01.01.2016, 00:00 Uhr

Wahrnehmung von Ganzkörperschwingungen

Zusammenfassung Der Mensch ist im Alltag vielfältigen Ganzkörperschwingungen ausgesetzt, die vorwiegend in Fahrzeugen, Flugzeugen und musikalischen Vorstellungen (Konzertsaal) auftreten. Die spektralen und zeitlichen Strukturen der Schwingungssignale spielen eine wichtige Rolle für die Beurteilung von Ganzkörperschwingungen. In dieser Arbeit wurden zwei Versuchsreihen durchgeführt, um die grundlegenden Merkmale für Ganzkörperschwingungen zu bestimmen. Zunächst wurde mithilfe von repräsentativ ausgewählten Ganzkörperschwingungssignaltypen (Sinusschwingungen, rauschen, impulsartige und modulierte Schwingungen) eine erste Versuchsreihe durchgeführt. Hier schilderten nicht vorgebildete (Schwingungswahrnehmung) Versuchspersonen in einem freien Interview sämtliche taktil wahrnehmbaren Eindrücke unter dem Einfluss von Ganzkörperschwingungen. Dabei konnten 38 verschiedene Begriffe zur Beschreibung gefunden werden. Anschließend wurden die von allen Versuchspersonen benutzten Begriffe in einer zweiten Versuchsreihe global auf ihre Eignung bewertet. Bei der Bewertung der Begriffe wurde eine Skala von 1 für „überhaupt nicht geeignet“ bis 5 für sehr gut geeignet“ verwendet. Für die verwendeten Signaltypen entstand ein präzisiertes Beschreibungssystem. Es besteht aus sieben Begriffen: holprig, zittrig, tickend, summend, ratternd, schlagend und wellig.

Quelle; Panther Media/ Budabar

Quelle; Panther Media/ Budabar

In der klassischen Psychoakustik beschreiben Versuchspersonen von ihr wahrgenommene Hörereignisse bezüglich der jeweils interessierenden Merkmale (z. B. Lautheit, Hörereignisrichtung, Halligkeit). Hörereignismerkmale können zeitlich, räumlich und eigenschaftlich bestimmt werden [1].

Eine vollständige Zusammenfassung der Hörereignismerk­male wäre für mehrere Problemstellungen (von der Verarbeitung akustischer Signale im Ohr bis zur Raumakustik) interessant. Die schon existierenden Hörereignismerkmale haben verschiedene historische Entwicklungen durchlaufen.

Die Begriffe laut und leise gehören zu unserem Alltag und werden bei der Beschreibung von Hörereignissen oft benutzt. Diese Begriffe werden später von Wissenschaftlern als Merkmal „Lautheit“ (engl. loudness, siehe [2; 3]) zusammengefasst, obwohl umgangssprachlich Lautstärke dafür benutzt wird. Die Hörereignisrichtung gehört z. B. genauso zu unseren alltäglichen Beschreibungen von Hörereignissen als räumliches Merkmal. Bei der Beurteilung dieser Merkmale von Versuchspersonen wird keine komplizierte Einführung bezüglich der Merkmalsbedeutung notwendig.

Es gibt auch Merkmale wie Klangfarbe, Tonverwandschaft oder Rauigkeit, die wissenschaftlich definiert und eingeführt sind. Zum Beispiel hat Helmholtz die Klangfarbe als diejenige Eigentümlichkeit bezeichnet, wodurch sich der Klang einer Violine von dem einer Flöte oder menschlichen Stimme unterscheidet, wenn alle dieselbe Note in derselben Tonhöhe hervorbringen [4]. Bei der Beurteilung solcher Merkmale, müssen die Versuchspersonen ausführlich eingeführt werden und die Merkmalsbedeutungen müssen mit Beispielen genau erklärt werden. In einigen Fällen sollen die Versuche mit Experten durchgeführt werden. Problematisch sind die gelegentlich unterschiedlichen Beurteilungen von Experten und Laien. Eine weitere Schwierigkeit besteht in der unterschiedlichen Definition derselben Merkmale durch verschiedene Wissenschaftler, wodurch die Vergleichbarkeit der Ergebnisse erschwert wird.

Es ist nicht immer möglich und sinnvoll (abhängig von der Fragestellung), die Untersuchungen mit Experten durchzuführen. Für Tests mit Laien sind zur Beschreibung von Wahrnehmungsereignissen Begriffe aus dem Alltag notwendig.

Semioakustik versucht die Frage zu klären, wie menschliche Hörer akustisch-auditive Ereignisse verarbeiten, wenn sie diese als Informationsträger behandeln, wie sie auf diese reagieren und welche Bedeutung sie ihnen zuweisen [5]. Die Semioakustik baut auf psychoakustischen Grundlagen auf, bezieht aber darüber hinaus die Bedeutungsbildung von akustisch-auditiven Ereignissen in ihre Forschungsansätze mit ein. Die alltäglichen Wahrnehmungsmerkmale sind die Grundsteine der Bedeutungsbildung.

Eine direkte Kopplung zwischen Schall und Vibration in der physikalischen Ebene spiegelt sich auch in der Wahrnehmungsebene. Der Mensch ist im Alltag vielfältigen Ganzkörperschwingungen ausgesetzt, die vorwiegend in Fahrzeugen, Flugzeugen, Schiffen und musikalischen Vorstellungen (Konzertsaal) auftreten. Die spektralen und zeitlichen Strukturen von Schwingungssignalen spielen, ähnlich wie bei der Beurteilung von Hörereignissen, eine wichtige Rolle für die Beurteilung von Ganzkörperschwingungen. Obwohl schon einige grundlegende psychophysikalische Eigenschaften der Ganzkörperschwingungswahrnehmung untersucht worden sind, sind die Wahrnehmungsmerkmale für Ganzkörperschwingungen bisher wenig bekannt [6]. In dieser Arbeit wurden zwei Versuchsreihen durchgeführt, um die grundlegenden Merkmale für Ganzkörperschwingungen für ausgewählte Signale zu bestimmen.

Experimente

32 nicht Schwingungswahrnehmungsvorgebildete Versuchspersonen (24 Männer und acht Frauen) mit Normalhörfähigkeit nahmen an diesem Experiment teil. Sie waren zwischen 18 und 52 Jahren alt (Mittelwert: 28 Jahre). Ihr Gewicht betrug 51 bis 97 kg (Mittelwert: 76 kg) Alle gaben an, nicht an Wirbelsäulenbeschwerden zu leiden. 14 Versuchspersonen (VP) fahren täglich Auto, 18 VP fahren fast täglich Straßenbahn und gelegentlich Auto.

Die Ganzkörperschwingungssignale wurden durch einen elektrodynamischen Schwingungserreger in der vertikalen Richtung erzeugt (z-Achse). Ein starrer hölzerner Sitz ohne Rückenlehne wurde auf dem Schwingungserreger montiert. Die Übertragungsfunktion des Vibrationssitzes hängt dabei stark von der Versuchsperson ab [7]. Sie wird körperbezogene Übertragungsfunktion oder body-related transfer function (BRTF) genannt [8]. Die BRTFs der VPs in vertikaler Richtung wurden ermittelt und mithilfe inverser Filter in MATLAB kompensiert (Bild 1a und b).

Bild 1 Experimenteller Aufbau, oben rechts: Frequenzgang des Systems.

Bild 1 Experimenteller Aufbau, oben rechts: Frequenzgang des Systems.

Als Stimuli wurden vier alltagsrepräsentative Ganzkörperschwingungssignaltypen ausgewählt. Typ 1 sind Sinussignale mit unterschiedlichen Frequenzen, Typ 2 sind modulierte Sinusschwingungen mit unterschiedlichen Träger- und Modulationsfrequenzen, Typ 3 ist ein Rauschsignal und Typ 4 sind impulsartige Signale. Die Intensität der Vibrationen an der Plattform wurde auf die Wahrnehmungsschwelle angepasst und lag 10 dB höher als der Schwellwert. Die Dauer der Signale betrug jeweils 20 s. Jede experimentelle Sitzung dauerte ungefähr 40 min einschließlich der Trainingssitzung. Die Präsentationsreihenfolge der Stimulus wurde randomisiert.

In der ersten Versuchsreihe wurden die Stimuli einzeln dargeboten und die Versuchspersonen schilderten in einem freien Interview sämtliche taktil wahrgenommenen Eindrücke unter dem Einfluss von Ganzkörperschwingungen. Dabei konnten über 38 verschiedene Begriffe zur Beschreibung gefunden werden (siehe Tabelle 1).

 Tabelle 1 38 Begriffe von ersten Versuchsreihe.

 Tabelle 1 38 Begriffe von ersten Versuchsreihe.

 

Anschließend wurden die von allen Versuchspersonen benutzten Begriffe in einer zweiten Versuchsreihe global auf ihre Eignung bewertet. Bei der Bewertung der Begriffe wurde eine Skala von 1 für „überhaupt nicht geeignet“ bis 5 für „sehr gut geeignet“ verwendet. Für die verwendeten Signaltypen entstand ein präzisiertes Beschreibungssystem (siehe Tabelle 2 und Bild 2).

Tabelle 2 Präzisiertes Beschreibungssystem.

Tabelle 2 Präzisiertes Beschreibungssystem.

 

Bild 2 Zusammenfassende Darstellung der Wahrnehmungsmerkmale.

Bild 2 Zusammenfassende Darstellung der Wahrnehmungsmerkmale.

Einige Signale wurden nicht nur mit einem, sondern durch mehrere Begriffe beschrieben. Deshalb wurden in der Tabelle die prozentuellen Angaben bezüglich der Auswahl und Eignungsnote angegeben. Bild 2 zeigt zusammenfassend die Frequenzen und dazu entsprechende (meist genannt und geeignet bewertete) Begriffe. Zusätzlich wurden die Begriffe für die amplitudenmodulierten Signale abhängig von Modulationsfrequenz und für rausch- und impulsartige Signale dargestellt. Insgesamt wurden sieben Begriffe sehr oft genannt und für die Beschreibung geeignet gefunden: holprig, zittrig, tickend, summend, ratternd, schlagend und wellig.

Ergebnisse und Diskussion

Die Ergebnisse zeigen, dass abhängig vom Frequenzbereich der Sinussignale, verschiedene Wahrnehmungsmerkmale beschrieben werden. Tiefe Frequenzen (8 bis 30 Hz) wurden mit dem Adjektiv holprig charakterisiert, mittlere Frequenzen (bis zu 75 Hz) mit dem Adjektiv zittrig und hohe Frequenzen (75 bis 300 Hz) mit summend. Niedrige Modulationsfrequenzen werden als ratternd und höhere Modulationsfrequenzen als wellig gekennzeichnet. Das Adjektiv schlagend scheint für die Beschreibung von impulsartigen Signalen geeignet zu sein.

Die Merkmalauswahl zeigt, dass einige Begriffe wie holprig starke Beziehung mit unseren Straßenverkehrserfahrungen haben. Häufig werden auch die Begriffe ratternd, tickend und summend zur Beschreibung der Schwingungsereignisse ver­wendet.

Die Merkmale „stark und schwach“ gehören genauso zu unseren alltäglichen Beschreibungen von Ganzkörperschwingungen, wie laut und leise für Hörereignisse. Diese Merkmale wurden in dieser Untersuchung nicht genannt. Eine Ursache könnte in ungeeigneten Stimuli-Pegel-Kombinationen der dargebotenen Signale liegen.

Auch die Begriffe angenehm bzw. unangenehm wurden von den Versuchspersonen nicht genannt. Der Grund dafür kann in der Stimuli- und Pegelauswahl liegen.

In einer weiteren Versuchsreihe [9] wurden die Beschreibungen von Versuchspersonen für Pkw-Ganzkörperschwingungen im Leerlauf untersucht. 14 Fahrzeuge unterschiedlicher Marken mit unterschiedlicher Motorisierung wurden für diese Unter­suchung ausgewählt. Als Untersuchungsmethodik wurde „Repertory grid technique“ angewendet. In dieser Unter­suchung sind neben den Begriffen holprig, ratternd, hämmernd, schlagend, rasselnd, wellig, wummernd und zittrig, weitere emotionale oder kontextabhängige Begriffe wie aggressiv, lästig, langsam, stark, unbequem für die Beschreibung der Leerlaufschwingungen geeignet. Ein Vergleich der Ergebnisse von beiden Studien zeigt, dass die emotionalen und kontextabhängigen Beschreibungen nur für alltägliche Ganzkörperschwingungssituationen verwendet werden. Werden die Untersuchungen nur mit grundlegenden künstlichen Signalen (wie Sinustöne, Rauschen usw.) durchgeführt, werden emotionale Begriffe nicht oder weniger benutzt. In dieser Studie wurde nur eine Pegelstufe (10 dB höher als der Schwellwert) untersucht. Allerdings wird vermutet, dass der Pegel eine Rolle bei der Nutzung der Begriffe spielt [10].

Fazit

In der Psychoakustik wurden akustische Wahrnehmungsgrößen eingehend untersucht und modelliert. Vergleichbare eingeführte und gleich verwendete Begriffe gibt es für Vibrationen bisher nicht. Das übergreifende Ziel dieser Studie ist es, aufbauend auf den Erkenntnissen der Psychoakustik den Grundstein für die Beschreibung von Ganzkörperschwingungswahrnehmungen zu legen. In dieser Studie wurden die Wahrnehmungsmerkmale von sinusoidalen und rauschartigen Ganzkörperschwingungen untersucht und frequenzabhängige psycho­vibratorische Größen wie „ratternd“, „holprig“, „zittrig“, „summend“, „tickend“ und „wellig“ ermittelt. Die Modellierung solcher Wahrnehmungsgrößen kann bei der Entwicklung von Komfort- und Lästigkeitskriterien behilflich sein. Lärm und Vibrationen wirken als Belästigung in vielen Situationen gleichzeitig auf den Menschen. Deswegen ist die Interaktion psycho­vibratorischer und psychoakustischer Wahrnehmungsgrößen zu berücksichtigen [11].

 

 

 

Literatur

[1] Blauert, J: Spatial hearing. Cambridge: MIT Press 1996.

[2] Stevens, S. S.: A scale for the measurement of the psychological magnitude: loudness. Psychol. Rev. 43 (1936) Nr. 5, S. 405-416.

[3] Zwicker, E.; Fastl, H.: Psychoacoustics: Facts and models. Berlin: Springer Verlag 1999.

[4] Helmholtz, H.: Die Lehre von den Tonempfindungen als physiologische Grundlage für die Theorie der Musik. XI. Aufl. Braunschweig: Verlag Vieweg 1913.

[5] Jekosch, U.: Assigning meaning to sounds – semiotics in the context of product-sound design. In: Blauert, J. (Hrsg.): Communication acoustics. Berlin: Springer Verlag 2005.

[6] Altinsoy, M. E.: Wahrnehmungsmerkmale von Ganzkörperschwingungen. Tagungsband DAGA 2010, Berlin, S. 613-614.

[7] Merchel, S.; Caspari, A.; Altinsoy, M. E.: Der Einfluss von Vibrationen auf den bevorzugten Basspegel bei der Musikdar­bietung. Tagungsband DAGA 2014, Oldenburg.

[8] Altinsoy, M. E.; Merchel, S.: BRTF (Body Related Transfer Function) and whole-body vibration reproduction systems. AES 130th Convention. London, UK 2011.

[9] Altinsoy, M. E.: Identification of quality attributes of automotive idle sounds and whole-body vibrations. Int. J. Vehicle Noise Vibrat. 9 (20213) Nr. 1/2, S. 4-27.

[10] Rosenkranz, R.; Altinsoy, M. E.; Merchel, S.: Unter­suchung der Pegelabhängigkeit von Wahrnehmungsmerkmalen von Ganzkörperschwingungen. Tagungsband DAGA 2015, Nürnberg.

[11] Nicht, A.; Altinsoy, M. E.: Multimodale Lästigkeit von Lärm und Vibrationen in Nutzfahrzeugen. Lärmbekämpf. 10 (2015) Nr. 5, S. 212-221.

 

 

Von Dr. M. Ercan Altinsoy

Dr. M. Ercan Altinsoy, Lehrstuhl für Kommunikationsakustik, Technische Universität Dresden.

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