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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur auditiven Prüfung transienter
Geräusche.
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Geräusche im
Fahrzeuginnenraum haben unterschiedliche Quellen. Wind- und Reifenrollgeräusche entstehen
außerhalb
des Fahrzeugs und werden in den Innenraum übertragen. Dabei handelt es sich
um primär
stationäre
Geräusche,
die sich also über
die Zeit nicht oder nur geringfügig
verändern. Bediengeräusche dagegen
entstehen im Fahrzeuginnenraum, sie werden beispielsweise durch
die Betätigung
einer Taste oder eines Hebels erzeugt. Dabei handelt es sich meist
um transiente Geräusche, also
um einen kurzen, geräuschartigen
Vorgang. Transienten sind von kurzer und/oder impulsartiger Natur
und enthalten keine vorherrschenden tonalen bzw. periodischen Signalanteile.
Das Betätigen
eines Schalters besteht üblicherweise
aus zwei kurz aufeinander folgenden transienten Geräuschen.
Auch das Klappen von Bauteilen eines Fahrzeugs ist ein transientes
Geräusch.
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Derzeit
umfasst die Akustikprüfung
einzelner Komponenten in einem Kraftfahrzeug neben einer messtechnischen
Erfassung von Terzspektren auch auditive Prüfungen, also Hörtests.
Es hat sich herausgestellt, dass diese Prüfungen bezüglich der akustischen Wertigkeit
keine reproduzierbaren Ergebnisse liefern können. Einerseits gibt es keine
ausreichende Korrelation zwischen Terzspektren und wahrgenommener
akustischer Wertigkeit, andererseits ist die einzelne Gutachtermeinung
für eine
vergleichbare, kundennahe Qualitätsmessung
statistisch nicht signifikant. Die Ergebnisse sind nicht reproduzierbar
und damit als Instrument der Qualitätssicherung fragwürdig. Zudem
wird in der Entwicklung und beim Serienstart die Prü fung mehrfach
wiederholt. Dies ist kein durchgängiger
Prozess und sehr aufwendig. Für
die Qualitätssicherung
im Werk gibt die auditive Prüfung
keine verlässliche
Aussage über das
betreffende Geräusch.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Verfahren zur auditiven Prüfung transienter
Geräusche
zu schaffen, das durch die Objektivierung der akustischen Wertigkeit
reproduzierbare Messgrößen liefert.
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Diese
Aufgabe wird mit einem Verfahren zur auditiven Prüfung transienter
Geräusche
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß werden
zur auditiven Prüfung
von transienten Geräuschen
von mehreren Gegenständen
einer Serie zu den Geräuschen
objektiv messbare Faktoren, wie Lautheit und Schärfe, ermittelt. Die Lautheit
beschreibt, wie Testpersonen die empfundene Lautstärke von
Geräuschen überwiegend
beurteilen, also wie laut der Schall subjektiv empfunden wird. Dabei
hängt die
Lautheit nicht nur vom Schalldruckpegel, sondern auch vom Frequenzspektrum
und dem zeitlichen Verhalten des Geräuschs ab. Das bedeutet, dass
Schallsignale mit gleichem Schalldruckpegel aber unterschiedlichem Zeitverhalten
oder Frequenzspektrum eine sehr unterschiedliche Lautheit aufweisen
können.
Die Schärfe
eines Geräuschs
bestimmt einen wesentlichen Teil seiner Klangfarbe. Sie ist ein
Indikator für
das Verhältnis
zwischen tiefen und hohen Frequenzanteilen des Geräuschs. Je
stärker
hohe Frequenzen in einem Signal enthalten sind, desto schärfer wird
es empfunden. Die Schärfe
wird auf einer Skala von stumpf bis scharf beschrieben. Beispiele
für scharf klingende
Geräusche
sind das Kreischen einer Säge, ein
Zahnarztbohrer, ein zischendes Ventil oder Schleifgeräusche.
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Die
einzelnen Faktoren, wie Lautheit und Schärfe, werden dann jeweils mit
einem konstanten Regressionskoeffizienten multipliziert und die
Produkte miteinander zu einer Vergleichszahl addiert, die die Wertigkeit
des jeweiligen Geräuschs
ausdrückt.
Die Regressionskoeffizienten wurden vorab anhand von einmalig durchgeführten Hörtests ermittelt.
Nach diesen einmalig durchgeführten
Hörtests ist
also keine weitere subjektive Beurteilung der Geräusche mehr
erforderlich, sondern bei allen zukünftigen Geräuschmessungen können die
einzelnen Faktoren gemessen werden und daraus die Vergleichszahl
berechnet werden. Es kann beispielsweise ein Grenzwert für die Vergleichszahl
bestimmt werden, bis zu dem ein Geräusch als fehlerfrei und bei
dessen Überschreiten
ein Geräusch
als fehlerhaft zu beurteilen ist. So kann in der Serienproduktion eine
permanente auditive Prüfung
transienter Geräusche
erfolgen, ohne dass zusätzliche
Hörtests
mehr erforderlich sind. Zusätzlich
dient die Vergleichszahl als Indikator, als wie wertig oder wie
lästig
ein Geräusch
empfunden wird.
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Wird
ein physikalischer Reiz in Form einer Schallwelle im Gehör aufgenommen,
findet oberhalb der Hörschwelle
eine Verarbeitung und schließlich ein
Wahrnehmungsprozess im Gehirn statt. Die Wahrnehmung von Schall
ist dabei prinzipiell individuell verschieden und hängt stark
von der aktuellen Situation ab. Zu den wichtigsten Einflussfaktoren
für diese
Variabilität
gehören
prägende
Erfahrungen, die jeweils spezifische Umgebung sowie die mentale Verfassung.
Ist ein dargebotenes Geräusch
bekannt oder wird vor dem Hören
eine Erwartungshaltung aufgebaut, ist in jedem Fall eine veränderte Wahrnehmung
wahrscheinlich. Die Schwierigkeit, menschliche Wahrnehmungen anhand
des akustischen Erregerschalls zu prognostizieren, ist beträchtlich.
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Erfindungsgemäß wird die
Abwesenheit von lästigen
Fehlern in Funktionsgeräuschen
als erste Grenzziehung zwischen akzeptablen und nicht akzeptablen
Geräuschen
dargestellt. Wird also die Art und Auftretungshäufigkeit dieser Lästigkeitsmuster ermittelt,
können
vorhandene Geräusche
bezüglich ihrer
Lästigkeit
eingeordnet werden. Eine Minderung von diesen Lästigkeitsmustern hat im Allgemeinen eine
Erhöhung
des Wertigkeitseindrucks zur Folge. Verwendet man den Begriff Wertigkeit
als wertfreie Dimensionsbezeichnung so verläuft eine gedachte Wertigkeitsgerade
von der Lästigkeit
bis zur Hochwertigkeit. Die Lästigkeit
ist somit der Eindruck einer minderen akustischen Wertigkeit. Werden
in einem Klang lästige
Geräuschanteile
wahrgenommen und überschreiten
sie einen Schwellwert, sind sie prinzipiell ein Ausschlusskriterium
für qualitätssichernde Maßnahmen.
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Der
direkte Zusammenhang zwischen der Lästigkeit und der Lautheit eines
stationären
Geräuschs
ist in verschiedenen Studien bewiesen worden. Wenn ein Geräusch als
zu laut empfunden wird, gilt es automatisch auch als lästig. Genauso
wie der Lautstärkepegel
ist die DIN-Lautheit eine objektive Größe. Unabhängig vom Mess system und bei
definierten Grenzen der Signaleigenschaften sind die Messwerte reproduzierbar
und somit vergleichbar. Scharte Geräusche gelten ebenfalls als
lästig.
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Auch
Geräusche
mit starken tonalen Komponenten werden in der Regel als lästig empfunden.
Die Tonhaltigkeit ist dabei ein Maß für in einem Geräusch vorkommende
Einzeltöne.
Es existieren unterschiedliche Verfahren zur Berechnung der Tonhaltigkeit
eines Schallsignals.
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Auch
Geräusche
mit einer bestimmten Frequenz- und/oder Amplitudenrnodulation gelten
als lästig.
Dazu zählen
beispielsweise raue Geräusche. Bei
modulierten Schallen wird ab einer Modulationsfrequenz von ca. 20
Hz eine Klangfarbenänderung wahrgenommen.
Im Gegensatz zu Modulationen unterhalb dieser Flimmergrenze kann
hier die Schwankung nicht mehr "verfolgt" werden. Rau gelten
im Allgemeinen Geräusche,
die durch Modulationen bis zu 300 Hz vom reinen Ton zum komplexen
Ton verändert
werden.
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Jede
der vorgestellten psychoakustischen Größen ist ein abstraktes Modell
einer speziellen Wahrnehmungsdimension. Durch eine geschickte Kombination
dieser und abgeleiteter Größen entsteht erfindungsgemäß eine Metrik
für ein
komplexeres Wahrnehmungsmuster. Dieses Muster kann zum Beispiel
die Wahrnehmung Wertigkeit oder Lastigkeit sein.
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Ausgehend
von den Erkenntnissen der Psychoakustik können für eine Modellierung Vermutungen über Abhängigkeiten
angestellt werden. Einerseits wird angenommen, dass bei steigender
Lautheit die Störwirkung
der Geräusche
zunimmt. Andererseits wird angenommen, dass eine zunehmende Schärfe einen
signifikanten und direkten Bezug zur "Minderwertigkeit" der Klänge hat.
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Um
dies auch in einem objektiven Auswahlverfahren zu bestätigen wird
eine Variablenausschlussberechnung durchgeführt. Dabei wird die Regressionsmethode "schrittweise" verwendet. In diesem
Verfahren werden schrittweise Modelle gebildet, die noch nicht im
Modell enthaltende unabhängige Variablen
aufnehmen und entsprechend ihrer Aussagekräftigkeit für die abhängige Variable "Skala" ein- oder ausschließen. Das
Verfahren endet, wenn alle Variablen untersucht wurden.
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Mit
der Regression wird die Stärke
der Abhängigkeit
zwischen einer abhängigen
und einer (einfache Regression) oder mehrerer (multiple Regression)
unabhängigen
Größen untersucht.
Im hier vorliegenden Fall ist der Skalenwert der subjektiven Rangreihenfolge
die abhängige
Größe. Dabei
wird versucht den Sachverhalt "Wertigkeit" mit den gemessenen
Größen bestmöglich, d.
h. mit möglichst kleinem
quadratischem Fehler zu bestimmen. Die Bedingung für derartige
Annäherungen
ist, dass beide Größen auf
metrischem Niveau vorliegen.
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Die
lineare Regressionsanalyse stellt eine lineare Abhängigkeit
zwischen Variablen in einer Gerade dar. Ein Zusammenhang mit mehreren
Variablen wird als "multiple
Regression" bezeichnet.
Vor der Schätzung
der Regressionfunktion wird für
jede unabhängige
Variable ein Diagramm angelegt, in dem die y-Achse mit dem Skalenwert
und die x-Achse mit der zu prüfenden
Größe gebildet
wird. Dann werden die Messdaten in Form von Punkten für jedes
Geräusch
eingetragen. Für
die Schätzung
wird nun eine Gerade so hineingelegt, dass alle Punkte ideal angenähert werden.
Dies ist natürlich
schwer möglich.
Es soll also eine Funktion berechnet werden, die eine Gerade mit
minimalen Fehlern zu den Stichproben aufweist. Die Grundfunktion
der linearen Regression lautet: Y = b0 + b1X1 +
b2X2 + bkXk
- b0
- Konstante zur Anpassung
der Gerade an den Schnittpunkt mit der Y-Achse
- b
- Regressionskoeffizient
- X
- unabhängige Variable
- k
- Anzahl der unabhängigen Variablen
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Die
unabhängigen
Variablen wurden bereits weiter oben vorgestellt, es handelt sich
hierbei um die Lautheit, Schärfe,
Tonhaltigkeit und Frequenz- und Amplitudenmodulationen, wie beispielsweise
Rauigkeit, die alle objektiv direkt oder indirekt messbar sind.
Die Variablen zur Beurteilung eines transienten Geräuschs unterscheiden
sich dabei deutlich von den Variablen zur Beurteilung eines quasi-stationären Geräuschs. Während bei
quasi-stationären
Geräuschen
Faktoren wie Leiern, Wummern, etc. eine große Rolle spielen, sind bei
transienten Geräuschen vor
allem die Schärfe
und Lautheit maßgeblich.
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Bei
der linearen Regressionsanalyse wird dabei vorausgesetzt, dass die
einzelnen Variablen voneinander völlig unabhängig sind. In der Praxis hat sich
aber herausgestellt, dass es bei der Beurteilung der Wertigkeit
eines Geräuschs
häufig
leichte Abhängigkeiten
zwischen einzelnen Faktoren, wie beispielsweise zwischen der Schärfe und
der Lautheit gibt. Um diese leichten Abhängigkeiten zu berücksichtigen,
kann zu der Vergleichszahl Y, die die Wertigkeit des Geräuschs ausdrückt, auch
noch das Produkt zweier Faktoren, das mit einem Regressionskoeffizienten
multipliziert ist, dazu addiert werden.
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Dass
zu der Vergleichszahl das Produkt zweier Faktoren, das mit einem
konstanten Regressionskoeffizienten multipliziert wird, addiert
wird.
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So
kann sich beispielsweise bei dem Geräusch eines Schalters im Innenraum
eines Kraftfahrzeugs die Lautheit und die Schärfe als besonders störend bei
einem Geräusch
herausstellen. Alle anderen Faktoren wie beispielsweise die Tonhaltigkeit weisen
keine nennenswerte Korrelation zur Minderwertigkeit auf.
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Das
Modell der Minderwertigkeit –W
kann dann beispielsweise lauten: –W = 3,484 – 0,111·Lautheit – 0,888·Schärfe
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Anhand
dieser Formel kann zukünftig
jeder weiterer Schalter beurteilt werden, ohne dass subjektive Hörprüfungen erforderlich
sind.
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Die
Erfindung wird nun anhand der auditiven Prüfung eines elektrischen Schalters
näher erläutert: Die
Erzeugung der entstehenden Geräusche
ist ein komplexer Vorgang, der durch zahlreiche Faktoren beeinflusst
wird. Eine Klassifikation der Schaltergeräusche ist zweckmäßig. Es
muss das reale System hinreichend analysiert werden, damit das Verfahren entsprechend
ausgelegt werden kann.
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In
einem Hörversuch
wird nun der subjektive sowie individuelle Qualitätseindruck
der Geräusche erfasst.
Dazu gibt es verschiedene Methoden. Wird diese Befragung mit einer
statistisch validen Mehrheit und mit genau definierten Umgebungsparametern
durchgeführt,
können
die Ergebnisse dieses Hörversuchs
von dem nominalen Skalenniveau auf das metrische Skalenniveau gehoben
werden. Das metri sche Skalenniveau macht es erst möglich, ein Verfahren
für die
subjektive Wertigkeit in direkter Abhängigkeit zu anderen metrischen
Größen zu finden.
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Um
verallgemeinerungsfähige
Ergebnisse aus einem Hörversuch
zu erhalten, wird eine statistisch ausreichend große Anzahl
Probanden nach ihrem Höreindruck
befragt bezüglich
der Faktoren Lautheit, Schärfe,
Tonhaltigkeit und Rauigkeit. Die Fragebögen werden dann bezüglich ihrer
Verwertbarkeit geprüft
und fließen
anschließend
in einem Mittelwert zusammen. Dies stellt einen ersten Zugewinn
an Objektivität
dar und ist Grundlage für
die Bildung einer Rangreihenfolge, die entsprechend dem abgefragten
Kriterium von einer minimalen bis maximalen Ausprägung reicht.
Dies ist der wichtigste Schritt im Objektivierungsverfahren.
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Anschließend werden
nun für
die Faktoren Lautheit, Schärfe,
Tonhaltigkeit und Rauigkeit die Regressionskoeffizienten ermittelt.
Diese Regressionskoeffizienten sagen aus, in welchem Maße die einzelnen
Faktoren zu einem minderwertigen Höreindruck beitragen. Aus der
Summe der Produkte der einzelnen gemessenen Faktoren mit ihrem jeweiligen
Regressionskoeffizienten lässt
sich eine objektive Zahl ermitteln, die der Minderwertigkeit des
Geräuschs entspricht.
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Nach
der einmaligen subjektiven Hörprüfung und
der Ermittlung der Regressionskoeffizienten daraus liegt also eine
objektive Formel zur Beurteilung des Geräuschs vor, sodass bei anderen
Schaltern keine subjektive Hörprüfung zur
auditiven Beurteilung mehr erforderlich ist.