Počas relaxovania môžu hluk a kmitanie narúšať pohodu a spánok človeka, a to už od prvých dní jeho života. Zvuk má mnoho objektívne merateľných vlastností, tie však nemusia dávať dobrý obraz o tom, čo človek ozaj zachytí sluchom. Vzduch je spojité prostredie, čiže jeho molekuly môžu teoreticky prenášať ľubovoľnú zmes frekvencií, každú s osobitou amplitúdou a fázou.

 

Ľudský organizmus vs. hluk

Faktom však je, že nie všetko je pre ľudské ucho dôležité, takže to nie je potrebné zaznamenávať. Je napríklad všeobecne známou skutočnosť, že človek zachytí zvuky od 20 Hz (nižšie kmitočty pri dostatočnej hlasitosti vníma skôr v podobe vibrácií) do 20 kHz (táto hranica klesá s dospievaním a starnutím asi na 16 kHz).

Ľudský organizmus vníma hluk a vibrácie nielen prostredníctvom sluchového orgánu, ale aj celým telom. Mieru zaťaženia organizmu možno určiť predovšetkým povahou hluku. Významnú úlohu pritom zohráva frekvencia, farba, hlasitosť, šírka zvukového spektra, drsnosť a ostrosť zvuku. Treba si uvedomiť, že hluk pôsobí negatívne nielen na sluch, ale aj na centrálnu nervovú sústavu, vegetatívnu sústavu a prostredníctvom nich ovplyvňuje krvný tlak, zrak, frekvenciu tepu, tráviacu sústavu a iné životne dôležité funkcie ľudského tela.

Relatívne novou oblasťou akustiky, ktorá sa zaoberá subjektívnym vnímaním zvuku, jeho pôsobením na človeka a analýzou jeho možných účinkov, je psychoakustika. V súčasnosti predstavuje silný nástroj optimalizácie akustických vlastností zvuku strojov a zariadení v priemysle či v domácnosti. Psychoakustika poskytuje široké možnosti predikcie zvuku a jeho prispôsobenia na špecifické požiadavky stroja, zariadenia alebo priestoru.

 

Psychoakustika ako vedná disciplína

Psychoakustika predstavuje skrátený pojem názvu psychologická akustika, ktorá ju definuje ako medziodborovú disciplínu psychológie a akustiky. V najširšom ponímaní je cieľom psychoakustiky skúmať všetky účinky zvukových dejov na psychiku človeka, teda na jeho správanie a prežívanie. Skúmanie psychoakustiky sa zameriava od merania prahu počutia osôb cez posudzovanie zvukovej kvality hudobných nástrojov, posudzovanie rušivých účinkov hluku v kabíne automobilu až po zisťovanie vzniku agresivity u osôb dlhodobo exponovaných pôsobeniu hluku. Z užšieho pohľadu sa psychoakustika zameriava na skúmanie kvantitatívnych vzťahov medzi akustickými podnetmi a sluchovými vnemami.

Predchodcom dnešnej psychoakustiky je psychofyzika, ktorá predstavuje historický základ experimentálnej psychológie, čiže tej časti psychológie, v ktorej základnou metódou skúmania je pokus alebo experiment. Kvantitatívne vzťahy medzi fyzikálnymi podnetmi a nimi vyvolanými zmyslovými dojmami riešila klasická psychofyzika. Moderná psychofyzika tvrdí, že žiadne čisté dojmy neexistujú, lebo budú vždy ovplyvnené prostredím, latentnými účinkami predchádzajúcich podnetov, práve prevládajúcim zameraním reagujúcej osoby a podobne. Preto sa moderná psychofyzika prikláňa k celostnému poňatiu vnímania, podľa ktorého vnem nie je len zloženinou elementárnych dojmov, ale individuálnym celistvým prežitkom.

Predmetom skúmania novej psychofyziky je meranie vnemov chápaných ako celostné prežitky, ako aj skúmanie kvantitatívnych vzťahov medzi psychologickými premennými a určitými inými premennými.

 

Prostriedky psychoakustiky

Na presné meranie v psychoakustike sa používajú dva základné druhy prostriedkov, a to technické a softvérové prostriedky. Technické prostriedky určené na psychoakustické meranie v súčasnej dobe zaznamenávajú výrazný vzostup, nakoľko sa táto oblasť bádania neustále rozširuje do priemyselných sfér, ako aj do súkromných oblastí. Základným technickým prostriedkom je psychoakustická hlava, ktorá v tomto smere vystupuje ako samostatná hardvérová jednotka – obr. 1. Hlava má také hardvérové a softvérové vybavenie, že je kópiou ľudskej hlavy vrátane pliec so všetkými jej sluchovými a akustickými vlastnosťami.

Pre sluchovo presné vyhodnotenie akustického scenára nie sú vhodné nahrávky s bežnými meracími mikrofónmi, lebo sa strácajú podstatné akustické informácie, ako sú priestorové pole zdrojov zvuku a selektivita vnímania zvuku. Trojrozmerná lokalizácia zdrojov zvuku a vplyv akustického signálu prostredníctvom ľudského sluchového aparátu predstavujú podstatné časti normálneho sluchového dojmu. Človek dokáže lokalizovať zdroj zvuku v dvoch dimenziách, teda v horizontálnej rovine (1) a v strednej časti (2) – obr. 1.

Vďaka skutočne originálnemu záznamu a prehrávaniu ľubovoľných zvukových udalostí a ich digitálnej archivácii, systém umožňuje porovnávacie a zvukovo-presné vyhodnotenie rôznych možných zvukových situácií. A pretože technológia umelej hlavy je kompatibilná s konvenčnou meracou technológiou, subjektívne a objektívne analýzy zvukového poľa možno kombinovať v jednom vyšetrovaní.

Systém merania HEAD IV je samostatný mobilný merací prístroj, pripravený tvoriť foneticky presné binaurálne nahrávky ihneď po zapnutí. Nahrávky môžu byť uložené priamo na karte CompactFlash, pričom umožňuje samostatnú prevádzku bez notebooku alebo PC. Cez integrovaný slúchadlový výstup možno nahrávky prehrávať okamžite s foneticky presným vyrovnaním.

Psychoakustickú hlavu možno aplikovať pri skúšaní a optimalizácii kvality zvuku technických produktov (motorové vozidlá a autodiely, domáce spotrebiče, kancelárske stroje a elektrické náradie), ďalej slúži na binaurálne merania pri vývoji produktov a riadení kvality, ako aj pre zvukový dizajn a optimalizáciu produktov.

Ďalším technickým prostriedkom používaným v psychoakustike je binaurálny equalizér označovaný ako BEQ. BEQ II.1 je najnovší typ dvojkanálového digitálneho ekvalizéra s predným výstupom od spoločnosti HEAD acoustic s 24 bitovou technológiou a USB rozhraním. Kombinuje vlastnosti ekvalizéra, dvojkanálového predného konca a A/D prevodníka do jedného mobilného a veľmi univerzálneho nástroja na meranie.

Prostredníctvom BEQ II možno ľahko vykonať binaurálne a zvukovo presné nahrávky. Vďaka vysoko výkonnej vstavanej batérii je možné aj externé DC napájanie a pre jeho nízku hmotnosť je BEQ II.1 ideálnym nástrojom pre mobilnú aj stacionárnu prevádzku.

Dvojkanálový ekvalizér možno použiť pri analýze zvuku a vibrácii, pri akustickej ochrane životného prostredia, riešení problém v akustike, pri inštalácii zvukovej techniky a pri kontrole kvality.

Digitálny programovateľný ekvalizér typu PEQ V poskytuje najvyššiu kvalitu reprodukcie zvukovo-presných nahrávok. Dva slúchadlové výstupy slúžiace na priame pripojenie dynamických slúchadiel (napr. HD IV.1, IV.2 HD) možno kalibrovať nezávisle od seba. Prenášané a diaľkovo ovládané dáta sa pohodlne spracovávajú prostredníctvom jediného kábla.

PEQ V je prostredníctvom USB priamo spojený s notebookom alebo PC. Digitálna zvuková karta neslúži nevyhnutne na nahrávanie. Tento digitálny ekvalizér je rovnako vhodný na stacionárnu a mobilnú prevádzku, keď sa môže napájať buď cez batériu automobilu alebo cez vlastný externý napájací adaptér.

 

K základným softvérovým prostriedkom v psychoakustike patrí:

ArtemiS – softvér analýzy zvuku a vibrácií,

noisebook – softvér multikanálovej analýzy,

soundPower – softvér pre stanovenie akustického výkonu,

HEAD Recorder – programovateľný softvér pre nahrávač,

ME’scopeVES – softvér pre prevádzkové vibrácie

 

Aplikácia psychoakustiky v automobilovom priemysle

Najčastejšie sa psychoakustika zameriava na riešenie problémov spojených s hlukom v týchto technických oblastiach:

-         automobilový priemysel,

-         letecký priemysel,

-         akustický dizajn domácich spotrebičov,

-         akustický dizajn informačných technológií.

Nakoľko je automobilový priemysel neustále sa  rozvíjajúcou oblasťou nielen na Slovensku ale aj vo svete, požiadavky na znižovanie hlučnosti vo vnútri automobilu sa neustále zvyšujú. Prostredníctvom psychoakustických prostriedkov možno merať a na základe výsledkov aj optimalizovať hlučnosť jednotlivých komponentov automobilu, ako napríklad:

-         hlučnosť hnacej jednotky,

-         hybridný elektrický pohon,

-         podpora panelmi,

-         sedadlo a vibrácie volantu,

-         hluk zo spaľovania,

-         otváranie a zatváranie/zabuchnutie dverí,

-         hluk posilňovača riadenia,

-         cestný hluk/hluk pri riadení auta,

-         hluk z bŕzd,

-         hluk vetra,

-         hluk zadnej nápravy,

-         ďalšie zdroje hluku.

Hnacia jednotka je jedným z kľúčových zdrojov zvuku vo vozidle. Tieto vzdušné a štruktúrou prenášané zvukové budenia hnacej jednotky a prenos správania úchytov a karosérie vozidla sú rozhodujúcou informáciou pre vývoj dobrého produktu z hľadiska jeho hlučnosti. Analýza binaurálneho cestného prevodu (BTPA) a syntéza vnútorného hluku (BTPS) sú nástroje, poskytujúce cenné informácie a účinne napomáhajúce znížiť náklady a čas potrebný na vývoj nových produktov s nižšou hlučnosťou. Ďalším užitočným nástrojom je analýza príspevku binaurálneho panela (BPCA) a analýza hlučnosti pri spaľovaní.

Skúmania na úrovni motora poskytujú podrobné informácie o jednotlivých zložkách motora a kombinácia merania skúšobného stavu motora so syntézou vnútorného hluku umožňujú hodnotiť vnútornú kvalitu zvuku vo veľmi skorom štádiu vývoja – obr. 3.

Nové koncepcie hybridných elektrických pohonov prinášajú nové výzvy, týkajúce sa hluku a vibrácií z hľadiska pohodlia pasažiera:

nové rušivé zdroje hluku s elektrickým pohonom (elektromotor, menič, chladiace systémy...),

rušenie náhlym štartom a vypnutím spaľovacieho motora,

neznámy alebo nežiaduci vnútorný hluk/vonkajší hluk (napr. biely šum),

vibrácie spôsobené zaťažujúcimi zmenami od elektromotora k spaľovacím motorom.

Na obr. 4 sú zobrazené jednotlivé diely elektromotora podliehajúce akustickej analýze.

Pri analýze hluku vo vnútri automobilu treba uvažovať aj o možnom podiele panelov karosérie automobilu ako o predmetných zdrojoch hluku. Do úvahy sa preto berie podlaha, kokpit, predná a zadná časť strechy, dvere na ľavej strane, dvere na pravej strane a zadné sedadlo. Z hľadiska psychoakustického vplyvu na človeka je potrebné zhodnotiť, ktoré čiastkové plochy sú najproduktívnejšie pre použitie akustických protiopatrení. Z tohto hľadiska sa vykonáva detailná analýza distribúcie zvukových príspevkov v rámci jednotlivých panelov. Hluk vo vnútri vozidla môže byť považovaný za súčet všetkých panelových príspevkov, ktoré obklopujú priehradku. Na experimentálne skúmanie zvukových príspevkov jednotlivých panelov sa často využíva tzv. „metóda okna“. Úspešne sa však využíva aj analýza podielu panela. Postup bol úspešne testovaný na niekoľkých vozidlách. V tomto prípade bol interiér vozidla rozdelený do siedmich panelov. Konkrétne išlo o podlahu, kokpit, prednú a zadnú časť strechy, dvere na ľavej a pravej strane a zadné sedadlo – obr. 5.

Každý panel môže byť detailne preskúmaný, lebo predstavuje pole, na ktorom je obsiahnutých 20 senzorov, čo spolu predstavuje 140 senzorov pri akustickom skúmaní hluku vo vnútri vozidla.

Obr. 6: V tomto prípade bol priestor kokpitu rozdelený do 20 oblastí umiestnenia senzorov. Takto možno sluchovo analyzovať každý subpanel.

Okrem vnútorného hluku, vibrácie na sedadlo a na volant majú veľký vplyv na dojem kvality vozidla. Metóda BTPA/BTPS odhalí pôvod nežiaducich vibrácií na sedadlách a na volante a pomáha rozlišovať problémy medzi zdrojmi alebo súvisiacimi cestami. Simulované vibrácie sa môžu použiť aj na posilnenie sluchových vnemov v akustickom aute a H3S systémov tak, že človek má pocit, akoby bol ponorený v interaktívnej jazdnej situácii. Na obr. 7 je graficky znázornená intenzita hluku na sedadlách a volante.

Hlučnosť spaľovania dieselového motora – obr. 8, prítomná v kabíne naftových motorov, je kvôli impulzívnej časovej štruktúre vnímaná ako nepríjemná. Výskyt týchto vzorov hluku je ovplyvnený na jednej strane vlastným spaľovacím procesom a excitovanými mechanickými komponentmi v motore a na druhej strane prenosnými charakteristikami štruktúry motora a rôznymi cestami hluku vozidiel. Ešte vyššia úroveň spaľovania sa očakáva s budúcimi emisnými predpismi. Je nevyhnutné, aby všetky tieto faktory boli posudzované spoločne.

Zvuky pri otváraní a zatváraní dverí sú dôležitými faktormi, ktoré ovplyvňujú kvalitu dojmu vyžarujúcu z vozidla, a preto sú často predmetom zvukového dizajnu. Za účelom zlepšenia zvuku pri otváraní a zatváraní dverí možno použiť ako výkonný technický nástroj založený na báze počúvania metódu analýzy binaurálneho cestného prevodu a simulácie vnútorného hluku (BTPA / BTPS). Postup umožňuje individuálnu počuteľnosť  hluku dverí cestou príspevkov pochádzajúcich z upínacích mechanizmov, vplyvov úderov, tesnenia interakcie a veľkosti dutiny a tak odhaľuje pôvod nežiaducich zvukov. Okrem toho sa dá predvídať akustický vplyv čiastkových úprav a zmeny môžu byť použité na zlepšenie celkovej kvality zvuku s ohľadom na daný cieľ. Na obr. 9 je vyobrazená akustická analýza hluku pri otváraní a zatváraní dverí vozidla.

Elektrické systémy posilňovačov riadenia, najmä schopných vysokých síl, najčastejšie sa vyskytujúcich u vozidiel luxusnej triedy, často vyžarujú významné vzdušné a štruktúra prenášanie hluku. V závislosti na prenosovom správaní karosérie vozidla tieto môžu viesť k rušivému vzoru hluku v hluku vnútorného prostredia. Metódy BTPA/BTPS môžu byť použité na syntézu vnútorných hlukových príspevkov každého jednotlivého prevodu cesty, a tým dávajú hlboký vhľad do pôvodu určitého vzoru hluku. Obr. 10 poukazuje na intenzitu hluku v dôsledku činnosti posilňovača riadenia.

Cestný hluk vyplýva z kontaktu rotujúcich kolies (pneumatiky) a cesty a všeobecne ho možno rozdeliť na vzdušný a štruktúrou prenášaný príspevok hluku. Vnútorný priestor vozidla cestného hluku je na jednej strane ovplyvnený excitáciou, ktorá je závislá napríklad od povrchu vozovky a pneumatík, ba dokonca sa môže líšiť v závislosti od tlaku v pneumatikách. Na druhej strane, prenos zvukového správania sa vozidla, vrátane pozastavenia a tela, má tiež významný vplyv na výsledný cestný hluku vo vnútri vozidla. Na obr. 11 je zobrazený cestný hluk z pneumatík.

Aby bolo možné pochopiť a nakoniec zabrániť javom brzdného hluku zobrazeného na obr. 12 ako kvílenie a stonanie bŕzd, musí byť preskúmaná závislosť medzi výskytom týchto modelov a rôznych vonkajších podmienok. Navyše, typicky namerané signály zhŕňajú teplotou brzdy, okolitú teplotu a vlhkosť, brzdný tlak, rýchlosť vozidla a spomalenie. Všetky tieto signály sú zaznamenané počas celej skúšobnej jazdy (napríklad počas niekoľkých hodín vo vozidle alebo až dní v skúšobni), aby sa zistilo, ktoré podmienky sú obzvlášť dôležité, pokiaľ ide o vznikajúce akustické problémy. Spúšťacie signály sú používané na nahrávanie brzdových zvukov pomocou akcelerometrov v blízkosti bŕzd a najmenej jedného mikrofónu vo vnútri kabíny. Už počas skúšobnej jazdy, nahrávky analyzované pomocou psychoakustickej detekcie a korelačných algoritmov poskytujú rýchlu spätnú väzbu pre vodiča. Len príslušné záznamy s ohľadom na otravné vzory brzdového hluku (kňučanie alebo stonanie) sa ukladajú a sú analyzované.

Výsledky aerodynamického hluku z prúdenia vzduchu okolo karosérie a pri zvyšovaní rýchlosti vozidla sú graficky znázornené na obr. 13. Intenzita hluku je ovplyvnená excitáciou prúdenia vzduchu, ako napríklad môže byť spôsobená geometriou A-stĺpika, zrkadlami alebo podvozkom. Okrem excitácie prúdenia vzduchu, hluk vetra vo vnútri vozidla je závislý na prenose zvuku správania karosérie a môže byť ovplyvnený napríklad dverami a okenným tesnením.

Podiel hluku zadnej nápravy je čoraz viac rozpoznateľný pre určité prevádzkové podmienky, najmä v luxusných vozidlách, ktoré už majú nízku celkovú hladinu hluku. Dobre známe „vytie“ z diferenciálu zadnej nápravy je typicky znepokojujúce a predstavuje nežiaduci hlukový vzor, vzťahujúci sa k zadnej náprave. Kvílivý hluk často pochádza zo záberu ozubeného kolesa frekvencie diferenciálu zadnej nápravy a jeho zosilnenia pomocou štrukturálnej rezonancie.

Za účelom zlepšenia či odstránenia tohto druhu rušivého vzoru hluku treba získať informácie o prenose správania všetkých prvkov, ktoré sa na ňom podieľajú. Na obr. 14 je vyobrazená intenzita hluku na zadnej náprave vozidla.

Záver

V dôsledku vysokej industrializácie a neustále sa rozvíjajúcej motorizácie sa stal hluk každodennou súčasťou nášho života. Z tohto hľadiska vystupuje psychoakustika so svojimi meracími metódami ako popredná veda zaoberajúca sa vplyvom hluku na zdravie a prostredie človeka, v ktorom sa vyskytuje. Na základe grafických obrázkov uvedených v texte článku možno konštatovať, že hluk v kabíne automobilu pochádza nielen z aerodynamických zdrojov jazdy v dôsledku konštrukcie automobilu, ale aj zo samotného chodu motora a z funkčných kompomentov, umožňujúcich pohyb motorového vozidla. Je potrebné si uvedomiť, že psychoakustika umožňuje predikciu vysokej intenzity hluku ešte v návrhovej a konštrukčnej fáze výroby automobilu, ako aj určenie poruchy chodu motora alebo ostatných konštrukčných prvkov vozidla. Takto vystupuje ako jedna z techník na ochranu človeka pred nežiaducim nadmerným hlukom, ktorý spôsobuje nevoľnosti, závraty, bolesti hlavy, až silné migrény.

 

Príspevok vznikol na základe riešenia projektu KEGA 049TUKE-4/2012.

 

Literatúra:

1. Lumnitzer, E., Badida, M., Polačeková, J.: Akustika: Základy psychoakustiky. Košice: TU-SjF, 2012. 121 s. ISBN 978-80-8086-172-8.

2. Melka, A.: Základy experimentální psychoakustiky. Praha: ERMAT Praha, 2005. 327 s. ISBN 80-7331-043-0.

3. Neuhoff, J. G.: Ecological Psychoacoustics. San Diego: Elsevier Academic Press, 2004. 350 s. ISBN-10: 0125158513.

4. Howard, D. M., Angus, J. A. S.: Acoustics and Psychoacoustics (4 Edition). Oxford: Focal Press, 2009; 496 s. ISBN-10: 0240521757.

5. Vorländer, M.: Auralization: Fundamentals of Acoustics, Modelling, Simulation, Algorithms and Acoustic Virtual Reality (RWTHedition). Aachen: Springer Verlang Berlin Heidelberg,  2008; 351 s., ISBN 978-3-540-48829-3.

6. Žiaran, S.: Ochrana človeka pred kmitaním a hlukom. Bratislava: STU, 2008. 264 s. ISBN 978-80-227-2799-0.

7. Polačeková, J., Farkašovská, Z., The, A. N.: Psychoakustik und Geräuschbeurteilung. In: Hodnotenie kvality prostredia 2010: 1. ročník odborného seminára a konferencie s medzinárodnou úcastou: Zborník príspevkov: Košice, 22. – 23. 9. 2010, Košice: TU, 2010. s. 124 – 129. ISBN 978-80-553-0489-2.

8. Moravec, M., et al.: Psychoakustika a jej možnosti v praxi. In: Hluk a kmitanie v praxi: zborník referátov z 15. medzinárodného akustického seminára: Kočovce, 31. máj a 1. jún 2010, Bratislava: STU, 2010. s. 81 – 84, ISBN 978-80-227-3305-2.

9. Badida, M., Lumnitzer, E., Biľová, M.: The Usage of Dynamic Visualisation by Industrial Noise Source Analysis. In: Acta Mechanica Slovaca. Roč. 13, č. 1 (2009), SjF TU Košice, 2009. s. 20 – 24, ISSN 1335-2393.

10. http://zvuk.atrip.sk/index.php?site=2_2

11. http://www.head-acoustics.de

 

TEXT/FOTO: Ing. Zdenka Džoganová, Dr. h. c., prof. Ing. Miroslav Badida, PhD.