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.
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.
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.
Der Bezugspunkt ist 1 sone, dies entspricht einem Sinuston mit 1000Hz bei einem Pegel von 40dB.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Die Psycho-Akustik ist ein spezielles Gebiet der Akustik.
Wie hören wir? Was hören wir?
Die Psycho-Akustik beschäftigt sich mit der menschlichen Wahrnehmung von Schall.
Die Grundlagen der Psycho-Akustik wurden schon vor über 100Jahren gelegt. In den letzten Jahren haben die praktischen Anwendungen deutlich zugenommen. Die bekannteste Anwendung ist sicher das verlust-behaftete Audiokompressionsverfahren MP3. Viele Gegenstände des Alltags werden jedoch schon nach psycho-akustischen Kriterien vermessen, da so eine bessere Objektivität und Vergleichbarkeit gewährleistet wird.
Die wichtigste psychoakustische Größe ist die Lautheit, die in sone gemessen wird. Dieser Begriff entspricht dem englischen Begriff Loudness und darf nicht mit dem Begriff Lautstärke verwechselt werden.
Neben der Lautheit, sind Größen wir Schärfe, Tonhaltigkeit, Rauhigkeit usw. verbreitet.
Hier finden Sie unser Messystem Akulap, aber auch Plug-ins für die APX Serie von Audio Precision (Schwerpunkt Psycho-Akustik)
In diesem Artikel beschreiben wir die wichtigste psycho-akustische Größe, die Lautheit, die in sone gemessen wird.
Die Lautheit beschreibt unser Hörvermögen wesentlich besser als das klassische dezibel. Seit Jahrzehnten sind hoch präzise Schallpegelmessgeräte verfügbar, die den Schallpegel mit hoher Genauigigkeit erfassen und typischerweise in dB(A) anzeigen. Eine solche Messung ist im wesentlichen an physikalischen Größen orientiert und hat nur eine begrenzte Anpassung an unser Hörvermögen.
Die wichtigste Frage ist: Ist Schallquelle A lauter oder leiser als Schallquelle B?
Messverfahren zur Lautheit sind seit vielen Jahren etabliert und Stand der Technik. Solche Messverfahren sind u.a. in unserem Audio-Messsystem Akulap integriert.
Wir unterstützen nicht nur das klassische stationäre Verfahren (ISO532B) sondern auch zeit-variante Messverfahren.
Ein wichtiges Ziel der akustischen Messtechnik ist es, die wahrgenommene Lautstärke objektiv durch Messtechnik zu erfassen.
Grundlage ist zunächst der physikalische Schallpegel. Dieser Schallpegel wird in Pascal (Pa) gemessen und kann durch Mikrofone mit hoher Genauigkeit erfasst werden.
Hiermit ist die Aufgabe jedoch noch nicht gelöst. Das Ziel ist es ja, die subjektive Wahrnehmung durch das menschliche Ohr zu erfassen. Ist Schallereignis A lauter oder leiser als Schallereignis B?
Unser Ohr ist in der Lage einen Wertebereich in Pa von 1 bis 3.000.000 mit Bezug zur Hörschwelle zu erfassen. Solche Werte sind etwas „unhandlich“, daher verwendet man eine logarithmische Skala -das Dezibel- und erreicht so einen Wertebereich von 0 bis 130dB
Die bisherigen Angaben gelten gleichmäßig für den gesamten Hörbereich von 20 bis 20000Hz. Unser Ohr nimmt jedoch mittlere Frequenzen (1-5kHz) besser wahr als tiefe und hohe Frequenzen. Daher „bewertet“ man den Frequenzbereich und bildet so das Hörvermögen besser ab. Die Z-Bewertung enthält keinerlei Bewertung, sondern ist über den Hörbereich konstant. International standardisiert sind die „A“ und „C“-Kurven, es gibt aber noch weitere.
Es wäre zunächst naheliegend zu vermuten, dass es nur eine Kurve geben sollte. Unser Ohr ändert jedoch das Verhalten mit dem Schallpegel. Trotzdem wird vielfach die A-Kurve verwendet und es werden heutzutage nahezu alle Schallpegel in dB(A) angegeben. Es ist der de facto Standard weltweit. Das hat auch historische Gründe, da diese Bewertungen technisch sehr einfach realisierbar sind. Sie finden diese Funktion daher in jedem Schallpegelmesser.
Die Angabe in dB(A) bildet unser Hörvermögen nur unzureichend ab, da diese genau genommen nur für einzelne Töne und bei konstantem Pegel gilt. Der Höreindruck ändert sich aber mit dem Schallpegel. Diese Effekte werden in dem psychoakustischen Modell von Zwicker berücksichtigt. Es ist in der ISO532-B standardisiert. Die Lautheit wird hier in sone angegeben. Dieses Verfahren eignet sich für stationäre Signale. Dies sind Signale, die sich nicht zeitlich verändern. Sie dürfen im Gegensatz zum einfachen dB(A)-Wert, jedoch ein beliebiges Spektrum (Einzelton, Multiton, Rauschen usw.) aufweisen. Zusätzlich wird die pegelabhängige Änderung des Hörvermögens berücksichtigt.
Diese Verfahren wird seit vielen Jahren für Lüftungsanlagen, Lüfter, Motoren mit konstanter Drehzahl usw. verwendet.
Das Verfahren nach ISO532B eignet sich nicht für Signale, die sich schnell ändern, wie Impulse usw. Eine Weiterentwicklung ist das zeitvariante Modell nach DIN45631/A1, das auch zeitliche Verdeckungseffekte berücksichtigt. Unser Hörvermögen ändert sich nicht nur mit Pegel und der Frequenz, sondern auch mit den Schallanteilen, die zeitlich vor (und in geringem Maße auch hinter) dem eigentlichen Schallereignis sind. Dieses Modell stellt den Stand der Technik für Bestimmung der Lautheit dar. Es kann für jedes Schallereignis einen Wert bestimmen, mit dem man verschiedene Schallereignisse vergleichen kann.
Es sagt aber noch nichts über die „Lästigkeit“ eines Geräuschs aus. Hierfür werden noch Zuschläge für Schärfe, Rauhigkeit, Impulsivität, Tonalität und Schwankungsstärke verwendet.
Die Grenzen dieses Modells
Jedoch haben auch diese Modelle ihre Grenzen, da auch psychische Faktoren eine Rolle spielen. Die „Lästigkeit“ eines Zahnarztbohrers kann sicher nicht korrekt erfasst werden. Auch menschliche Schreie usw. werden nur unzureichend abgebildet.
Sie können mit unserer Software Akulap u.a. folgende erweiterten Parameter aus der Psychoakustik messen
In unserem Audio-Messsystem Akulap sind alle hier vorgestellten psycho-akustischen Paramterer integriert.
Wir unterstützen nicht nur das klassische stationäre Verfahren (ISO532B) sondern auch zeit-variante Messverfahren.
Audio Precision bietet mit der APX Software ein leistungsfähiges Framework für automatische Audiomessungen an. Diese Software unterstützt die folgenden Geräte: APX555, APX515, APX525, APX585 sowie das neue APX flex für ASIO kompatible Soundkarten.
Wir bieten daher verschiedene Module als Plugin für die APX Familie an. Diese Plugins fügen sich nahtlos in den Sequence Mode ein, so dass Sie alle Messfunktionen und Auswertungen der APX Software nutzen können. Die Berechnung erfolgt im Hintergrund mit unserer Software Akulap.
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Klassische Schallpegelmessungen basieren im wesentlichen auf der DIN61672-1, die verschiedene akustische Messgrößen definiert. Im wesenlichen sind dies jedoch physikalische Messgrößen.
Dies sind insbesondere die Werte LAEQ und LCEQ usw. . Diese Werte beschreiben jedoch nur sehr unzureichend unser Hörvermögen. Einzig finden wir eine Frequenzbewertung, die A und C-Kurve. Diese Kurven berücksichtigen, dass wir hohe und tiefe Frequenzen nicht so stark wahrnehmen. Das zeitliche Verhalten des Ohres wird mit den Slow/Fast/Impulse Kurven nicht sinnvoll angenähert. Die Messverfahren in der Norm DIN61672-1 orientieren sich eher an den technischen Möglichkeiten von 1950.
Der physikalische Schallpegel steht bei vielen Messungen eigentlich nicht im Vordergrund. Entscheidend ist vielmehr die wahrgenommene Lautheit.
Wie "laut" ist Ereignis A zu Ereignis B?
Hier sind psychoakustische Messgrößen wesentlich besser geeignet. In den letzten Jahren hat sich die Größe "sone" gerade bei Lüftungsanlagen weit verbreitet.
Wir haben einige Grundlagen der Psychoakustik zusammengefasst.
Wir messen u.a. folgende Parameter
Müssen Sie andere psychoakustischen Parameter messen? Kontaktieren Sie uns. Wir haben in der Regel auch für exotische Messaufgaben Lösungen.