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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des Werts einer vibroakustischen Größe bei Überlagerung mit Störgeräuschen. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf das Gebiet der akustischen Messung, wobei Schwingungen des Übertragungsmediums sensorisch erfasst und einer Analyse zugeführt werden. Häufig wird hierbei Schall im Medium Luft untersucht. Mit der Erfindung kann aber auch Schall in sonstigen gasförmigen, flüssigen oder festen Medien untersucht werden. Bei festen Medien wird häufig von Körperschall gesprochen. Ist das Ausbreitungsmedium Luft, so wird üblicherweise der Begriff Luftschall verwendet.
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Unter einer vibroakustischen Größe werden vorliegend Größen verstanden, die zur Charakterisierung von Schall in gasförmigen Medien (vereinfacht: Luftschall) oder von Schall in festen Medien (vereinfacht: Körperschall) geeignet sind. Dabei kann es sich sowohl um Feldgrößen als auch um Energiegrößen handeln, wobei letztere in linearen Systemen aus den Feldgrößen abgeleitet werden können. Typische Feldgrößen sind beispielsweise der Schalldruck oder die Schallschnelle. Typische Energiegrößen sind die Schallenergie oder die Schallintensität. Schall lässt sich physikalisch als Schwingung eines Mediums beschreiben. Vibroakustische Größen zeigen gewöhnlich auch eine Frequenzabhängigkeit. Infolgedessen kann eine vibroakustische Größe frequenzaufgelöst oder auch über einen Teilbereich von Frequenzen aufsummiert als eine Summengröße bestimmt bzw. analysiert werden. Zur Frequenzanalyse werden in der Akustik die vibroakustischen Größen häufig für sogenannte Oktavbänder, also für Frequenzbänder, die jeweils den Bereich von einer bestimmten Frequenz bis zum Doppelten dieser Frequenz überstreichen, zusammengefasst.
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Eine der häufigsten Analysen von akustischen Signalen ist eine Pegelbestimmung, wobei beispielsweise der Schalldruckpegel als vibroakustische Größe ein Maß für die physikalische Lautstärke darstellt. Die Pegelberechnung kann hierbei beispielsweise für die Feldgrößen Schalldruck oder Schallschnelle durchgeführt werden, wobei beim Luftschall im Wesentlichen der Schalldruckpegel L
p von Interesse ist. Dabei erfolgt die Berechnung des Schalldruckpegels nach der Gleichung:
wobei p
eff der Effektivwert der Schwingung und p
0 ein Bezugswert sind. Andere Pegel werden ähnlich als logarithmische Größen berechnet, wobei jeweils ein fester Bezugswert vorgegeben ist.
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Bei einer Schallanalyse geht es häufig um eine möglichst genaue Charakterisierung des entstehenden Geräusches. Dabei können Geräusche grundsätzlich als störend, als angenehm oder auch als Indiz auf eine Gefahrensituation wahrgenommen werden. Insbesondere bei der Entwicklung und Konstruktion von Fahrzeugen des Luft-, Schienen- und Straßenverkehrs wird daher ein großes Augenmerk auf die während des Betriebs derartiger Fahrzeuge entstehende Geräuschkulisse gelegt. Die während eines normalen Betriebs entstehenden Geräusche dürfen nicht beunruhigend oder als unangenehm empfunden werden. Auch ist die Lautstärke ein verkaufsentscheidendes Komfortkriterium eines Fahrzeugs oder eines anderen Produkts. Normale Fahrzeuggeräusche sollten grundsätzlich auch als angenehm empfunden werden. Zur entsprechend konstruktiven Auslegung eines Fahrzeugs muss daher eine genaue Analyse der im Betrieb des Fahrzeugs entstehenden Geräusche, insbesondere der Innenraumgeräusche, durchgeführt werden.
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Für stationäre Geräusche, wie sie beispielsweise bei einer Fahrt eines Fahrzeugs mit konstanter Geschwindigkeit auftreten oder von einem Motor unter gleichbleibender Last und Drehzahl erzeugt werden, müssen zur Erfassung stationäre Betriebs- und Messbedingungen vorliegen, so dass der Wert der zu analysierenden vibroakustischen Größe sehr genau bestimmt werden kann. In der Praxis ist dies jedoch üblicherweise nicht gegeben. Um dennoch genaue Werte für die statistisch schwankende vibroakustische Größe zu ermitteln, werden üblicherweise Messungen über einen längeren Zeitraum durchgeführt, um dann einen Mittelwert zu berechnen. Falls ungestörte Messungen über einen längeren Zeitraum jedoch nicht möglich sind, beispielsweise weil Störungen wiederholt auftreten, müssen alternativ kürzere Messungen mehrfach wiederholt werden, um über Mittelungen hierüber wiederum die Genauigkeit zu verbessern. Akustische Störungen wirken aber immer wie zusätzliche Geräusche, die zu einer Verfälschung der zu bestimmenden vibroakustischen Größe zu größeren Werten führen.
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Messungen über lange Zeiträume oder Mehrfachwiederholungen von kürzeren Messungen sind aufwändig. Insbesondere können auch Teilmessungen Störungen unterliegen, so dass solche Teilmessungen insgesamt unbrauchbar sind und ebenfalls mehrfach wiederholt werden müssen. Ein typisches Beispiel ist die bereits erwähnte Innengeräuschmessung bei Fahrzeugen. Zur Simulation möglichst stationärer Bedingungen wird eine solche Messung üblicherweise bei konstanter Geschwindigkeit des Fahrzeugs während einer Fahrt über eine möglichst gleichmäßige Strecke bzw. Fahrbahn durchgeführt. Üblich sind hierbei Messabschnitte mit einer jeweiligen Dauer von etwa 30 Sekunden und bis zu fünf Wiederholungen, um auf genaue Werte für die zu bestimmende vibroakustische Größe zu kommen. Messungen im öffentlichen Straßen- oder Schienenverkehr sind hierzu jedoch kaum geeignet, da beständig Störungen durch Geräusche anderer Verkehrsteilnehmer oder durch Ungleichförmigkeiten der Strecke bzw. Fahrbahn auftreten. Selbst auf speziell eingerichteten Geräuschteststrecken kommen Störungen durch unerwartete Geräusche aus der Umgebung häufig vor.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei der Bestimmung des Werts einer vibroakustischen Größe Störgeräusche möglichst einfach zu eliminieren, wobei insbesondere auf eine aufwändige Wiederholung der gestörten Messungen verzichtet werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Bestimmung des Werts einer vibroakustischen Größe gelöst, wobei unter wenigstens einer vorgegebenen, die vibroakustische Größe beeinflussenden Bedingung zu verschiedenen Zeiten Werte einer ein vibroakustisches Signal charakterisierenden Messgröße sensorisch erfasst werden, wobei eine statistische Verteilungsfunktion für die Werte oder für hieraus abgeleitete Folgewerte vorgegeben oder aus den Messdaten abgeleitet wird, wobei anhand der Verteilungsfunktion in den erfassten Werten oder in den daraus abgeleiteten Folgewerten statistisch abweichende Werte oder statistisch abweichende Folgewerte identifiziert und entfernt werden, und wobei aus den verbliebenen Werten oder Folgewerten der Wert der vibroakustischen Größe bestimmt wird.
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Die Erfindung geht dabei in einem ersten Schritt von der Überlegung aus, dass durch die zur Bestimmung der vibroakustischen Größe geschaffenen oder vorgegebenen äußeren Bedingungen die zu einer ein akustisches Signal charakterisierenden Messgröße erfassten Werte als Zufallsvariablen interpretiert werden können, die einer bestimmten statistischen Verteilung um einen Erwartungswert unterliegen. In einem zweiten Schritt geht die Erfindung dann davon aus, dass nur solche Werte der erfassten Messgröße zur Bestimmung des Werts der vibroakustischen Größe sinnhaft herangezogen werden können, die im Rahmen der gegebenen statistischen Verteilungsfunktion liegen. Solche Werte, die außerhalb der statistischen Verteilung liegen, sind dann auf Störgeräusche zurückzuführen und tragen nicht zum eigentlichen realen Wert der zu bestimmenden vibroakustischen Größe bei. In einem dritten Schritt wird durch die Erfindung schließlich geschlussfolgert, dass der zu wenigstens einer eingestellten äußeren Bedingungen gehörende Wert der vibroakustischen Größe dann korrekt aus den ermittelten Werten der Messgröße bestimmt werden kann, wenn diejenigen Werte der Messgröße entfernt werden, die von der gegebenen statistischen Verteilungsfunktion abweichen.
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Die Erfindung bietet den großen Vorteil, dass insbesondere aus einem einzigen Messdurchgang oder aus gegenüber dem Stand der Technik weniger Messdurchgängen der Wert der vibroakustischen Größe genau bestimmt werden kann, da Ausreißer in den Werten der Messgröße gegenüber der statistischen Verteilungsfunktion eliminiert werden und insofern nicht zu einer Verfälschung des zu bestimmenden Wertes beitragen. Insofern können vibroakustische Messungen insbesondere in der Fahrzeugtechnik auch außerhalb von speziellen Teststrecken, beispielsweise auf öffentlichen Straßen oder dergleichen, durchgeführt werden. Nicht alle äußeren Bedingungen müssen standardisiert oder stationär vorgegeben sein. Gegenüber bisher üblichen Verfahren wird hierdurch der Messaufwand deutlich vereinfacht. Insbesondere werden Geräuschmessungen auf nicht speziell gebauten Teststrecken, Messstraßen oder Testräumen durchführbar.
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Für die Erfindung ist es hierbei irrelevant, ob die statistische Verteilungsfunktion, die eine unmittelbare Folge der vorgegebenen äußeren und sonstigen Bedingungen der Messdurchführung ist, für die Werte der Messgröße, für hieraus abgeleitete Folgewerte oder für die aus den Werten oder Folgewerten ermittelten Werte der vibroakustischen Größe betrachtet oder herangezogen wird. Ob die Werte der Messgröße, die Folgewerte oder die Werte der vibroakustischen Messgröße als Zufallsvariablen interpretiert werden, ist eine Folge der gegebenen konkreten Versuchsanordnung und ergibt sich des Weiteren auch aus der Wahl der jeweils zu bestimmenden vibroakustischen Größe selbst. Die gewählte statistische Verteilungsfunktion resultiert insbesondere auch aus dem mathematischen Zusammenhang zwischen der zu bestimmenden vibroakustischen Größe und der sensorisch erfassten Messgröße.
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Der zu bestimmende Wert der vibroakustischen Größe ist mit der gewählten wenigstens einen vorgegebenen äußeren Bedingung verknüpft. Mit anderen Worten wird wenigstens eine Bedingung vorgegeben, die die vibroakustische Größe unmittelbar beeinflusst, und für die insbesondere ein charakteristischer Wert erfasst werden soll. Eine solche vorgegebene Bedingung kann im Falle der Geräuschmessung in Fahrzeugen beispielsweise die Drehzahl des Antriebsmotors, der jeweils eingelegte Gang, die Geschwindigkeit des Fahrzeugs, eine äußere Windgeschwindigkeit (z. B. in einem Windkanal), ein vorgegebener Straßenbelag, ein eingeschaltetes Gebläse oder dergleichen sein.
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In einer bevorzugten Variante wird die wenigstens eine, die vibroakustische Größe beeinflussende Bedingung während der Erfassung der Werte stationär vorgegeben. Grundsätzlich kann es jedoch auch möglich sein, bei jeweiliger Kenntnis einer Veränderung der vorgegebenen Bedingung auch einen konkreten zeitlichen Verlauf hierfür während der Werteerfassung vorzugeben. Hier haben die Verteilungen der Werte der Messgröße einen zeitlichen Trend, der das Instationäre abbildet. Abweichungen von diesem Trend können wiederum als Indikatoren für Störgeräusche angesehen werden, was zu einer Elimination der von Störgeräuschen verursachten Messwerte genutzt werden kann.
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In der Akustik werden Messgrößen häufig für spezifische Frequenzbänder zusammengefasst bestimmt. Mit anderen Worten wird ein Summenwert oder Mittelwert der vibroakustischen Größe für ein bestimmtes Frequenzband ermittelt. Bevorzugt werden in der Akustik solche Summen- oder Mittelwerte für Oktavbänder ermittelt, die sich von einer bestimmten Frequenz bis zu dem Doppelten dieser Frequenz erstrecken. Diese Zusammenfassung liefert für eine Geräuschanalyse eine einfache Aussage hinsichtlich der Empfindung des analysierten Geräusches.
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Wie bereits erwähnt, wird es durch die Erfindung ermöglicht, den Wert der vibroakustischen Größe mit hoher Genauigkeit in einem einzigen Messdurchgang zu bestimmen. Selbstverständlich ist es jedoch auch möglich, das vorliegend angegebene Verfahren zu einer weiteren Verbesserung der Messgenauigkeit mehrfach durchzuführen, wenngleich dies im Vergleich zu bisherigen Methoden nicht zwingend erforderlich ist. Der eigentliche Vorteil der Erfindung liegt darin, mit einem einzigen vergleichsweisen kurzen Messdurchgang ohne Wiederholungen einen genauen Wert der vibroakustischen Größe zu bestimmen.
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Die statistische Verteilungsfunktion wird von den jeweils vorgegebenen oder herrschenden äußeren Bedingungen abhängig sein. In einer bevorzugten, weil üblicherweise gegebenen Ausführungsvariante wird die statistische Verteilungsfunktion eine Normalverteilung der jeweils erfassten oder abgeleiteten Zufallsvariablen sein. Die statistische Verteilungsfunktion kann fest vorgegeben und beispielsweise aus Erfahrungswerten für verschiedene äußere Bedingungen jeweils bekannt sein. Die Verteilungsfunktion kann auch aus den Messdaten selbst, also aus den zu unterschiedlichen Zeiten erfassten Werten oder hieraus abgeleiteten Folgewerten, erkannt, abgeleitet oder abgeschätzt werden. Neben der Gauß- bzw. Normalverteilung kann es beispielsweise auch eine Poisson-Verteilung, eine Binomial-Verteilung, eine Exponential-Verteilung oder ein Chi2-Verteilung sein. In einer zweckmäßigen Variante werden die Messdaten zum Erreichen einer Verteilungsfunktion transformiert. Dadurch kann gegebenenfalls eine bessere Annäherung an eine der genannten Verteilungen erreicht werden. Eine hierzu geeignete Transformation ist beispielsweise die Johnson-Transformation. Die statistische Verteilung kann im Einzelfall der Versuchs- bzw. Messdurchführung aber auch mittels Stichproben ermittelt oder abgeschätzt werden.
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Als durch Störgeräusche bedingt können Werte der sensorisch erfassten Messgröße beispielsweise identifiziert werden, wenn ein Grenzwert in der Abweichung gegenüber der vorgegebenen statistischen Verteilungsfunktion überschritten ist. Andererseits können bekannte statistische Methoden bevorzugt zur Eliminierung der statistisch abweichenden Werte oder Folgewerte eingesetzt werden. Beispielhaft seien hierbei ein Ausreißertestverfahren nach Grubbs oder Walsh, ein Chi2-Testverfahren, ein Kolmogoroff-Smirnoff-Testverfahren, ein Residuen-Analyseverfahren oder ein Cook-Distanz-Analyseverfahren genannt. Derartige Analyseverfahren sind grundsätzlich bekannt, so dass deren konkrete Ausführungen nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind.
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In einer weiter bevorzugten Variante der Erfindung wird zur Geräuschanalyse ein Signalpegel als vibroakustische Größe analysiert. Insbesondere wird hierbei der Schallpegel ermittelt. Bevorzugt wird als Messgröße eine Feldgröße, insbesondere ein Druck oder eine Schnelle erfasst. Besonders bevorzugt wird aus der erfassten Feldgröße der Schallpegel als logarithmische Größe bestimmt. Besonders bevorzugt wird der Schalldruckpegel bestimmt, der der physikalischen Lautstärke entspricht.
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Die eingangs genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß ebenfalls durch eine Vorrichtung zur Bestimmung des Werts einer vibroakustischen Größe gelöst, die eine sensorische Messeinrichtung und eine mit der Messeinrichtung verbundene Steuereinheit umfasst, wobei die Steuereinheit zur Durchführung des vorbeschriebenen Verfahrens eingerichtet und ausgebildet ist. Die für das Verfahren und dessen Weiterbildungen genannten Vorteile können hierbei sinngemäß auf die Vorrichtung übertragen werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 einen beispielhaften Schalldruckverlauf über der Zeit bei einer ungestörten Messung,
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2 den aus dem Schalldruckverlauf gemäß 1 ermittelten Pegelverlauf über der Zeit bei ungestörter Messung,
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3 die statistische Pegelverteilung bei einer ungestörten Messung,
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4 einen beispielhaften Schalldruckverlauf über der Zeit bei einer gestörten Messung,
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5 den aus dem Schalldruckverlauf gemäß 4 ermittelten Pegelverlauf über der Zeit bei gestörter Messung,
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6 die statistische Pegelverteilung bei einer gestörten Messung, und
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7 schematisch eine Vorrichtung zur Messung einer vibroakustischen Größe.
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Während der Messung einer die vibroakustische Größe charakterisierenden Messgröße eines akustischen Signals unterliegt der Momentanwert der Messgröße kleineren statistischen Schwankungen, die durch eine Mittelung über die Zeit ausgeglichen werden können. Die statistische Verteilung der Messgröße über der Zeit ist dabei der Ansatz des vorliegend angegebenen Verfahrens zu einer Störungselimination.
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1 zeigt beispielhaft ein aufgezeichnetes Schallsignal als Funktion der Zeit, wobei die Messung idealisiert störungsfrei vorgenommen ist. Zumindest eine äußere Bedingung, beispielsweise die Drehzahl eines Antriebsmotors oder die Geschwindigkeit des Fahrzeugs bei gleichbleibendem Fahrbelag, ist stationär vorgegeben. Trotz Idealbedingungen unterliegen die Werte der Messgröße, vorliegend der Schalldruck, statistischen Schwankungen.
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Berechnet man aus dem Verlauf des Schalldrucks entsprechend 1 den Verlauf des Schalldruckpegels, so ergibt sich ein Verlauf entsprechend 2. Auch der Verlauf des Schalldruckpegels unterliegt entsprechend statistischen Schwankungen.
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Vorliegend weisen die statistischen Schwankungen des Schalldruckpegels eine charakteristische Verteilung auf, die hier nicht näher festgelegt werden muss, aber z. B. eine Normalverteilung sein kann. Werden die Werte des Schalldruckpegels entsprechend 2 als Summenhäufigkeit aufgetragen, so ergibt sich der Verlauf (eingetragene Punkte) entsprechend 3. Der Ordinatenwert gibt hierbei die Wahrscheinlichkeit dafür an, dass die aufgetragene Zufallsvariable einen Wert kleiner oder gleich des zugehörigen Abszissen-Wertes einnimmt. Mit anderen Worten stellt 3 eine Integration über die vorgegebene statistische Verteilungsdichtefunktion dar. Zur Erleichterung ist die Ordinate in 3 symmetrisch beidseits des Mittelwerts logarithmisch skaliert. Eine Normalverteilung ergibt sich dementsprechend in der Auftragung gemäß 3 als eine Gerade, die vorliegend ebenfalls eingetragen ist.
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Man erkennt, dass im Falle einer idealisierten störungsfreien Messung unter Vorgabe von wenigstens einer stationären äußeren Bedingung die Zufallsvariable des Schalldruckpegels vorliegend einer Normalverteilung folgt. Die eingezeichnete Gerade einer Normalverteilung ergibt eine ziemlich genaue Approximation für die real ermittelten Messwerte.
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4 und 5 zeigen nun vergleichbare Messungen bei Vorliegen von äußeren Störungen. Im Zeitsignal des Schalldrucks entsprechend 4 und im zeitlichen Verlauf des hieraus ermittelten Schalldruckpegels entsprechend 5 ist das Vorliegen von Störungen noch nicht sehr deutlich. Die Betrachtung der Verteilungsfunktion entsprechend 6 zeigt jedoch eine erkennbar signifikante Abweichung zur Verteilung entsprechend 3. Über einen Statistiktest, beispielsweise über einen Ausreißertest nach Grubbs, lassen sich die abweichenden, d. h. gestörten Werte des Schalldruckpegels separieren, und es kann durch Mittelung über den Messverlauf aus den verbliebenen Messwerten bzw. vorliegend aus den verbliebenen, unmittelbar den Schalldruckpegel repräsentierenden Folgewerten eine störungsfreie Messung ermittelt und ein Wert für die vibroakustische Größe bestimmt werden, die vorliegend der Schalldruckpegel, also die physikalische Lautstärke ist.
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In 7 ist beispielhaft und sehr vereinfacht eine Vorrichtung 1 zur Bestimmung des Werts einer vibroakustischen Größe dargestellt. Die Vorrichtung 1 umfasst eine Messeinrichtung 2 zur Erfassung einer charakteristischen Größe eines Schallsignals und eine Steuereinheit 3, die ausgehend von der erfassten Größe den Wert der vibroakustischen Größe gemäß dem vorbeschriebenen Verfahren ermittelt, wobei Störgeräusche eliminiert werden. Die Messeinrichtung 2 ist beispielhaft als ein Mikrophon ausgebildet, mit dessen Hilfe der Schalldruck des aufgenommenen Geräusches erfasst wird. Die Steuereinheit 3 ermittelt hieraus insbesondere den Schalldruckpegel als ungestörte Signallautstärke.
