DE19626329C2 - Verfahren zur Analyse von Schallereignissen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur gehörrichtigen Geräuschqualitätsbestimmung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige Verfahren kommen in den unterschiedlichsten Bereichen der Technik zum Einsatz. Beispielsweise wird eine Analyse von Schallereignissen bei technischen Einrichtungen, die Geräusche abgeben, z. B. bei Motoren und dergleichen, vorgenommen.

Aus der DE 42 22 050 C2 geht eine Vorrichtung zur gehörgerechten Schallfeldanalyse, insbesondere bei Vorhandensein von mehr als einer Schallquelle oder bei einer Schallquelle in halliger Umgebung hervor, wobei eine mehrkanalige Mikrofonanordnung vorgesehen ist, deren Ausgangssignale einem binauralen Prozessor zur Zerlegung in den einzelnen Schallquellen zuzuordnende Einzelsignalanteile zugeführt sind, die hinter dem binauralen Prozessor, dessen Ausgangssignalanteile der Anzahl der vorhandenen Schallquellen entsprechen, getrennt einer Einrichtung zur psychoakustischen Bewertung zugeführt sind.

Aus der DE 29 18 420 A1 ist eine Vorrichtung zum Erkennen des Klopfens bei Brennkraftmaschinen mit einem Klopfsensor bekannt. Der Klopfsensor erzeugt ein Signal, das Klopfschwingungen und Grundrauschen enthält. Dieses Signal wird hochpaßgefiltert, über eine Demodulatorschaltung geleitet und auf einen Tiefpaß gegeben. Das Ausgangssignal des Tiefpasses wird zur Entscheidung, ob ein Klopfen der Brennkraftmaschine vorliegt oder nicht, herangezogen.

Aus Patent Abstracts of Japan 07306087 A geht eine Vorrichtung zur Bestimmung der Schallqualität hervor, bei der digitale Filterbänke bei der Schallbewertung zum Einsatz kommen.

Ferner ist aus Patent Abstracts of Japan 07019947 A eine Vorrichtung bekannt, welche es ermöglicht, aus Frequenzschwankungen ein Geräusch aus einem Geräuschgemisch zu erkennen. Hierbei wird ein spezielles Geräusch, beispielsweise ein Helikoptergeräusch, von einem anderen Geräusch, beispielsweise dem Geräusch, welches ein Kraftfahrzeug erzeugt, unterschieden. Es wird mit anderen Worten ein bekanntes "Störgeräusch" vorausgesetzt, um ein anderes bekanntes Geräusch zu detektieren.

Aus der deutschen Zeitschrift ATZ Automobiltechnische Zeitschrift 95 (1993) S. 508-519 ist ein Verfahren zur Entwicklung eines subjektiv angenehmen Innengeräusches bekannt, welches die spektrale Zusammensetzung und die zeitliche Struktur von Schallsignalen für eine gehörgerechte Schallanalyse berücksichtigt.

Die DE 295 13 754 U1 offenbart schließlich eine Vorrichtung zum Detektieren eines Maschinenschadens, bei der ein Vergleich eines mittleren Referenzsprektrums und eines aktuell gewonnenen mittleren Spektrums von Schwingungssignalen vorgenommen wird.

Ein großer Anwendungsbereich derartiger Verfahren liegt auch im Automobilsektor. So kommen derartige Verfahren beispielsweise bei der Analyse des Geräusches zum Einsatz, das durch Zufallen einer Fahrzeugtür entsteht, oder des Geräusches, das beim Betätigen der elektrischen Fensterheber entsteht oder auch des Geräusches, welches die Brennkraftmaschine des Fahrzeugs im Inneren des Autos erzeugt.

Dabei kommt es insbesondere auf eine objektive, gehör­ richtige Geräuschqualitätsbestimmung an. Ziel derartiger Verfahren ist es nämlich, die subjektiv empfundene Geräuschqualität von Schallereignissen durch objektive Parameter, wie die Lautheit, die Rauhigkeit, die Schärfe und dergleichen objektiv zu beschreiben. Das Verfahren findet demnach Einsatz auf dem Gebiet der sogenannten Psychoakustik. Psychoakustische Meßverfahren bedeuten ganz allgemein die technisch realisierbare Erfassung und Bewertung von Schallereignissen zur objektiven Beur­ teilung von Geräuschqualitäten. Zur näheren Erläuterung der Psychoakustik im allgemeinen und bekannter psychoakustischer Meßverfahren wird auf folgende Publikationen verwiesen: E. Zwicker, "Psychoakustik" Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 1982, siehe insbesondere S. 52 ff.; F. K. Brandl, H. Schiffbänker, G. E. Thien, "A concept for definition of subjective noise character - as a basis for more effi­ cient vehicle noise reduction strategies" Inter-Noise '89, Newport Beach, USA, Dezember 1989; W. Aures, "Berechnungsverfahren für den Wohlklang beliebiger Schallsignale, ein Beitrag zur gehörbezogenen Schall­ analyse" Dissertationsschrift TU-München, Fakultät für Elektrotechnik, August 1984, S. 67-S. 85.

Bei bekannten Verfahren wird die subjektiv empfundene Geräuschqualität von Schallereignissen durch geeignete Kombinationen von absolut erfaßbaren Parametern, bei­ spielsweise der Lautheit, der Rauhigkeit, der Schärfe und dergleichen des Geräusches objektiv bestimmt und bewertet.

Hierzu wird beispielsweise ein Referenzspektrum aus einem Referenz-Schallereignis ermittelt. Dieses Referenzspektrum wird sodann von dem Spektrum des zu untersuchenden Schallereignisses subtrahiert, um so Abweichungen zu dem Referenzspektrum festzustellen.

Nachteilig bei diesen Verfahren ist es jedoch, daß die objektive gehörrichtige Bestimmung der Geräuschqualität durch absolute Parameter und deren Kombination nur unzulänglich möglich ist, da beispielsweise ein sehr lautes Geräusch nicht unter allen Umständen als unange­ nehm empfunden wird, wohingegen auch ein leises Geräusch durchaus eine schlechte Geräuschqualität aufweisen kann und daher als eher unangenehm empfunden wird.

Dies resultiert insbesondere daraus, daß das menschliche Gehör adaptiv analysiert. Es ist nicht in der Lage, absolut wie ein Meßgerät zu messen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur gehörrichtigen Geräuschqualitätsbestimmung von Schallereignissen der gattungsgemäßen Art derart zu verbessern, daß eine möglichst realistische und objektive Analyse der Schallereignisse, insbesondere eine adaptiv gehörrichtige Geräuschqualitätsbestimmung, auf technisch einfach zu realisierende Weise möglich ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren zur gehörrichtigen Geräuschqualitätsbestimmung von Schallereignissen der eingangs beschriebenen Art erfin­ dungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Diese Verfahrensschritte haben den besonders großen Vorteil, daß statt absoluter Werte von physikalischen oder auch psychoakustischen Meßgrößen Schwankungen des Geräuschpegels erfaßt und bewertet werden. Es hat sich nämlich gezeigt, daß in der Praxis häufig eine gewisse Invarianz des menschlichen Gehörs gegenüber absoluten Änderungen von Schallereignis-Merkmalen zu beobachten ist. So werden beispielsweise Geräusche als gleich lästig beurteilt, wenn z. B. der Pegel und damit auch die Lautheit signifikant verändert werden, die Geräusche aber ansonsten hinsichtlich beispielsweise ihrer spektralen Verteilung oder ihrer zeitlichen Strukturen unverändert wiedergegeben werden. Andererseits ist die Beurteilung des Schalldruckpegels, der Lautheit, der Schärfe, der Rauhigkeit und dergleichen abhängig von der Frequenz des Schallereignisses. So kann beispielsweise ein bei einer Frequenz sehr unangenehm empfundenes Geräusch bei einer anderen Frequenz als weniger unangenehm und lästig empfunden werden.

Das Schallereignis wird vorteilhafterweise jeweils in Frequenzgruppen, vorzugsweise 24 Frequenzgruppen, zerlegt und die Analyse wird zugeordnet zu diesen Frequenzgruppen vorgenommen. Die Aufteilung in 24 Frequenzgruppen ist in der Psychoakustik bekannt und ausführlich beispielsweise bei Zwicker: "Psychoakustik", Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 1982, siehe Tabelle S. 52, beschrieben.

Hierdurch ist auf einfache und leicht zu realisierende Weise eine frequenzgruppenabhängige Analyse und Bewer­ tung des Schallereignisses bei beispielsweise ansonsten unveränderten Parametern, wie Schalldruckpegel, Lautheit, Schärfe, Rauhigkeit und dergleichen möglich.

Insbesondere hinsichtlich einer sehr realistischen gehörgerechten Geräuschqualitätsbestimmung ist es vorteilhaft, eine Analyse des zeitlichen Verhaltens des Schallereignisses innerhalb jeweils einer Frequenzgruppe vorzunehmen.

Auf diese Weise können relative Schwankungen des zeitli­ chen Verlaufs innerhalb einer Frequenzgruppe erfaßt werden.

Zur Zerlegung des Schallereignisses in Frequenzgruppen sind die unterschiedlichsten Möglichkeiten denkbar.

Vorteilhafterweise wird diese Zerlegung jedoch mit Hilfe eines Filterbanksystems vorgenommen.

Dabei entspricht die Filterbandbreite des Filterbank­ systems vorteilhafterweise der Filterbandbreite des menschlichen Gehörs, da auf diese Weise eine besonders realistische gehörgerechte Geräuschqualitätsbestimmung ermöglicht wird.

Das Filterbanksystem selbst kann auf die unterschiedlichste Art und Weise realisiert sein.

Vorzugsweise umfaßt das Filterbanksystem jedoch eine Vielzahl von Terzfiltern.

Eine besonders einfach zu realisierende Filterbank wird durch frei programmierbare digitale Filter gebildet. Auf diese Weise können jegliche Art von Filtern auf einfache Weise realisiert werden.

Als Aufnahmemittel können die unterschiedlichsten Schallaufnahmesysteme vorgesehen sein. So kann das Aufnahmemittel ein oder mehrere Mikrofone umfassen.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des Aufnahme­ mittels stellt jedoch ein Kunstkopfsystem dar, da mittels eines Kunstkopfsystems eine besonders realistische gehörrichtige Geräuschqualitätsbestimmung möglich ist.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegen­ stand der nachfolgenden Beschreibung des Verfahrens in Verbindung mit der Zeichnung.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 schematisch eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Analyse von Schallereignissen;

Fig. 2 schematisch den Vergleich zweier Geräuschspektren mit gleichen absoluten Parametern in Abhängigkeit von Frequenzgruppen;

Fig. 3 eine vergrößerte Ausschnittdarstellung der in Fig. 2 gezeigten Geräuschspektren und

Fig. 4a und 4b jeweils unterschiedliche zeitliche Strukturen des Pegels einer Frequenzgruppe.

Ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Durch­ führung des Verfahrens zur Analyse, insbesondere gehör­ richtigen Geräuschqualitätsbestimmung, dargestellt in Fig. 1, umfaßt ein Aufnahmemittel in Form eines Kunst­ kopfs 10, welcher Schallereignisse aufnimmt und über eine Signalleitung 11 an eine Filterbank 20 ausgibt.

Die Filterbank 20 selbst kann beispielsweise frei programmierbare digitale Filter umfassen, die so programmiert sind, daß das Filterbanksystem 20 eine Vielzahl von einzelnen Terzfiltern unterschiedlicher Frequenz F1, F2, . . . Fn aufweist.

Das von dem Filterbanksystem 20 in einzelne Frequenz­ gruppen zerlegte Signal wird über Signalleitungen 21 einer Auswerteschaltung 30, beispielsweise einem Mikro­ prozessor zugeführt, in dem die Analyse des in Frequenz­ gruppen zerlegten Schallereignisses durchgeführt und zu einer Bewertungsgröße Q verarbeitet wird, die beispiels­ weise zur Weiterverarbeitung ausgegeben wird.

Das Verfahren zur Analyse von Schallereignissen mit Hilfe einer solchen Vorrichtung läßt sich am besten anhand der Fig. 2, 3 und 4 verdeutlichen.

In Fig. 2 und 3 sind jeweils zwei Geräuschspektren über der Frequenz zugeordnet zu Frequenzgruppen aufgetragen, die durch kontinuierliche Bildung des gleitenden Mittel­ werts des Geräuschpegels zurückliegender Schallereignisse in der Auswerteschaltung 30 erhalten wurden.

Beide Geräusche haben den gleichen dB(A)Wert und dieselbe Lautheit. Aus beiden Geräuschspektren wird kontinuierlich der gleitende Mittelwert des Geräuschpegels zurückliegender Schallereignisse und Ab­ weichungen von dem gleitenden Mittelwert um einen vorgegebenen Betrag bestimmt und zur Ausgabe der Bewertungsgröße Q in der Auswerteschaltung 30 mit einem weiter unten noch näher zu erläuternden Wichtungsfaktor gewichtet.

Bis zu einem Wert von etwa 19 Bark verlaufen beide, in Fig. 2 und Fig. 3 als Beispiel dargestellte Geräuschspektren gleich. Dabei ist die Einheit Bark eine gebräuchliche Frequenzgruppenbezeichnung, wie sie beispielsweise aus Zwicker: "Psychoakustik", Springer- Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 1982 hervorgeht.

Ab diesem Wert jedoch zeigt das mit 2 gekennzeichnete Geräuschspektrum signifikante Änderungen im Vergleich zu dem mit 1 gekennzeichneten Geräuschspektrum. Objektiv gesehen wird das mit 1 gekennzeichnete Geräuschspektrum von einer Person angenehmer beurteilt als das mit 2 gekennzeichnete Geräuschspektrum, bei dem größere Änderungen von einer Frequenzgruppe zur benachbarten im Bereich um 20 Bark auftreten.

Um nun eine Analyse, d. h. eine gehörrichtige Bewertung der Geräuschqualität zu ermöglichen, werden die Differenzen des gleitenden Mittelwerts des Geräuschpegels von aufeinanderfolgenden Frequenzgruppen bestimmt und nach Wichtung mit einem vorgegebenen Wichtungsfaktor in der Auswerteschaltung 30 als Bewertungsgröße Q ausgegeben.

Die Bewertung der Geräuschqualität kann dabei beispiels­ weise mit Hilfe folgender Vorschrift vorgenommen werden:

Q = f(N, S, R, F) + Σ[|F_G(i - 1) - F_G(i)|.w₁(iF_G(i)) + Σ|F_G(i, n) - F_G(i, n + 1)|.w₂(i, F_G(i))].

Dabei ist F_G(i) ein Mittelwert des Frequenzgruppenpegels über eine Zeit T von 2 bis 4 Sekunden, F_G(0) = F_G(1), F_G(i, n) ist ein Mittelwert des Frequenzgruppenpegels über einen wesentlich kürzeren Zeitraum, etwa 2 msec, n ist der aktuelle (zeitabhängige) Wert. Die Wichtungs­ faktoren w₁(i, F_G(i)), w₂(i, F_G(i)) hängen vom Frequenzgruppenindex i und vom Frequenzgruppenpegel F_G(i) ab, sie können entsprechend den Kurven gleicher Lautheit nach Zwicker (a. a. O.) oder vereinfacht entsprechend der an sich bekannten A-Bewertung gewählt werden. Die Funktion f bezeichnet einen additiven Faktor, der von der Lautheit N, der Schärfe S, der Rauhigkeit R und der Schwankungsstärke F abhängt. Die Funktion f kann beispielsweise der sogenannte Lästigkeitsindex nach Zwicker (a. a. O.) oder eine andere, die Geräuschqualität kennzeichnende Funktion sein.

Statt der in den Summen auftretenden Betragsfunktionen können auch beliebige andere funktionale Zusammenhänge in Abhängigkeit vom Frequenzgruppenpegel F_G(i) angenommen werden.

Wie der Gleichung für die Geräuschqualität Q entnommen werden kann, erfolgt innerhalb einer Frequenzgruppe eine Analyse des zeitlichen Verhaltens des Schallereignisses und kombiniert hiermit eine Analyse des Frequenzverhal­ tens.

Im Falle der in Fig. 2 und 3 dargestellten Ge­ räuschspektren werden beispielsweise die signifikanten, einen vorgegebenen Wert überschreitenden, mit Δ₁ und Δ₂ dargestellten Änderungen mit einer anderen Bewertungsgröße Q ausgegeben als die weniger signifikanten Änderungen des mit 1 gekennzeichneten Geräuschpegels. Diese Bewertungsgröße Q ist ein objektives Maß für ein von dem menschlichen Gehör als unangenehm empfundenes Geräusch. Die Größen Δr entsprechen dabei in obiger Gleichung den Größen |F_G(r - 1) - F_G(r)| bzw. |F_G(r, u) - F_G(r, u + 1)|.

Wie aus der obigen Gleichung hervorgeht und in Fig. 4 dargestellt ist, erfolgt die Analyse des zeitlichen Verhaltens des Schallereignisses innerhalb einer Fre­ quenzgruppe. In Fig. 4a, 4b ist jeweils die zeitliche Struktur der Pegel zweier unterschiedlicher Schaller­ eignisse der Frequenzgruppe um 6 kHz dargestellt.

Bei dem in Fig. 4a dargestellten Schallereignis ändert sich der Geräuschpegel in der Frequenzgruppe um 6 kHz nur wenig, wohingegen bei dem in Fig. 4b dargestellten Geräuschpegel signifikante Änderungen des Geräuschpegels in derselben Frequenzgruppe auftreten. Interessant ist nun, daß beide Pegel etwa denselben Mittelwert von etwa 83 dB(A) haben. Dennoch wird das in Fig. 4b dargestellte Schallereignis aufgrund seiner starken zeitlichen Änderung als unangenehmer empfunden.

Ein Maß zur Bewertung des Schallereignisses sind wiederum die signifikanten Änderungen Δ3, Δ4 des Geräuschpegels, die mit Hilfe des obenbeschriebenen Verfahrens erfaßt, gewichtet und als Bewertungsgröße Q ausgegeben werden.

Claims (9)

1. Verfahren zur gehörrichtigen Geräuschqualitätsbe­ stimmung von Schallereignissen, wobei die Schallereignisse mit einem Aufnahmemittel erfaßt und in einer Auswerteeinrichtung ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung eines Referenzsignals kontinuierlich der gleitende Mittelwert zeitlich zurückliegender Geräuschpegel des Schallereignisses bestimmt wird, und daß innerhalb vorgegebener Frequenzintervalle Änderungen (Δ1, Δ2, Δ3, Δ4) des Schallpegels im Vergleich zu dem Referenzsignal um einen vorgegebenen Betrag sowohl frequenzabhängig als auch zeitabhängig erfaßt, in der Auswerteeinrichtung verarbeitet und zur Ausgabe einer Bewertungsgröße (Q) mit einem vorgegebenen Wert gewichtet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schallereignis in Frequenzgruppen (f₁, f₂, . . . f_n) zerlegt wird und die Analyse zugeordnet zu diesen Frequenzgruppen (f₁, f₂, . . . f_n) erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Analyse des zeitlichen Verhaltens des Schallereignisses innerhalb jeweils einer Frequenzgruppe (f₁, f₂, . . . f_n) erfolgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerlegung des Schallereignisses in Frequenzgruppen mit Hilfe eines Filterbanksystems (20) vorgenommen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Filterbanksystem (20) frei programmierbare digitale Filter umfaßt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Filterbanksystem (20) eine Vielzahl von Terzfiltern aufweist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterbandbreite des Filterbanksystems (20) der Filterbandbreite des menschlichen Gehörs entspricht.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufnahmemittel wenigstens ein Mikrophon umfaßt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufnahmemittel ein Kunstkopfsystem (10) ist.