24.11.2017

Luftschallmessung

Der Frequenzanalysator im Ohr und  seine Funktionsweise
Die Basilarmembran ist quasi ein Frequenzanalysator, der aber nicht jede einzelne Frequenz erken-
nen kann. Die Lautstärke eines Schalles wird in sogenannte Frequenzgruppen zusammengefasst.
Über den Hörbereich von 20 – 15.500 Hz gibt es 24 Frequenzgruppen, die im Frequenzumfang unterschiedlich breit sind.
Frequenzliste Tabelle 1: Frequenzgruppen und der dazugehörige Frequenzbereich nach Prof. Zwicker
Im tiefen Frequenzbereich sind die Frequenzgruppen sehr schmal, zu hohen Frequenzen hin werden
diese immer breiter. Durch diese Funktionsweise können Frequenzanteile in einem Geräusch verdeckt werden, das heißt sie sind für uns nicht hörbar, obwohl sie physikalisch vorhanden sind.
Ebenso gibt es auch eine zeitliche Verdeckung. Die Basilarmembran, wenn sie denn ausgelenkt wur-
de, kann nicht x-beliebig schnell in ihre Ruhelage zurück schwingen, das dauert je nach Auslenkung
10 -100 ms. Wenn in dieser Zeit z.B. leise Geräusche auftreten, könne diese ebenfalls nicht oder nur
gering in der Lautstärke wahrgenommen werden.

Der “wirkungsangepasste Schalldruckpegel”
Die A-Bewertung

Anfang/Mitte der 60er Jahre wurde der A-bewertete Schalldruckpegel international eingeführt. Dabei war man sich bewusst, dass dieser das Hörempfinden von Menschen nur unzureichend berücksichtigt. Er dient als Indikator. Ein Lösungsansatz um diese Schwäche zu minimieren, und der ist heute noch gültig, ist das sogenannte “Äquivalenzverfahren”: man misst Schalldruckpegel über bestimmte Zeitabschnitte und addiert diese energetisch auf. Dies kommt dem Lautstärkeempfinden näher, hat aber immer noch große Schwächen, vor allem fehlt die Zeitstruktur des Geräusches.

Die Zwicker’sche Lautheitsberechnung

Von diesem Problem war ich in den letzten Jahren oft berührt, wenn es darum ging, menschliche Lärmempfindung und Messergebnisse zusammen zu führen. Einen Teil des Problems löst die “Zwicker’ sche Lautheitsberechnung”. Professor Zwicker war Physiker und Akustiker, der das menschliche Hörverhalten sehr detailliert untersucht hat. Es gibt dazu noch viele Mitarbeiter und Schüler von ihm, die das Verfahren vervollkommnet und verbessert haben. Entstanden ist daraus eine Schallanalysesoftware, die das menschliche Gehör modelliert.
Der Mensch beurteilt Schallereignisse nach
  • Einwirkungsdauer
  • spektraler Zusammensetzung
  • zeitlicher Struktur
  • Pegel
  • Informationsgehalt
  • subjektiver Einstellung
Die Vielfalt der Parameter zeigt, dass der Pegel alleine nur sehr unvollkommen eine Beurteilung einesSchallereignisses zulässt. Viele weitere Parameter sind notwendig. Das macht dieses Verfahren auch komplizierter und erfordert sehr schnelle Computer zur Berechnung. Wichtig dabei ist die Tatsache, dass die Zwicker’sche Lautheitsberechnung die nieder frequenten Anteile in einem Geräusch erheblich mehr gewichtet, als es die A-Schallpegelmessung tut. Um ein Schallereignis hinsichtlich seiner Lästigkeit und auch der Wirkung auf den Menschen zu charakterisieren, benutzt die Lautheitsberechnung nach Zwicker 5 Parameter.
Diese sind:
  • die Lautheit N, zur Beschreibung des Lautstärkeeindruckes
  • die Schärfe S, zur Beschreibung des Hochtonanteiles am Schallereignis
  • die Schwankungsstärke F, zur Beschreibung langsamer Lautstärkeschwankungen
  • die Rauhigkeit R, zur Beschreibung schneller Lautstärkeschwankungen
  • die Tonhaltigkeit, zur Beschreibung von auffälligen tonalen Anteilen in einem Geräusch.
Lautheit und Schärfe sind dabei die wichtigsten Größen. Ein großer Vorteil der Methode ist, dass der
Lautheitsmaßstab linear ist; ein Geräusch mit 8 sone ist doppelt so laut, wie eines mit 4 sone. Sone ist die Einheit, mit der die Lautheit angegeben wird.

Die Lautheitsmethode am praktischen Beispiel

Ein sehr schönes Beispiel aus dem alltäglichen Leben ist das von zwei vorbei fahrenden Mopeds. Das
Beispiel stammt von der TU München. Der berechnete, A-bewertete Schalldruckpegel, die offizielle
Bewertungsmethode, errechnet beide mit einem Schalldruckpegel von 75 dB(A).
Die errechnete Lautheit gibt ein Moped mit 39 sone und das zweite mit ca. 52 sone an, siehe dazu
Bild 3. Der obere Kurvenverlauf zeigt den A-bewerteten Schalldruckpegel, der untere Kurvenverlauf
die Lautheit über der Zeit.
A-Pegel und Lautheit

Bild 3: A-Pegel und Lautheit abhängig von der Zeit.  Quelle: TU München

Wer das Beispiel hören kann, wird dieses Ergebnis der Lautheitsberechnung bestätigen !
Das Spektrogramm der spezifischen Lautheit (engl. specific loudness) zeigt dann auch den Grund für
den Lautstärkeunterschied, siehe dazu Bild 4.
 Spektrogramm-Lautheit
Bild 4: Spektrogramm der spezifischen Lautheit – links Moped 1, rechts Moped 2
Quelle: TU München
Das Moped 1, links, ist am lautesten im Frequenzbereich von 500 – 1.300 Hz. Dagegen ist Moped 2
am lautesten im Frequenzbereich von 200 – 400 Hz und im Bereich von 1.300 bis 7.700 Hz. Die Frequenzzusammensetzung der zwei Mopedgeräusche ist also völlig unterschiedlich.
Welchen Einfluss die Frequenzzusammensetzung eines Geräusches hat, zeigt das folgende theoreti-
sche Beispiel:

Ein terzbreites, also relativ schmalbandiges, Rauschsignal, das mit 74 dB(A) vom Pegelmesser ermittelt wird (siehe Bild 4a), zeigt nach der Lautheitsberechnung eine spezifische Lautheit von 9,1 sone (siehe Bild 4b).

 Schalldruckpegel
Bild 4a: Schalldruckpegel von schmalbandigem Terzrauschen,
Mittenfrequenz 1.000 Hz   –  Quelle: J. Muck

 CriticalBandRate

Bild 4b: Spezifische Lautheit vom Terzrauschen –  Quelle: J. Muck

Ein Rauschsignal über den ganzen Hörbereich, also von 20 – 20.000 Hz (siehe Bild 5a), mit unterschiedlichen Terzpegeln führt ebenfalls zu einem Summenschalldruckpegel von 74 dB(A), wogegen die aus diesem Geräusch ermittelte Lautheit bei 41,1 sone liegt (siehe Bild 5b).

 BreitbandRauschen

Bild 5a: Breitbandiges Rauschen über den ganzen Hörbereich  – Quelle: J. Muck
CriticalBandRate
Bild 5b: Spezifische Lautheit vom Breitbandrauschen, siehe Bild 5a
Quelle: J. Muck
Es ist also bei einem Schalldruckpegel von 74 dB(A) ein Lautheitsunterschied von 41,1 zu 9,1 son,
also dem 4,5-fachen möglich. Das bedeutet, ein Geräusch, das 4,5-mal lauter ist, wird mit dem selben Schalldruckpegel ermittelt, wie das leisere. Dieses Beispiel zeigt eklatant den Mangel, der in der Schalldruckmessung verborgen ist, nämlich dass die Frequenzzusammensetzung unberücksichtigt bleibt. Menschen analysieren ein Geräusch aber nach der Frequenzzusammensetzung und nach dem Inhalt. Sie erleben darüber Wirkungen, wie Lästigkeit, Wohlklang, Störung oder Einbuße von Wohlbefinden und ähnlichem.

Resümee

Wenn wir Umweltanalytiker die Wirkung von Schallereignissen auf Menschen analysieren wollen,
müssen wir uns zumindest der Lautheitsbestimmung bedienen. Weitere Größen wie die
Tonhaltigkeit und die Modulationen sind ebenfalls nötig um Lästigkeit zu beschreiben. Messgeräte, wie der Acoustilizer AL1 und XL2 von der Firma NTI, handgehaltene Schallpegelmesser und Schallanalysatoren, lassen solche Bewertungen zu. Es wird damit möglich, aus einem Terz-
schalldruckspektrum die sogenannte stationäre Lautheit eines Schalles zu berechnen. Das ist be-
reits eine ansprechende Lösung für den Messtechniker/-in.
Die vorgestellten Analysenbeispiele der Mopeds sind mit einer Schallanalysesoftware der Firma Cortex mit dem Namen VIPER (visual perception of auditory signals) erstellt wo
rden. Das ist eine sehr umfangreiche Analysesoftware mit weitaus mehr Analysemöglichkeiten als hier vorgestellt.

Glossar

Der auditorische Cortex ist der Bereich im Gehirn, in dem die Höreindrücke verarbeitet werden.
EinFrequenzanalysator ist ein Messgerät, welches ein breitbandiges Geräusch, das aus vielen Ein-
zelfrequenzen zusammengesetzt ist, in die Einzelfrequenzen mathematisch zerlegt.
Die Lautheit, eine Größe für das menschliche Lautstärkeempfinden und andere psychoakustische
Größen wurden mit der Software VIPER berechnet. Diese Software erlaubt es das menschliche Hör-
verhalten zu simulieren.
Wohnbiologe
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