zeitlichen Verdeckungseffekte des menschlichen Ohres.

Für zeit-variante Signale: DIN 45631 mit dem Anhang A1 bzw. ISO 532-1. Dieses Modell ist deutlich komplexer und beschreibt das Hörvermögen auch bei zeitlich veränderlichen Signalen und ist daher wesentlich allgemeiner verwendbar. Diese Methode wird häufig im NVH (Noise Vibration Harshness) eingesetzt.

Spezifische Lautheit

Die spezifische Lautheit, ist die Lautheit pro Frequenzband. Stellt man die spezifische Lautheit über der Frequenz dar, so entspricht dies einem Spektrum. Allerdings verwendet man keine lineare Frequenzachse in Hz, sondern benutzt eine Barksskala, die dem Hörvermögen besser angepasst ist.

Integriert man die spezifische Lautheit über die Barkskala, so erhält man die Lautheit als Einzahlwert.

Perzentile

Akustische Parameter unterliegen über dem Zeitverlauf starken Schwankungen. Bei dem klassischen Parameter Schallpegel wird häufig energieäquivalent gemittelt (LEQ). Bei psychoakustischen Parametern verwendet man jedoch überwiegend Perzentile. Gebräuchlich sind die 5, 50 und 95% Perzentile. Ein 95% Perzentilwert von z.B. 73 Sone gibt an, daß 95% aller Messwerte in dem Zeitintervall oberhalb von 73 Sone liegen.

Schärfe / Scharpness DIN 45692

Die Schärfe gehört zu den wesentlichen Hörempfindungen nach Zwicker. Ein Ton wird als „schärfer“ empfunden, je höher Frequenzanteile im oberen Frequenzbereich vorhanden sind. Die Schärfe wird in der Einheit „Acum“ gemessen. Das Referenzsignal mit 1 Acum, besteht aus einem schmalbandigen Rauschen (920 Hz bis 1 080 Hz) bei einem Pegel von 60dB. Die Schärfe wird aus der Spezifischen Lautheit durch ein standardisiertes Gewichtungsverfahren berechnet.

Tonhaltigkeit DIN 45681

Enthält ein akustisches Ereignis, wahrnehmbare tonale Komponenten, so wird dies von der menschlichen Wahrnehmung besonders berücksichtigt. Im Allgemeinen steigt auch die „Lästigkeit“. Daher wird nach DIN 45681 ein Tonzuschlag im Bereich von 0 bis 6dB berechnet. Die Analyse basiert auf einer Schmalband-Analyse und berücksichtigt Verdeckungseffekte im Frequenzbereich.

Impulshaltigkeit

Enthält ein akustisches Ereignis, wahrnehmbare impulsartige Komponenten, so wird dies von der menschlichen Wahrnehmung besonders berücksichtigt. Im Allgemeinen steigt auch die „Lästigkeit“. Die Berechnung basiert auf einer Auswertung des Lautheitsverlaufs über der Zeit.

Rauhigkeit

Auch die Rauhigkeit gehört zu den Kernwahrnehmungen. Dieser Eindruck lässt sich mit zwei Tönen anschaulich erklären. Haben beide Töne die gleiche Frequenz, so hat dieser reine Einzelton keine Rauhigkeit. Erhöht man die Frequenz eines Tones, so entsteht ein Schwebungseffekt, der ähnlich wie eine Amplidutenmodulation wahrgenommen wird. Die Lautstärke schwankt mit der Differenzfrequenz. Ab einer Modulationsfrequenz von 20Hz tritt der Effekt der Rauhigkeit auf. Die Rauhigkeit wird in Asper gemessen. Ein Signal der Frequenz 1kHz mit einer Amplitudenmodulation mit 70Hz (Modulationgrad 100%) hat bei einem Pegel von 60dB eine Rauhigkeit von 1 Asper. Die Rauhigkeit ist nicht durch Normen verbindlich definiert. Seit einigen Jahren hat sich jedoch das Verfahren von Daniel&Weber etabliert.