Einführung in die Akustik und ihr Einführung in die Akustik und ihr Teilgebiet der PsychoakustikTeilgebiet der Psychoakustik

Die Definition des SchalldruckpegelsDie Definition des Schalldruckpegels

Eine der zentralen Größen in der Akustik ist der

Schalldruckpegel, der zur Beschreibung der

Lautstärke benötigt wird.  Dieser ist als

logarithmisches Maß für das Verhältnis zwischen

dem gemessenen Schalldruck und einem

Bezugsschalldruck definiert. Die Größe des

Schalldruckpegels  wurde eingeführt, damit man den

Wertebereich des Schalldrucks, den das Gehör

verarbeiten kann, mathematisch sinnvoll handhaben

und darstellen kann. Einen Überblick über die

Zuordnung zwischen Schallpegel und

entsprechender Lautstärkeempfindung soll durch die

Grafik verdeutlicht werden. Aus der Grafik ist auch

ersichtlich, dass das Gehör einen Wertebereich von

0 dB bis 120 dB verarbeiten kann.

A-BewertungA-Bewertung

Um der Tatsache Rechnung zu tragen, dass das menschliche Ohr Töne mit gleichem Schalldruck in unterschiedlichen Tonhöhen unterschiedlich laut empfindet, werden so genannte Frequenzbewertungskurven verwendet.Da die Krümmung der Kurven gleicher Lautstärkewahrnehmung und damit der Frequenzgang des Gehörs vom Schalldruckpegel abhängig ist, wurden für unterschiedlich hohe Schalldruckpegel unterschiedliche Bewertungskurven definiert:A-Bewertung: entspricht den Kurven gleicher Lautstärkepegel bei ca. 20-40 dB B-Bewertung: entspricht den Kurven gleicher Lautstärkepegel bei ca. 50-70 dB C-Bewertung: entspricht den Kurven gleicher Lautstärkepegel bei ca. 80-90 dB D-Bewertung: entspricht den Kurven gleicher Lautstärkepegel bei sehr hohen Schalldrücken (Verwendung bei Fluglärm) Bewertete Pegel werden durch den entsprechenden Buchstaben der Frequenzbewertung gekennzeichnet. Z. B. wird ein A-bewerteter Schalldruckpegel LpA oder Schallleistungspegel LWA in dB(A) angegeben.

Psychoakustische Kenngrößen - Psychoakustische Kenngrößen - HintergrundinformationenHintergrundinformationen

Psychoakustische Kenngrößen sind Empfindungsgrößen, die die Eigenschaften des menschlichen Gehörs berücksichtigen. Dadurch bilden diese Parameter eine sinnvolle Ergänzung zur physikalischen Messtechnik und zur subjektiven Beschreibung von Geräuschen. Zu diesen Größen zählen z.B.:

die Lautheit die Schärfe die Rauhigkeit die Tonhaltigkeit die Schwankungsstärke

Lautheit [sone]Lautheit [sone]

Zur Beschreibung der wahrgenommenen Lautstärke wird in nahezu allen bestehenden Vorschriften und Richtlinien der A-gewichtete Schalldruckpegel verwendet. Die psychoakustische Größe Lautheit stellt jedoch das geeignetere Maß zur Lautstärkeeinstufung dar, da dieser Parameter der Physiologie des menschlichen Gehörs (z.B. durch Berücksichtigung von Maskierung) besser angepasst ist.

Bei der Wahrnehmung von Geräuschen analysiert das menschliche Gehör

zu jedem Zeitpunkt den Schall hinsichtlich der auftretenden Frequenzen. Je nach Frequenzzusammensetzung des Geräusches treten dabei unterschiedliche Phänomene auf, die durch die psychoakustischen Parameter näher beschrieben werden können.

Im Bild ist die Wirkungsweise von Maskierungseffekten dargestellt. Ist zum Beispiel ein 1-kHz-Ton mit einem Schallpegel von 80 dB anwesend, so kann ein 2-kHz-Ton von 40 dB nicht mehr wahrgenommen werden. Das heißt, der 2-kHz-Ton kann fortgelassen werden, ohne dass ein Mensch diesen Unterschied hört. Tritt zusammen mit einem 1-kHz-Ton von 80 dB ein 2-kHz-Ton von 60 dB auf, kann man beide Töne wahrnehmen. Aber man kann diesen 2-kHz-Ton mit sehr schlechter Qualität übertragen: Selbst Störgeräusche von 40 dB können vom Menschen nicht mehr wahrgenommen werden.

Ursache Ursache

Diese Maskierungseffekte sind durch die Mechanik des menschlichen Innenohrs bedingt. Im Innenohr wird durch den Schall die Basilarmembran zum Schwingen gebracht. Jede Tonhöhe führt an einer anderen Stelle der Basilarmembran zur Resonanz, d.h. zu besonders starken Bewegungen. Diese Bewegungen werden von Nervenzellen, die über die Länge der Basilarmembran verteilt sind, abgetastet und führen so zu Hörempfindungen unterschiedlicher Tonhöhen. Die Mechanik des Innenohres ist so, dass hohe Töne direkt am Anfang der Basilarmembran zu Resonanzen und somit zur Erregung von Nervenzellen führen. Nach der Resonanzstelle werden sie stark abgedämpft und beeinflussen die für tiefere Töne zuständigen Nervenzellen nicht mehr. Tiefe Frequenzen müssen aber erst die gesamte Länge der Basilarmembran "entlanglaufen", bevor sie zur Resonanz und zur Erregung der Nervenzellen führen und bevor sie abgedämpft werden. Dies führt dazu, dass auch Nervenzellen für hohe und mittlere Tonhöhen die Bass-Schwingungen mitbekommen. Mittlere Töne müssen bei Anwesenheit tiefer Töne mindestens so stark sein, dass sie die Mit-Erregung durch die Bässe "übertönen".

AnwendungAnwendung

Bei Verfahren zur verlustbehafteten Audiokompression (z.B. MP3) werden solche Maskierungseffekte gezielt ausgenutzt, um

Frequenzanteile, die wegen Maskierung zur Zeit unhörbar sind, für diesen Moment auszufiltern,

oder um Frequenzbereiche, die teilweise maskiert werden, mit geringerer Qualität (d.h. mit

geringerer Datenrate) zu übertragen.

Bark-SkalaBark-Skala

Die normale Frequenzskala ist für die Beschreibung der

Prozesse im inneren Ohr nicht geeignet. Es passt nicht zur

Schnecke im Ohr – weder in linearer noch in logarithmischer

Skalierung, daher wird eine Einteilung des wahrnehmbaren

Frequenzbereiches in 24 kritische Bänder (Frequenzgruppen)

mit linearer Skala eingeführt. Die Einheit der Frequenzgruppen

ist BARK. Die Skala entspricht der Segmentlängen-Aufteilung

im Innenohr.

Lautheit BeispieleLautheit Beispiele

Das liegt daran, dass das Geräusch der Industriemaschine sehr breitbandig ist, das des Föns jedoch relativ schmalbandig.

Bei gleichem Pegel wirken breitbandige Geräusche lauter als schmalbandige.

Wie aus den Messwerten abzulesen ist, bildet die berechnete Lautheit diese Empfindung gut nach.

Fön

Industriemaschine

7,5 sone

13 sone

60 dB(A)

60 dB(A)

SchwankungsstärkeSchwankungsstärke

Sind die Frequenzen von zwei wahrgenommenen Tönen nur wenig verschieden, so nimmt man Schwankungen der Amplitude bzw. Modulationen wahr, die man als Schwebungen bezeichnet. Bis zu einer Modulationsfrequenz von ca. 13 Hz hat man den Eindruck, dass das Geräusch regelmäßig seine Lautstärke ändert, also periodisch lauter und leiser wird. Man spricht hierbei von Schwankungsstärke. Die Schwankungsstärke ist bei einer Modulationsfrequenz von 4 Hz am stärksten ausgeprägt. 

Schwankungsstärke BeispieleSchwankungsstärke Beispiele

Fmod=16Hz

0,4 vacil

Fmod=1Hz

0,5 vacil

Fmod=2Hz

0,8 vacil

Fmod=4Hz

1 vacil

Fmod=30Hz

0,1 vacil

Fmod=8Hz

0,8 vacil

SchärfeSchärfe

Ein Geräusch wird als zunehmend schärfer empfunden, je größer der Anteil an hohen Frequenzen in der spektralen Zusammensetzung des Geräusches ist. Die Schärfe ist eine der wichtigsten psychoakustischen Empfindungsgrößen, da sie einen erheblichen Einfluss auf die wahrgenommene Unangenehmheit von Schallreizen hat. 

Beispiele für scharfe Geräusche:      - Kreischen einer Kreissäge    - Zahnarztbohrer    - zischende Ventile    - Schleifgeräusche

DruckluftGebläse

Beispiele für „scharfe Geräusche“

RauhigkeitRauhigkeit

Liegt die Modulationsfrequenz im Bereich von ca. 13 bis ca. 200 bis 300 Hz, so stellt sich die Empfindung der Rauhigkeit ein. Den stärksten Rauhigkeitseindruck hat man bei einer Modulationsfrequenz von ca. 70 Hz.   Rauh klingende Geräusche verursachen im allgemeinen einen unangenehmen Höreindruck. 

Beispiele für rauhe Geräusche:    -Brummen vom Rasierapparat    -Nageln vom Diesel    -gesprochenes rollendes RIst der Frequenzabstand der beiden Töne noch größer als 200 bis 300 Hz, so nimmt man allmählich zwei getrennte Töne wahr.

Rauhigkeit BeispieleRauhigkeit Beispiele

Im nebenstehenden Beispiel werden jeweils  zwei Sinustöne der Frequenzen F1 und F2 nacheinander dargeboten. Für einen geübten Hörer ist eine leichte Änderung der Tonhöhe bemerkbar. Werden beide Töne jedoch gleichzeitig dargeboten, so entsteht eine Schwebung mit der Schwebungsfrequenz |F1 - F2|, die die Verstimmung der beiden Töne deutlich macht.

F1= 400 HzF2= 401 Hz

F1= 400 HzF2= 403 Hz

F1= 400 HzF2= 410 Hz

Schwebung- Rauhigkeit-Schwebung- Rauhigkeit-Wahrnehmung zweier getrennter TöneWahrnehmung zweier getrennter Töne

Die Frequenzabstände zwischen den beteiligten Tönen werden erhöht, so dass der Übergang der Empfindungen

Schwebung-

Rauhigkeit-

Wahrnehmung zweier getrennter Töne

deutlich wird.

F1= 400 HzF2= 600 Hz

F1= 400 HzF2= 403 Hz

F1= 400 HzF2= 440 Hz

Schwebung

Rauhigkeit

Wahrnehmung zweier getrennter Töne

TonhaltigkeitTonhaltigkeit

  Enthält ein Geräusch einen einzelnen deutlich wahrnehmbaren Ton oder mehrere tonale Komponenten, spricht man von Tonhaltigkeit. In der Regel verstärken tonhaltige Geräusche den unangenehmen Schalleindruck. Daher werden in Meß- und Beurteilungsverfahren bei solchen Geräuschen Zuschläge zum Schallpegel erhoben (siehe z.B. DIN 45681 Entwurf). Beispiele für tonhaltige Geräusche:      - pfeifender Fön    - Sirenen    - heulender Wind

Tonalität BeispieleTonalität Beispiele

Wenig tonal Tonal

VorteileVorteile

Die Bestimmung der psychoakustischen Kenngrößen liefert also einen den Eigenschaften des menschlichen Gehörs angepassten Satz von Parametern, mit denen sich die Wahrnehmung von Signalen besser beschreiben lässt als mit rein physikalischen Messgrößen.

QualitätssicherungQualitätssicherung

Psychoakustische Parameter reagieren sensibler auf

bestimmte Geräuschveränderungen als die üblichen

Pegelmaße. Sie lassen sich daher auch zur

Qualitätskontrolle einsetzen. Die Kenntnis sowohl der

objektiven physikalischen und psycho- akustischen

Parameter als auch der subjektiven Beschreibungen der

Wirkungen von Geräuschen ist Voraussetzung, um

durch Sounddesign eine Verbesserung der

Geräuschqualität vornehmen zu können!

ZusammenfassungZusammenfassung

Die Psychoakustik bildet somit eine sinnvolle Ergänzung der objektiven Beschreibung von Geräuschen, mit deren Hilfe sich die subjektive Wirkung von Schallreizen auf den Menschen näher erklären läßt.

Geräusche bei 100 km/hGeräusche bei 100 km/h

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