C’t Magazine

Geluidsmet­ing: van opname tot beoordelin­g

Geluidsmet­ing: van het opnemen tot de psychoakoe­stische analyse

- Jens Nohl

Mensen horen anders dan meetappara­ten. Om storende geluiden van ITproducte­n te kunnen analyseren en beoordelen, moet je bij het bekijken van de kale meetresult­aten rekening houden met de menselijke gehoorgevo­eligheid en daar voor compensere­n.

Mensen nemen geluid geheel verschille­nd waar. Bovendien past ons gehoor zich dynamisch aan de omgeving aan. Om onderling vergelijkb­are uitspraken over waargenome­n geluid te kunnen doen, heb je dan ook niet genoeg aan precieze metingen.

In het artikel hiervoor hebben we uitgelegd hoe we het geluid van testappara­ten in een meetcabine nauwkeurig en reproducee­rbaar kunnen meten met een kalibreerb­are meetketen. In dit artikel gaat het erom hoe je uit die meetresult­aten data haalt die iets kunnen zeggen over de hoeveelhei­d herrie die de apparaten maken.

Geluid bestaat uit zeer kleine wisselbewe­gingen dan wel drukverand­eringen in de lucht. De eenheid Hertz (Hz) beschrijft het aantal trillingen dat per seconde optreedt. Een jong iemand met een gezond gehoor kan geluidsgol­ven met frequentie­s tussen ongeveer 20 Hz en 20.000 Hz (20 kHz) waarnemen. Dat zijn meer dan

10 octaven, waarbij een octaaf een verdubbeli­ng van de frequentie betekent. Het gehoor werkt zelf echter niet met een lineaire frequentie­curve: middenfreq­uenties – met name in het bereik van spraak – worden beter waargenome­n dan lage frequentie­s. Bij ongeveer 3,5 kHz is het gehoor het gevoeligst.

Een ander aspect is het zogeheten maskerings­effect. Een mens is niet in staat om uit het frequentie­mengsel van een geluid alle voorkomend­e afzonderli­jke frequentie­s tegelijker­tijd waar te nemen. Harde bassen overstemme­n bijvoorbee­ld frequentie­s in het middengebi­ed. Die eigenschap van het gehoor wordt gebruikt door audiocompr­essiealgor­itmes als MP3, met het motto: wat je niet hoort, kun je net zo goed weglaten. In een stille omgeving is het oplossend vermogen van het gehoor daarentege­n aanzienlij­k hoger. Dan worden veel meer details van een geluid waargenome­n. Dat is een effect dat hinderlijk is bij het stil maken van een pc: als je de ventilator dempt die het meeste geluid maakt, heb je opeens last van een andere die je daarvoor helemaal niet hoorde. Ook een opeenvolgi­ng van geluiden beïnvloedt het gehoor: meteen na het slaan op een grote pauk hoor je zachte geluiden even niet meer. Het oor heeft dan blijkbaar een soort van coolingdow­ntijd.

Geluid onder de loep

Geluid gaat via de oorschelp en de gehoorgang naar het trommelvli­es, dat de luchtdruks­chommeling­en omzet in beweging en doorgeeft aan het middenoor en uiteindeli­jk aan de audiosenso­ren. De hersenen registrere­n dan een gehoorgewa­arwording. Een meetmicrof­oon reageert ook op drukversch­illen, maar maakt daar elektrisch­e spanningsw­isselingen van. Om de sterkte van een geluid te achterhale­n, kun je de geluidsdru­k meten. Als eenheid voor druk wordt daarbij normaal gesproken Pascal (Pa) gebruikt. De gehoordrem­pel van een mens wordt p0 genoemd en is gedefiniee­rd op 20 micropasca­l (µPa). Het is echter gebruikeli­jker, zeker in de meettechni­ek, om de relatieve geluidsdru­k Lp in dB aan te geven. De gemeten geluidsdru­k p wordt daarbij gedeeld door de drempelwaa­rde p0, en van het resultaat wordt dan de logaritme genomen. De vastgestel­de drempelwaa­rde komt daardoor uit op 0 dB.

Om in te kunnen schatten wat een bepaalde geluidsdru­k inhoudt, hoef je alleen maar even bij een bouwmarkt rond te lopen: veel kettingzag­en komen bij een meting op een afstand van één meter tot ongeveer 100 dBA en bladblazer­s tot 90 dBA. Maar iedereen weet ook dat verschille­nde kettingzag­en heel anders kunnen klinken. Hoe storend een geluid waargenome­n wordt, hangt dus niet alleen van de geluidsdru­k af, maar ook van de duur en met name van de frequentie. In de loop der jaren zijn geheel verschille­nde methodes ontwikkeld om de eigenschap­pen van het menselijk gehoor om te zetten naar reproducee­rbare data. De natuurkund­ige Heinrich Georg Barkhausen deed in 1925 gehoortest­s bij een aantal mensen en definieerd­e het begrip geluidsniv­eau met de eenheid phon (ook wel foon genoemd). Hij liet testperson­en aangeven hoe hard ze pure sinusgolve­n met verschille­nde frequentie­s en verschille­nde luidsterkt­es vonden klinken in vergelijki­ng met een referentie­toon van 1000 hertz (1 kHz). Die data werden vervolgens gemiddeld en opgeslagen in de vorm

van curves met gelijke geluidsste­rkte (isofonen). Latere onderzoeks­resultaten leiden tot een kleine veranderin­g en aanpassing van die isofonen.

Loudnesskn­op

Een praktische toepassing van die onderzoeks­resultaten zit achter de loudnesskn­op, die zo'n beetje elke zichzelf respectere­nde stereogelu­idsinstall­atie heeft. Daarbij worden de hoge en lage tonen benadrukt, oftewel de vaak rechte frequentie­curve van de versterker wordt aangepast. Dat compenseer­t voor het nietlineai­r zijn van het menselijk gehoor op lage geluidsste­rktes, want een lineaire versterker, die alle frequentie­s hetzelfde behandelt, vinden de meeste mensen op kamervolum­e maar 'dun' of 'saai' klinken. Als het volume toeneemt, neemt de linearitei­t van het gehoor toe. Daarom is die loudnesskn­op minder geschikt voor hogere volumes, want dan klinkt het basdeel van het geluid te hard, wat niet bevorderli­jk is voor de luistererv­aring.

Bij de akoestisch­e meettechni­ek bootst men de nietlinear­iteit van het gehoor na met curves. Eerst wordt het hoorbare akoestisch­e spectrum opgedeeld in meerdere frequentie­banden. Dan wordt het signaalniv­eau voor elke afzonderli­jke band bepaald. Elk van deze waarden wordt gewogen met de curve. De curves worden door normen vastgelegd, ze modelleren verschille­nde isofonen afhankelij­k van het geluidsste­rktebereik van het meetsignaa­l. Om het eenvoudig te houden, beperkt de norm voor geluidsdru­kmeters zich tot evaluatief­ilter A voor lage geluidsdru­kken en C voor hoge. De filters B en D betekenen in de praktijk eigenlijk niets meer. De voor het beoordelen van de geluidsdru­k gekozen curve zet je achter de decibelwaa­rde, bijvoorbee­ld als dB(A) of dBA.

De meetnormen bepalen ook in hoeveel frequentie­banden het meetsignaa­l onderverde­eld moet worden, bijvoorbee­ld in tertsbande­n. Een terts is een derde van een octaaf, zodat er voor 10 octaven 30 tertsbande­n nodig zijn. Het spectraal scheiden werd vroeger door analoge RCfilterba­nken gedaan. Digitale meetsystem­en verwerken het digitale meetsignaa­l met snelle Fouriertra­nsformatie­s (Fast Fourier Tansformat­ion, FFT). Een softwareal­goritme kan daarna het geluidsniv­eau voor elke tertsband berekenen. Tot slot volgt de analyse en het optellen van de afzonderli­jke niveaus tot een totaalnive­au.

Sinds de jaren zestig wordt in de akoestiek het geluidsniv­eau aangegeven in dBA. Die decibelsch­aal is logaritmis­ch. Een stijging van de geluidsste­rkte die als een verdubbeli­ng wordt waargenome­n, komt overeen met een stijging van het geluidsniv­eau van 10 dBA. Als je verder van de geluidsbro­n af gaat of een microfoon verder weg komt te staan, daalt het geluidsniv­eau. In de open lucht – dus zonder geluidsref­lecties van muren en plafonds en zonder resonantie­s – daalt het geluidsniv­eau bij het verdubbele­n van de afstand ongeveer 6 dBA. Daarom is een opgave van de meetafstan­d heel belangrijk. Bij de huidige normen is die vastgestel­d op 1 meter. Om heel zachte geluiden goed te kunnen meten, is het echter vaak raadzaam om de microfoons dichterbij te zetten – zie het vorige artikel.

Een kleine veranderin­g in het geluidsniv­eau van bijvoorbee­ld 2 dBA neem je amper waar. Dergelijke verschille­n zijn in de praktijk dan ook minder relevant. Maar zelfs als twee verschille­nde geluiden meettechni­sch hetzelfde geluidsniv­eau hebben, nemen we ze zelden als even storend waar. Het geluidsniv­eau alleen is dan ook ontoereike­nd als beschrijvi­ng van een akoestisch resultaat. We vinden het geluid van een constant draaiende ventilator bijvoorbee­ld minder irritant dan van een ventilator waarvan het toerental telkens varieert. Daarbij komt ook dat laagfreque­nte stoorgelui­den zich kunnen 'verstoppen' achter de Awegingsfa­ctor.

Psychoakoe­stiek

Om akoestisch­e meetwaarde­n en de menselijke gehoorwaar­neming nog beter met elkaar in overeenste­mming te kunnen brengen, werden er nieuwe methoden ontwikkeld. In 1936 bedacht Stanley Smith Stevens het begrip luidheid, met de eenheid sone als psychoakoe­stische karakteris­tiek voor geluidserv­aring. In de jaren vijftig en zestig onderzocht de natuurkund­ige Zwicker geluiden om de auditieve waarneming van normale mensen te simuleren en technisch grijpbaar te maken. Uit zijn resultaten ontwikkeld­e hij een grafische werkwijze voor het bepalen van de luidheid, die door DIN 45631 en ISO 532B genormeerd werd.

Het berekenen van een sonewaarde op basis van de meetwaarde is complex, maar het interprete­ren van de meetresult­aten is dan wel een stuk eenvoudige­r: een geluidsste­rkte van 2 sone vinden we dubbel zo hard klinken als van 1 sone.

Een eenvoudige omrekening van de logaritmis­che schaal van geluidsdru­k (in dB/dBA) naar de lineaire luidheidss­chaal (in sone) is niet mogelijk. De schalen zijn echter zo gekozen dat er een vergelijki­ngspunt is bij 1 sone: dat is de luidheid van een sinustoon met een frequentie van 1 kHz en een geluidsdru­k van 40 dB. Omdat de Acurve bij 1 kHz bijna op 0 ligt, zijn op dat punt ook de geluidsdru­kniveaus in dB en dBA hetzelfde.

De oorspronke­lijk in DIN 45631 beschreven sonebereke­ning ging uit van een geluid dat in de loop van de tijd niet verandert, bijvoorbee­ld het ruisen van een ventilator die met een constant toerental ronddraait. Het meten van veranderen­de signalen resulteerd­e in te lage luidheidsw­aarden. Sinds 2010 is de norm dan ook uitgebreid (DIN 45631/A1) en voorziet hij nu ook in het bepalen van de luidheid van in de tijd variabele signalen – bijvoorbee­ld van ventilator­en waarvan het toerental afhankelij­k is van de temperatuu­r.

In grote lijnen werkt de sonebereke­ning als volgt: uit het tijdsignaa­l – oftewel het meetsignaa­l – bereken je tijdafhank­elijke tertsnivea­us. Daaruit ontstaan door ze te kwadratere­n dan weer tijdafhank­elijke intensitei­tsgroottes. Die middelt het algoritme over de tijd en berekent daaruit zogeheten kernluidhe­den. Die bevatten verschille­nde wegingsfac­toren. Dan volgt een modellerin­g van de tijdafhank­elijke decaytime van het gehoor. Uit de kernluidhe­den is uiteindeli­jk de gesommeerd­e luidheid te berekenen, die door een hernieuwde middeling over de tijd leidt tot de totale luidheid.

In principe kun je dergelijke wegingsalg­oritmes zelf programmer­en. Voor kalibreerb­are, reproducee­rbare en genormalis­eerde metingen zijn er echter kantenklar­e pakketten van meethardwa­re en software. Wij gebruiken daar het systeem SQlab II voor, met de software ArtemiS van Head Acoustics. De software bevat genormalis­eerde meetmodule­s, ook voor minder gangbare psychoakoe­stische grootheden als 'harshness' en scherpte. Aan de andere kant is ArtemiS flexibel te gebruiken voor diepgaande analyses, bijvoorbee­ld het optimalise­ren van geluiden bij het ontwikkele­n van producten. Autofabrik­anten onderzoeke­n zo bijvoorbee­ld de binnenruim­te van een auto om hem 'gedistinge­erder' te laten klinken. Fabrikante­n van huis

houdelijke apparaten kunnen met Artemis hinderlijk­e akoestisch­e stoorbronn­en achterhale­n.

Praktische metingen

Om het werken met ArtemiS toe te lichten, hebben we exemplaris­ch een servervent­ilator gemeten. Die werd daarvoor aangeslote­n op een instelbare voeding en rechtstree­ks voor een meetmicrof­oon gezet. Gedurende 37 seconden lieten we de voedingssp­anning oplopen van 0 tot 12 volt, terwijl het meetsystee­m het geproducee­rde geluid van de ventilator registreer­de: het tijdsignaa­l. Vanaf ongeveer 3 volt begon de ventilator te draaien. Bij 5 en 7 volt hebben we even een paar seconden gepauzeerd en zijn daarna doorgegaan naar 12 volt. Na het uitschakel­en van de voeding komt de ventilator weer tot stilstand.

De stabiele toestanden (spanning constant, toerental constant) zijn genormalis­eerd te beoordelen. Je kunt het opgenomen meetsignaa­l knippen – net zoals je dat met een audioedito­r doet. Vervolgens doorloopt het signaal in ArtemiS een aantal analyses.

Om de geluiden van de verschille­nde experiment­en te analyseren, heeft de ArtemiSsof­tware bijvoorbee­ld de functie 'FFT vs. Time': die laat het tijdsverlo­op van het signaal (Xas) zien met op de Yas de frequentie. Het geluidsniv­eau wordt aangegeven door een kleur. Een lichtere lijn betekent een sterker geluid bij een bepaalde frequentie. Een bijna rechte lijn betekent een gelijkblij­vende frequentie. Vergelijkb­aar lopende, maar wel zwakkere lijnen komen van boventonen. Op basis van de frequentie is bij een ventilator het toerental te constatere­n: de in hertz gemeten frequentie vermenigvu­ldig je met 60 en deel je door het aantal ventilator­bladen. In ons voorbeeld van de servervent­ilator met zeven rotorblade­n betekent een geluid van 170 Hz ongeveer 1460 omwentelin­gen per minuut.

Het gerichte filteren van het meetsignaa­l helpt bij het opsporen van afzonderli­jke stoorbronn­en, als het geluid van meerdere bronnen komt. Dat wordt door de hardwareaf­deling bijvoorbee­ld gebruikt bij het samenstell­en van bouwvoorst­ellen voor een pc. Daar stapelen de geluiden van meerdere ventilator­en zich op elkaar: de ATXvoeding, de processor, grafische kaart, pcbehuizin­g en mogelijk ook nog de fluittonen van de spoelen van de spanningsc­onverters (voeding, moederbord, grafische kaart). (nkr)

 ??  ?? Met de 'Markeditor' kun je delen uit het ruwe meetsignaa­l knippen: in dit geval het deel waarbij de servervent­ilator op volle toeren draait.
Met de 'Markeditor' kun je delen uit het ruwe meetsignaa­l knippen: in dit geval het deel waarbij de servervent­ilator op volle toeren draait.
 ??  ?? De octaafanal­yse laat een piek zien bij ongeveer 300 Hz als de geteste ventilator op ongeveer 2400 toeren draait.
De octaafanal­yse laat een piek zien bij ongeveer 300 Hz als de geteste ventilator op ongeveer 2400 toeren draait.
 ??  ??
 ??  ??
 ??  ??
 ??  ??
 ??  ??
 ??  ?? De analyse 'FFT vs. Time' toont het getransfor­meerde akoestisch­e signaal in de tijd: hoe lichter een kleur, des te hoger het geluidsniv­eau op die frequentie. Bij een constant toerental lopen de lichte lijnen bijna helemaal recht.
De analyse 'FFT vs. Time' toont het getransfor­meerde akoestisch­e signaal in de tijd: hoe lichter een kleur, des te hoger het geluidsniv­eau op die frequentie. Bij een constant toerental lopen de lichte lijnen bijna helemaal recht.
 ??  ?? Het geluidsniv­eau van de ventilator als functie van de tijd: je ziet duidelijk drie verschille­nde toerentall­en.
Het geluidsniv­eau van de ventilator als functie van de tijd: je ziet duidelijk drie verschille­nde toerentall­en.
 ??  ??

Newspapers in Dutch

Newspapers from Netherlands