DE10020777A1 - Vorrichtung zur Ermittlung der psychoakustischen Rauhigkeit eines drehfrequenzabhängigen Geräusches - Google Patents

Vorrichtung zur Ermittlung der psychoakustischen Rauhigkeit eines drehfrequenzabhängigen Geräusches

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DE10020777A1
DE10020777A1 DE2000120777 DE10020777A DE10020777A1 DE 10020777 A1 DE10020777 A1 DE 10020777A1 DE 2000120777 DE2000120777 DE 2000120777 DE 10020777 A DE10020777 A DE 10020777A DE 10020777 A1 DE10020777 A1 DE 10020777A1
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Abstract

Vorrichtung zur Ermittlung der psychoakustischen Rauhigkeit eines drehfrequenzabhängigen Geräusches mit: einer akustischen Erfassungseinrichtung (1) zur Erfassung des drehfrequenzabhängigen Geräusches; einer Drehfrequenzerfassungseinrichtung (2) zur Erfassung der Drehfrequenz; einer Filtereinstell-Berechnungseinrichtung (15) zur Berechnung von Filter-Mittenfrequenzen und Filter-Frequenzbandbreiten in Abhängigkeit von der erfassten Drehfrequenz für mehrere einstellbare Bandpassfilter (9) einer Filterbank (8) zur spektralen Zerlegung des erfassten drehfrequenzabhängigen Geräusches durch jeweilige Filterung des drehfrequenzabhängigen Geräusches mittels der eingestellten Bandpassfilter (9); und mit einer Rauhigkeits-Berechnungseinrichtung (13) zur Berechnung der psychoakustischen Rauhigkeit in Abhängigkeit der von den Bandpassfiltern abgegebenen gefilterten Geräuschsignale.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ermittlung der psychoakustischen Rauhigkeit eines drehfrequenzabhängigen Geräusches.
Die subjektive Hörempfindung der psychoakustischen Rauhigkeit wird durch Amplituden­ schwankungen eines Geräusches hervorgerufen. Dabei ist für die subjektive Rauhigkeitsemp­ findung einer Person die Modulationsfrequenz fm, die Trägerfrequenz fT, der Modulations­ grad m und die absolute Höhe des Schalldruckpegels Lp maßgebend. Zur Bestimmung der subjektiven Hörempfindung Rauhigkeit werden bei herkömmlichen Verfahren das Geräusch­ eingangssignal in einer Filterbank durch Bandpassfilter BP mit festen Filter- Mittenfrequenzen und festen Filter-Bandbreiten zerlegt. Zur Nachbildung des menschlichen Gehörs wird dabei beispielsweise die sogenannte Barkskala mit bis zu 26 Frequenzgruppen zugrundegelegt. Nach der Filterung durch ein Bandpassfilter BP innerhalb der Filterbank wird bei diesem herkömmlichen Berechnungsverfahren in jedem Frequenzband k aus dem Zeitsignal der Modulationsgrad mk berechnet und gewichtet. Die Abhängigkeit der empfun­ denen Teilrauhigkeit rk von der Trägerfrequenz fr, der Modulationsfrequenz fm sowie dem Modulationsgrad m und dem absoluten Schalldruckpegel Lp wird durch Gewichtungsfaktoren gk mit Bandpasscharakteristik berücksichtigt. Die subjektiv empfundene Gesamtrauhigkeit R wird anschließend aus der Summe der gewichteten psychoakustischen Teilrauhigkeiten rk berechnet.
Derart herkömmliche Verfahren zur Ermittlung der psychoakustischen Rauhigkeit R zeigen gute Übereinstimmung mit der subjektiv empfundenen Rauhigkeitsempfindung eines Men­ schen, wenn man einfache Testsignale verwendet. Für ein amplitudenmoduliertes Sinus- Testsignal und ein amplitudenmoduliertes Breitband- oder Bandpassrauschen kann dabei die Abhängigkeit der psychoakustischen Gesamtrauhigkeit R von der Trägerfrequenz, der Mo­ dulationsfrequenz oder dem Modulationsgrad durch die herkömmlichen Verfahren einiger­ maßen gut vorhergesagt werden. Bei der Verwendung von realen Schallen weicht jedoch die bei einem herkömmlichen Verfahren ermittelte psychoakustische Rauhigkeit R erheblich von dem tatsächlichen subjektiven Hörempfinden einer Person ab. Diese Abweichung ist beson­ ders hoch bei Schallen, deren Frequenzspektrum von der Drehzahl bzw. Drehfrequenz f0 ei­ nes geräuscherzeugenden Systems, wie beispielsweise einem Fahrzeugmotor, bestimmt wird.
Der Grund für diese erheblichen Abweichungen bei drehfrequenzabhängigen Geräuschen liegt darin, dass herkömmliche Verfahren zur Ermittlung der psychoakustischen Rauhigkeit R eine spektrale Zerlegung des Geräusches in einer Filterbank vornehmen, die aus mehreren Bandpassfiltern BP besteht, die feste Filter-Mittenfrequenzen und feste Frequenzbandbreiten aufweisen. Das Frequenzspektrum einer sinusförmig amplitudenmodulierten Sinusschwin­ gung besteht aus einer Frequenzlinie bei der Trägerfrequenz fT sowie aus zwei Frequenz- Seitenlinien bei den Frequenzen fT + fmod und fT - fmod. Bei einem Modulationsgrad von m = 1 liegen die Amplituden der Frequenz-Seitenlinien um 6 dB unter der Amplitude der Träger­ frequenz fT. Wenn alle drei Frequenzlinien des Frequenzspektrums der sinusförmig amplitu­ denmodulierten Sinusschwingung innerhalb einer Filterbandbreite Δf eines Bandpasses BP der Filterbank liegen, kann der Modulationsgrad m in diesem Frequenzband Δf rechnerisch bestimmt werden.
Fig. 1 zeigt das Frequenzspektrum für ein drehzahlabhängiges Geräusch und die Lage von mehreren Bandpassfiltern BP mit festen Filterbandbreiten Δf und festen Filter- Mittenfrequenzen bei einer herkömmlichen Filterbank zur Ermittlung der psychoakustischen Rauhigkeit R. Wie man aus Fig. 1 erkennen kann, weist das Frequenzspektrum eines dreh­ frequenzabhängigen Geräusches eine Vielzahl von Frequenzlinien auf, die Harmonische der Drehfrequenz f0 sind.
Bei dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel besteht der dargestellte Teil der herkömmlichen Filter­ bank aus vier Bandpassfiltern deren Mittenfrequenzen fest eingestellt sind und die festgelegte Filterbandbreiten Δfa, Δfb, Δfc, Δfd aufweisen. Wie man aus Fig. 1 erkennen kann, ist die Anzahl der Frequenzlinien innerhalb einer Frequenzbandbreite Δf eines Bandpassfilters BP zufällig. Es kommt häufig vor, dass nur zwei Frequenzlinien innerhalb der Filterbandbreite Δf eines Bandpassfilters BP liegen. Bei dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel liegen innerhalb des Filters fb und fd zwei Frequenzlinien, wohingegen in den Filtern fa, fc drei Frequenzlinien des Modulationsspektrums vorhanden sind. Die Auswertung des Modulationsgrades m anhand der Bandpasssignale kann daher innerhalb der Frequenzbandbreiten Δfb, Δfd nur sehr ungenau berechnet werden. Da die Modulationsgrade in diesen Frequenzbandbreiten nicht genau be­ rechnet werden können sind auch die davon abgeleiteten psychoakustischen Teilrauhigkeits­ werte r und somit die ermittelte Gesamtrauhigkeit R relativ ungenau und weicht erheblich von der tatsächlichen subjektiven Hörempfindung von Personen ab, wie durch Hörversuche belegt worden ist.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ermittlung der psychoakustischen Rauhigkeit eines drehfrequenzabhängigen Geräusches zu schaffen, bei der die psychoakustische Rauhigkeit R mit einer hohen Genauigkeit ermittelt wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
Mit der Erfindung soll die subjektive Hörempfindung einer Person (z. B. Fahrzeuginsasse) objektiv bestimmt werden.
Die Erfindung schafft eine Vorrichtung zur Ermittlung der psychoakustischen Rauhigkeit eines drehfrequenzabhängigen Geräusches mit einer akustischen Erfassungseinrichtung zur Erfassung des drehfrequenzabhängigen Geräusches,
einer Drehfrequenzerfassungseinrichtung zur Erfassung der Drehfrequenz f0,
einer Filtereinstell-Berechnungseinrichtung zur Berechnung von Filter-Mittenfrequenzen und Filter-Frequenzbandbreiten in Abhängigkeit von der erfassten Drehfrequenz f0 für mehrere einstellbare Bandpassfilter BP einer Filterbank zur spektralen Zerlegung des erfassten dreh­ frequenzabhängigen Geräusches durch jeweilige Filterung des drehfrequenzabhängigen Ge­ räusches mittels der eingestellten Bandpassfilter BP,
und mit einer Rauhigkeits-Berechnungseinrichtung zur Berechnung der psychoakustischen Rauhigkeit R in Abhängigkeit der von den Bandpassfiltern BP abgegebenen gefilterten Ge­ räuschsignale.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die Rau­ higkeitsberechnungseinrichtung eine Einhüllende-Berechnungseinheit zur Berechnung der Hilbert-Einhüllenden Hk aus den gefilterten Zeitsignalen auf.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die Rauhigkeitsberechnungseinrichtung ferner eine Modulationsgrad-Berechnungseinheit zur Berechnung der Modulationsgrade mk der gefilterten Geräuschsignale auf der Grundlage der berechneten Hilbert-Einhüllenden Hk auf.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung besitzt die Rauhigkeitsberechnungseinrichtung ferner eine Korrelationsberechnungseinheit zur Be­ rechnung von Korrelationen ϕk der gefilterten Signale sk, die von benachbarten Bandpassfil­ tern BPk abgegeben werden.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung besitzt die Rauhigkeitsberechnungseinrichtung eine Teilrauhigkeitsberechnungseinheit zur Berech­ nung der psychoakustischen Teilrauhigkeiten rk der gefilterten Geräuschsignale in Abhängig­ keit von den berechneten Modulationsgraden mk und den berechneten Korrelationskoeffi­ zienten.
Die Rauhigkeitsberechnungseinrichtung enthält ferner vorzugsweise eine Gewichtungseinheit zur frequenzbandabhängigen Gewichtung der berechneten psychoakustischen Teilrauhigkei­ ten rk.
Die Rauhigkeitsberechnungseinrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist ferner vorzugsweise eine Aggregationseinheit zur Berechnung der psychoakustischen Gesamtrau­ higkeit R in Abhängigkeit von den gewichteten psychoakustischen Teilrauhigkeiten rk auf.
Die akustische Erfassungseinrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung enthält vorzugs­ weise ein Mikrofon zur Geräuscherfassung sowie einen Analog/Digital-Wandler zur Um­ wandlung des erfassten analogen Geräuschsignals in ein digitales Geräuschsignal.
Die in der erfindungsgemäßen Vorrichtung enthaltene Drehfrequenzerfassungseinrichtung besteht vorzugsweise aus einem Drehzahlsensor zur Erfassung einer Drehzahl, einem Ana­ log/Digitalwandler zur Umwandlung des analogen Drehzahlsignals in ein digitales Drehzahl­ signal und aus einer Umrechnungseinheit zur Umrechnung des digitalen Drehzahlsignals in die Drehfrequenz f0.
Die Anzahl N der Bandpassfilter BP innerhalb der Filterbank wird vorzugsweise in Abhän­ gigkeit von einer einstellbaren maximalen Frequenz fmax und der Drehfrequenz f0 eingestellt.
Die in der Filterbank enthaltenen Bandpassfilter BP sind vorzugsweise digitale Filter.
Die Erfindung schafft ferner ein Verfahren zur Ermittlung der psychoakustischen Rauhigkeit eines drehfrequenzabhängigen Geräusches mit den folgenden Schritten:
  • a) Erfassen des drehfrequenzabhängigen Geräusches und der Drehfrequenz f0,
  • b) Berechnen von Filter-Mittenfrequenzen und Filter-Frequenzbandbreiten für Bandpassfil­ ter BP in Abhängigkeit von der erfassten Drehfrequenz f0,
  • c) Einstellen der Bandpassfilter BP entsprechend der berechneten Filter-Mittenfrequenzen und der berechneten Filter-Frequenzbandbreiten und Filtern des erfassten drehfrequenzab­ hängigen Geräusches durch die eingestellten Bandpassfilter BP,
  • d) Berechnen der psychoakustischen Rauhigkeit R des drehfrequenzabhängigen Geräusches in Abhängigkeit von gefilterten Geräuschsignalen, die von den Bandpassfiltern BP abgege­ ben werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren umfasst der Schritt zur Berechnung der psychoakusti­ schen Rauhigkeit (R) des drehfrequenzabhängigen Geräusches vorzugsweise die folgenden Teilschritte, nämlich
Berechnen von Hilbert-Einhüllenden Hk aus den Frequenzspektren der gefilterten Geräusch­ signale,
Berechnen von Modulationsgraden mk der gefilterten Geräuschsignale auf Grundlage der berechneten Hilbert-Einhüllenden Hk,
Berechnen von Signalkorrelationen zwischen gefilterten Geräuschsignalen, die von Band­ passfiltern BP mit benachbarten Filter-Frequenzbandbreiten abgegeben werden,
Berechnen von psychoakustischen Teilrauhigkeiten rk der gefilterten Geräuschsignale in Ab­ hängigkeit von den berechneten Modulationsgraden mk und den berechneten Korrelationsko­ effizienten,
Gewichten der berechneten psychoakustischen Teilrauhigkeiten rk mittels einstellbarer Ge­ wichtungskoeffizienten gk, und
Berechnen der psychoakustischen Gesamtrauhigkeit R in Abhängigkeit von den gewichteten psychoakustischen Teilrauhigkeiten.
Dabei werden die Filter-Mittenfrequenzen vorzugsweise als halbzahlige oder ganzzahlige Vielfache der Drehfrequenz f0 berechnet.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das erfasste drehfrequenzabhängige Geräusch vorzugsweise an zugeschaltete Bandpassfilter BP der Fil­ terbank zur Filterung parallel angelegt, wobei die Anzahl N der zugeschalteten Bandpassfilter BP innerhalb der Filterbank in Abhängigkeit von der eingestellten maximalen Frequenz fmax und der Drehfrequenz f0 eingestellt wird.
Im weiteren wird eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren zur Er­ läuterung erfindungswesentlicher Merkmale beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 ein schematisiertes Frequenzspektrum eines drehzahlabhängigen Geräusches bei ei­ ner herkömmlichen Filterbank zur Erläuterung des der Erfindung zugrundeliegenden Prob­ lems;
Fig. 2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Er­ mittlung der psychoakustischen Rauhigkeit R eines drehfrequenzabhängigen Geräusches.
Fig. 3 zeigt ein Frequenzspektrum zur Erläuterung zur Funktionsweise der in Fig. 2 darge­ stellten erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 4 zeigt ein Anwendungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Ermittlung der psychoakustischen Rauhigkeit R eines drehfrequenzabhängigen Geräusches.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung enthält eine akustische Erfassungseinrichtung 1 zur Er­ fassung des drehfrequenzabhängigen Geräusches sowie eine Drehfrequenz- Erfassungseinrichtung 2 zur Erfassung der Drehfrequenz f0. Die akustische Erfassungsein­ richtung 1 enthält ferner einen akustischen Sensor 3 zur Aufnahme des Schallpegels. Das erfasste analoge Schallpegelsignal wird über eine Leitung 4 einem in der akustischen Erfas­ sungseinrichtung 1 enthaltenen Analog/Digitalwandler 5 zugeführt. Der Ana­ log/Digitalwandler 5 wandelt das analoge Schallsignal in ein digitales Geräuschsignal um und gibt es über eine Signalleitung 6 an einen Signaleingang 7 einer variablen Filterbank 8 ab.
Die Erfassungseinrichtung 2 enthält einen Drehzahlsensor 9 zur Erfassung der Drehzahl u eines geräuscherzeugenden Systems, beispielsweise eines Fahrzeugmotors. Das durch den Drehzahlsensor 9 ermittelte analoge Drehzahlsignal u wird über eine Leitung 2a einem Ana­ log/Digitalwandler 2b zugeführt, der das analoge Drehzahlsignal u in ein digitales Drehzahl­ signal umwandelt und über eine Leitung 2c an eine Umrechnungseinheit 13 innerhalb der Drehfrequenzerfassungseinrichtung 2 abgibt. Die Umrechnungseinheit 13 führt eine Um­ rechnung der erfassten Drehzahl u in die Drehfrequenz f0 des geräuscherzeugenden Systems durch. Die Umrechnungseinheit 13 gibt über eine Leitung 14 die berechnete Drehfrequenz f0 an eine Filtereinstell-Berechnungseinrichtung 15 ab. Die Filtereinstell- Berechnungseinrichtung 15 erhält als weitere Eingabegröße über eine Leitung 16 eine maxi­ male Drehfrequenz fmax, die an einem Einstellglied 17 einstellbar oder fest abgespeichert ist. Die Filtereinstell-Berechnungseinrichtung 15 dient zur Einstellung der variablen Filterbank 8. Die variable Filterbank 8 enthält eine Vielzahl von Bandpassfilter 9 die parallel über Leitung 10 mit dem Signaleingang 7 der Filterbank 8 verbunden sind. Die Filtereinstell- Berechnungseinrichtung stellt die Bandpassfilter BP 9 über Einstellleitungen 11 ein.
Die Filtereinstell-Berechnungseinrichtung 15 berechnet die Filter-Mittenfrequenzen fm,k der Bandpassfilter 9 innerhalb der variablen Filterbanken 8 entsprechend folgender Gleichung:
fm,k = k.f0 (1)
Ferner werden die Filterbandbreiten Δfk der Bandpassfilter 9 innerhalb der variablen Filter­ bank 8 durch die Filtereinstell-Berechnungseinrichtung 15 beispielsweise wie folgt berech­ net:
Δfk = 0,2.fm,k für fm,k < 500 Hz
Δfk = 100 Hz für fm,k ≦ 500 Hz (2)
Bei der Berechnung der Filterbandbreiten der Bandpassfilter 9 durch die Filtereinstell- Berechnungseinheit 15 wird hierbei die sogenannte Barskala zugrunde gelegt. Die Filter­ einstell-Berechnungseinrichtung 15 stellt an jedem Bandpassfilter 9 k innerhalb der Filter­ bank 8 die Filter-Mittenfrequenz fm,k und die Filter-Frequenzbandbreite Δfk entsprechend in oben angegebenen Gleichungen ein. Die derart eingestellten Bandpassfilter 9 k filtern das am Signaleingang 7 anliegende Geräuschsignal zu dessen spektraler Zerlegung entsprechend der eingestellten Filtercharakteristik und geben die derart gefilterten Geräuschsignale sk über Signalleitungen 12 an eine Rauhigkeits-Berechnungseinrichtung 13 zur Berechnung der psy­ choakustischen Gesamtrauhigkeit R ab. Die Anzahl N der Bandpassfilter 9 innerhalb der va­ riablen Filterbank 8 wird in Abhängigkeit von der durch das Einstellglied 17 einstellbaren maximalen Frequenz fmax und der durch die Drehfrequenzerfassungseinrichtung 2 erfassten Drehfrequenz f0 eingestellt.
Dabei ist:
Durch die variabel einstellbaren Bandpassfilter 9 wird erreicht, dass innerhalb jedes Fre­ quenzbandes eines Bandpasses stets drei Frequenzlinien des Geräusch-Frequenzspektrums zu liegen kommen, wie man aus Fig. 3 erkennen kann. Die Frequenzlinie der Harmonischen k sowie die Frequenzlinie der Harmonischen k - 1 und der Harmonischen k + 1 liegen inner­ halb der Filter-Frequenzbandbreite Δfk, so dass sich innerhalb jeder Filter- Frequenzbandbreite Δfk stets drei Frequenzlinien des Geräusch-Frequenzspektrums befinden. Daher ist eine sehr genaue Berechnung der Modulationsgrade mk möglich.
Wie man aus Fig. 2 erkennen kann werden die von den Bandpassfiltern 9 abgegebenen ge­ filterten Geräuschsignale sk über die Signalleitung 12 an mehrere Signaleingänge 14 der Rau­ higkeitsberechnungseinrichtung 13 abgegeben. Die Rauhigkeitsberechnungseinrichtung 13 ist mehrstufig aufgebaut, wobei in einer ersten Berechnungsstufe die Hilbert-Einhüllenden Hk der gefilterten Signale sk berechnet werden. Auf der Grundlage der gefilterten Geräuschsig­ nale sk wird für jedes Geräuschsignal die entsprechende Hilbert-Einhüllende Hk in einer Ein­ hüllenden-Berechnungseinheit 19 der Rauhigkeitsberechnungseinheit 13 berechnet.
In einer weiteren Berechnungsstufe werden Korrelationseffizienten in einer Korrelationsbe­ rechnungseinheit 20 berechnet. Die Korrelationsberechnungseinheit 20 berechnet die Korre­ lationskoeffizienten ϕk der Signalkorrelation zwischen gefilterten Geräuschsignalen sk die von Bandpassfiltern 9 in benachbarten Filter-Frequenzbandbreiten Δf abgegeben werden. In der Korrelationsberechnungseinheit 20 k-1,k wird die Signalkorrelation zwischen dem gefil­ terten Geräuschsignal sk-1 und dem gefilterten Geräuschsignal sk berechnet, während in der Korrelationsberechnungseinheit 20 k,k+1 die Signalkorrelation zwischen dem gefilterten Ge­ räuschsignal sk und dem gefilterten Geräuschsignal sk,k+1 ermittelt wird.
Eine Modulationsberechnungseinheit 21 ist über eine Leitung 22 mit der zugehörigen Ein­ hüllenden Berechnungseinheit 19 verbunden und berechnet aus der Hilbert-Einhüllenden des gefilterten Geräuschsignals sk den dazugehörigen Modulationsgrad mk.
In einer weiteren Berechnungsstufe der Rauhigkeitsberechnungseinrichtung 13 wird in einer Teilrauhigkeitsberechnungseinheit 23 die psychoakustische Teilrauhigkeit rk des gefilterten Geräuschsignals sk in Abhängigkeit von dem der Modulationsberechnungseinheit 21 k berech­ neten Modulationsgrad mk und den in den Korrelationsberechnungseinheiten 20 k-1,k und 20 k,k+1 berechneten Korrelationskoeffizienten ϕk-1,k und ϕk,k+1 berechnet. Hierzu ist die Teil­ rauhigkeitsberechnungseinheit 23 über eine Signalleitung 24 mit der Modulationsgradberech­ nungseinheit 21 verbunden und über Leitungen 25, 26 an die Korrelationsberechnungsein­ heiten angeschlossen. Ausgangsseitig ist die Teilrauhigkeitsberechnungseinheit 23 über eine Leitung 27 an eine Gewichtungseinheit 28 zur frequenzabhängigen Gewichtung der berech­ neten psychoakustischen Teilrauhigkeiten rk angeschlossen.
In einer weiteren Berechnungsstufe der Rauhigkeitsberechnungseinrichtung 13 ist eine Ag­ gregationseinheit 29 vorgesehen, die über Eingangsleitungen 30 die gewichteten psycho­ akustischen Teilrauhigkeiten rk empfängt. Die Aggregationseinheit 29 berechnet die psycho­ akustische Gesamtrauhigkeit R in Abhängigkeit von den anliegenden gewichteten psycho­ akustischen Teilrauhigkeiten rk und gibt die berechnete psychoakustische Gesamtrauhigkeit R über eine Ausgabeleitung 31 ab.
Die in der Teilrauhigkeitsberechnungseinheit 21 berechnete subjektive akustische Teilrauhig­ keit rk hängt von dem Modulationsgrad mk sowie den in den Korrelationsberechnungseinhei­ ten 20 berechneten Korrelationskoeffizienten wie folgt ab:
rk = 1(mk; ϕk-1,k; ϕk,k+1) (4)
Dabei liegt der Betrag der berechneten Korrelationskoeffizienten ϕ stets zwischen einem Wert 0 und einem Wert 1.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung wer­ den die Teilrauhigkeiten rk durch die Teilrauhigkeitsberechnungseinheit 23 wie folgt berech­ net:
Die Zusammenfassung der Teilrauhigkeiten rk zu einer psychoakustischen Gesamtrauhigkeit R durch die Aggregationseinheit 29 erfolgt bei einer bevorzugten Ausführungsform durch Aufsummierung der gewichteten psychoakustischen Teilrauhigkeiten rk.
wobei die Zahl N von der maximalen Frequenz fmax und der Drehfrequenz f0 abhängt.
Fig. 4 zeigt eine typische Anwendungsmöglichkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Ermittlung der psychoakustischen Rauhigkeit eines drehfrequenzabhängigen Geräusches.
Ein Fahrzeug 32, beispielsweise ein PKW mit einem Motor 33 erzeugt im Motorraum ein Motorgeräusch das von der Drehzahl des Motors 33 abhängt. Der Drehzahlsensor 9 erfasst die Motordrehzahl und gibt diese über die Leitung 10 an den Analog/Digitalwandler ab. Im Fahrzeugraum befindet sich ein Sensor zur Erfassung der auftretenden Schallpegel, wobei das erfasste analoge Schallpegelsignal durch den Analog/Digitalwandler 5 in ein digitales Ge­ räuschsignal umgewandelt wird.
Die beiden Analog/Digitalwandler 5, 11 die Mittenfrequenz-Berechnungseinrichtung 13, die variable Filterbank 8, die Filtereinstell-Berechnungseinrichtung 5, das Einstellglied 17 sowie die Rauhigkeitsberechnungseinrichtung 13 können in einem Meßgerät 34 integriert werden. Dieses Meßgerät 34 ist vorzugsweise tragbar und weist zwei Signaleingänge 35, 36 zum Empfangen des analogen drehzahlabhängigen Geräuschsignals und der analogen festen Drehzahl auf. Darüber hinaus besitzt das Meßgerät 34 ein Ausgangsanschluss 37 zur Abgabe der berechneten psychoakustischen Rauhigkeit R.
Das in Fig. 4 dargestellte Meßgerät 34 kann zur Berechnung der Rauhigkeit R in Abhängig­ keit von den beiden anliegenden analogen Meßsignalen, nämlich der Drehzahl u und dem erfassten Geräusch eingesetzt werden. An die beiden Signaleingänge 35, 36 der Meßvorrich­ tung 34 können alternativ auch Simulationssignale zur Durchführung einer Simulationsbe­ rechnung angelegt werden.
Bei einer weiteren nicht dargestellten Ausführungsform dient die in Fig. 4 dargestellte Vor­ richtung zur Berechnung der psychoakustischen Rauhigkeit R als Stellglied innerhalb einer Regelungsschleife.
Durch die Wahl der Filter-Mittenfrequenzen der Bandpassfilter bei ganzzahligen oder auch halbzahligen Harmonischen der Drehfrequenz f0 wird bei der erfindungsgemäßen Vorrich­ tung bzw. dem erfindungsgemäßen Verfahren gewährleistet, dass die für die Modulations­ auswertung wichtigen Seitenlinien in dem Bandpassfrequenzband enthalten sind und somit für die Rauhigkeitsauswertung berücksichtigt werden können. Hierdurch kann die psycho­ akustische Gesamtrauhigkeit R des drehfrequenzabhängigen Geräusches mit einer sehr hohen Genauigkeit bestimmt werden, so dass die Abweichung von dem tatsächlichem subjektivem Hörempfinden einer Person minimal ist.
BEZUGSZEICHENLISTE
1
akustische Erfassungseinrichtung
2
Drehfrequenzerfassungseinrichtung
2
a Leitung
2
b Analog/Digitalwandler
2
c Leitung
3
akustischer Sensor
4
Leitung
5
Analog/Digitalwandler
6
Leitung
7
Signaleingang
8
Filterbank
9
Bandpassfilter
10
Leitungen
11
Einstellleitungen
12
Filterausgangsleitungen
13
Umrechnungseinheit
14
Leitung
15
Filtereinstell-Berechnungseinheit
16
Leitung
17
Einstellglied
18
Signaleingänge
19
Einhüllenden-Berechnungseinheit
20
Korrelations-Berechnungseinheit
21
Modulationsgrad-Berechnungseinheit
22
Leitung
23
Teilrauhigkeitsberechnungseinheit
24
Leitung
25
Leitung
26
Leitung
27
Leitung
28
Gewichtungseinheit
29
Aggregationseinheit
30
Leitung
31
Ausgabeleitung
32
Fahrzeug
33
Motor
34
Meßgerät
35
Meßgerätsignaleingänge
36
Meßgerätsignaleingänge
37
Meßgerätsignalausgang

Claims (16)

1. Vorrichtung zur Ermittlung der psychoakustischen Rauhigkeit eines drehfrequenzabhängigen Geräusches mit:
einer akustischen Erfassungseinrichtung (1) zur Erfassung des drehfrequenzabhängigen Geräusches;
einer Drehfrequenzerfassungseinrichtung (2) zur Erfassung der Drehfrequenz f0;
einer Filtereinstell-Berechnungseinrichtung (15) zur Berechnung von Filter- Mittenfrequenzen und Filter-Frequenzbandbreiten in Abhängigkeit von der erfassten Drehfrequenz f0 für mehrere einstellbare Bandpassfilter (9) einer Filterbank (8) zur spektralen Zerlegung des erfassten drehfrequenzabhängigen Geräusches durch jeweilige Filterung des drehfrequenzabhängigen Geräusches mittels der eingestellten Bandpassfilter (9);
und mit einer Rauhigkeits-Berechnungseinrichtung (13) zur Berechnung der psychoakustischen Rauhigkeit R in Abhängigkeit der von den Bandpassfiltern (9) abgegebenen gefilterten Geräuschsignale.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rauhigkeitsberechnungseinrichtung (13) eine einhüllende-Berechnungseinheit (19) zur Berechnung der Hilbert-Einhüllenden Hk aus den Frequenzspektren der gefilterten Geräuschsignale aufweist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rauhigkeitsberechnungseinrichtung (13) einen Modulationsgrad-Berechnungseinheit (21) zur Berechnung der Modulationsgrade mk der gefilterten Geräuschsignale auf der Grundlage der berechneten Hilbert-Einhüllenden Hk aufweist.
4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rauhigkeits-Berechnungseinrichtung (13) eine Korrelationsberechnungseinheit (20) zur Berechnung von Korrelationskoeffizienten ϕ der Signalkorrelation zwischen Geräuschsignalen, die von Bandpassfiltern (9) mit benachbarten Filterfrequenzbandbreiten abgegeben werden, aufweist.
5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rauhigkeits-Berechnungseinrichtung (13) eine Teilrauhigkeitsberechnungseinheit (23) zur Berechnung der psychoakustischen Teilrauhigkeiten rk der gefilterten Geräuschsignale in Abhängigkeit von den berechneten Modulationsgraden und den berechneten Korrelationskoeffizienten aufweist.
6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rauhigkeits-Berechnungseinrichtung (13) eine Gewichtungseinheit (28) zur frequenzabhängigen Gewichtung der berechneten psychoakustischen Teilrauhigkeiten rk aufweist.
7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rauhigkeits-Berechnungseinrichtung (13) eine Aggregationseinheit (29) zur Berechnung der psychoakustischen Rauhigkeit R in Abhängigkeit von den gewichteten psychoakustischen Teilrauhigkeiten rk aufweist.
8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die akustische Erfassungseinrichtung (1) ein Mikrofon (3) zur Geräuscherfassung und einen Analog-Digitalwandler (5) zur Umwandlung des analogen Geräuschsignals in ein digitales Geräuschsignal aufweist.
9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehfrequenzerfassungseinrichtung (2) einen Drehzahlsensor (9) zur Erfassung einer Drehzahl, einen Analog-Digitalwandler (2b) zur Umwandlung des analogen Drehzahlsignals in ein digitales Drehzahlsignal und eine Umrechnungseinheit (13) zur Umrechnung des digitalen Drehzahlsignals in die Drehfrequenz f0 aufweist.
10. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl N der Bandpassfilter (9) innerhalb der Filterbank (8) in Abhängigkeit von einer einstellbaren maximalen Frequenz fmax und der Drehfrequenz f0 eingestellt wird.
11. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bandpassfilter (9) digitale Filter sind.
12. Verfahren zur Ermittlung der psychoakustischen Rauhigkeit eines frequenzabhängigen Geräusches mit den folgenden Schritten:
  • a) Erfassen des drehfrequenzabhängigen Geräusches und der Drehfrequenz f0;
  • b) Berechnen der Filter-Mittenfrequenzen und der Filter-Frequenzbandbreiten für Bandpassfilter (9) in Abhängigkeit von der erfassten Drehfrequenz f0;
  • c) Einstellen der Bandpassfilter (9) entsprechend den berechneten Filter- Mittenfrequenzen und der berechneten Filter-Frequenzbandbreiten und Filtern des erfassten drehfrequenzabhängigen Geräusches durch die eingestellten Bandpassfilter (9);
  • d) Berechnen der psychoakustischen Rauhigkeit R in Abhängigkeit von den gefilterten Geräuschsignalen, die von den Bandpassfiltern (9) abgegeben werden.
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Berechnen der psychoakustischen Rauhigkeit die folgenden Teilschritte umfasst:
  • 1. Berechnen von Hilbert-Einhüllenden Hk aus den Zeitsignalen der gefilterten Geräuschsignale;
  • 2. Berechnen von Modulationsgraden mk der gefilterten Geräuschsignale auf der Grundlage der berechneten Hilbert-Einhüllenden Hk;
  • 3. Berechnen von Korrelationseffizienten der Signalkorrelation zwischen gefilterten Geräuschsignalen, die von Bandpassfiltern mit benachbarten Filter-Frequenzbandbreiten abgegeben werden;
  • 4. Berechnen von psychoakustischen Teilrauhigkeiten rk der gefilterten Geräuschsignale in Abhängigkeit von berechneten Modulationsgraden mk und den berechneten Korrelationskoeffizienten ϕ;
  • 5. Gewichten der berechneten psychoakustischen Teilrauhigkeiten rk mittels einstellbarer Gewichtungskoeffizienten gk;
  • 6. Berechnen der psychoakustischen Rauhigkeit R in Abhängigkeit von den gewichteten psychoakustischen Teilrauhigkeiten.
14. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Filter-Mittenfrequenzen als halbzahlige oder ganzzahlige Vielfache der Drehfrequenz f0 berechnet werden.
15. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das erfasste drehfrequenzabhängige Geräusch an zugeschaltete Bandpassfilter (9) zur Filterung parallel angelegt wird, wobei die Anzahl N der zugeschalteten Bandpassfilter (9) in Abhängigkeit von der eingestellten maximalen Frequenz fmax und der Drehfrequenz f0 eingestellt wird.
16. Verwendung der Vorrichtung zur psychoakustischen Rauhigkeit eines drehfrequenzabhängigen Geräusches nach Anspruch 1 in einer Regelungsschaltung.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE10317502A1 (de) * 2003-04-16 2004-11-18 Daimlerchrysler Ag Verfahren zur Analyse eines Schallsignals

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