Geluidsmeting: van opname tot beoordeling
Geluidsmeting: van het opnemen tot de psychoakoestische analyse
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)