Tonalness and consonance of technical sounds

Fingerhuth, Sebastián; Vorländer, Michael

doi:hsb910020445

Tonalness and consonance of technical sounds = Tonhaltigkeit und Konsonanz von technischen Geräuschen

Fingerhuth, Sebastián (Author)

2010

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Sebastian Fingerhuth

ImpressumAachen : Logos Verl. 2010

UmfangX, 138 S. : Ill., graph. Darst.

ISBN978-3-8325-2458-6

ReiheAachener Beiträge zur technischen Akustik ; 10

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2009

Zsfassung in engl. und dt. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Vorländer, Michael (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2009-12-02

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-32421
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/51771/files/3242.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Technische Akustik (613510)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Akustik (Genormte SW) ; Psychoakustik (Genormte SW) ; Geräusch (Genormte SW) ; Elektromotor (Genormte SW) ; Technische Akustik (Genormte SW) ; Konsonanz (Genormte SW) ; Lärm (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Tonhaltigkeit (frei) ; Elektrische Antriebe (frei) ; electrical motor (frei) ; noise (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
In dieser Arbeit wird das Thema der Geräuschentstehung und -wahrnehmung von technischen Geräuschen bearbeitet. Als Fallbeispiel dient die Geschaltete Reluktanzmaschine. Die Arbeit beginnt mit einer Einführung in die Geräuschproblematik. Es folgt ein Teil über Psychoakustik, in dem die wichtigen psychoakustischen Größen vorgestellt und definiert werden. Danach wird kurz das Problem unterschiedlicher Wahrnehmung und Beurteilung von Geräuschen besprochen, sowie das Konzept der Geräuschqualität und dessen Anwendungen (Sound Quality) präsentiert. Danach werden Messtheorien und -methoden vorgestellt, die hauptsächlich aus der (Wahrnehmungs-) Psychologie und Psychophysik stammen und u.a. für die Durchführung der Hörversuche benötigt werden. Am Schluss dieses Kapitels werden die Begriffe Tonhaltigkeit und Konsonanz vorgestellt, welche dann in Kapitel 6 detailliert diskutiert werden. Im zweiten Kapitel wird auf die Funktionsweise der Geschalteten Reluktanzmaschine (GRM) eingegangen und dessen Drehmomententstehung abgeleitet. Kapitel 3 stellt gängige Geräuschprobleme vor, die sowohl bei GRM wie auch bei anderen Antrieben vorkommen. Die akustischen Folgen der radialen Kräfte auf die Statorschwingung werden dargestellt, welche vor allem bei GRM ein Problem darstellen. Im vierten Kapitel wird das Vibrations- und Abstrahlverhalten der Maschine vorgestellt. Ein sehr einfaches analytisches Modell (Quadrupol) dient hier als erste näherungsweise Beschreibung des Systems. Die Ergebnisse aus numerischen Berechnungen (FEM - BEM) werden diskutiert und mit Messungen verglichen. Der für die Messungen entwickelte Wirbelstrom-Prüfstand, sowie der Mehrkanal-Messaufbau, werden beschrieben und das Abstrahlverhalten der Maschine dargestellt. Kapitel 5 zeigt die Ergebnisse aus einer psychoakustisch optimierten Steuerungsstrategie für GRM, wobei auch die Grenzen dieses Verfahrens erläutert werden. Die psychoakustischen Größen Tonhaltigkeit und Konsonanz, die vor allem für die Hörversuche, die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführt wurden, von großer Bedeutung sind werden in Kapitel 6 vorgestellt. Die Ergebnisse der durchgeführten Hörversuche werden abschließend in Kapitel 7 präsentiert. Durch Hörversuche können die wahrgenommenen akustischen Eigenschaften von Geräuschen erfasst werden. Jeder durchgeführte Hörversuch wird einzeln vorgestellt, zusammen mit den Ergebnissen der statistischen Auswertung und Analyse. Als Stimuli dienten Geräusche die direkt aus Tonaufnahmen von GRM stammen oder, angelehnt an Aufnahmen von elektrischen Maschinen, speziell erzeugt wurden.Die wesentlichen Ergebnisse dieser Arbeit sind:- Für die betrachtete 8/6 GRM ist die wichtigste Schwingungsform die zylindrische Mode-2 Schwingung. Die Eigenfrequenz dieser Mode befindet sich in einem Bereich, bei dem das Gehör am empfindlichsten ist. - Die Lästigkeit von technischen Geräuschen ist deutlich Abhängigkeit von der Tonhaltigkeit.- Der Vergleich von unterschiedlichen Tonhaltigkeitsalgorithmen zeigte, dass die von Aures vorgeschlagene Methode sehr gut mit den Ergebnissen aus den Hörversuchen übereinstimmt.- Die Konsonanz/Dissonanz von technischen Geräuschen hängt von mehreren Parametern ab. Dabei ist das Frequenzverhältnis zwischen den tonalen Komponenten sehr wichtig (und die daraus entstehende Rauigkeit) wie auch der Pegel anderer Geräusch- bzw. Rauschanteile.- Der erwartete Unterschied zwischen zwei unterschiedlichen Messmethoden, die bei den Hörversuchen eingesetzt wurden, kam nicht zum Vorschein: die Größenschätzung und die Kategorienunterteilung ergaben ein sehr ähnliches Ergebnis.

In this work, the production and perception of noise from technical equipment is presented. As a case study, the noise of switched reluctance machines (SRM) was used.The first chapter of this dissertation is the introduction and refers to the noise problem, specially of technical origin. Therefore several psychoacoustic magnitudes and parameters that are widely used for describing sounds are presented, followed by some ideas about noise perception. The concept and applications of sound quality of a product are shown as well as the importance of the information that a sound (or noise) can give to the user of that product (e.g. a machine). Then, some theories and measurement methods on human perception and psychophysics are introduced. Finally the concepts of tonalness and consonance of sound are briefly presented. In the second chapter, the principle of operation of SRM is presented and its torque production is derived. Chapter 3 presents some noise problems of electrical machines. The vibroacoustic consequences of the radial forces acting on the stator teeth is a typical SRM problem. In the fourth chapter the vibration characteristic of the machine is described. A simple analytic model (using two quadrupoles) serves as a first approximation. Afterwards the results of the numerical simulation (FEM-BEM) are presented and compared with the measured data. The constructed eddy-current test bench as well as the multi-channel measurement equipment is presented. The results from the motor housing vibration shows that the vibration behavior of the machine can be described by two mode 2 vibrations. The directivity of the radiated sound from the machine is also presented. In the fifth chapter, the results from a noise optimized control strategy for a SRM are shown, with an example of what is achievable and which are the limits of such strategy. The concepts of tonalness and consonance and some theories behind them are presented in chapter 6. Then, the results of the psychoacoustic listening tests are presented. The listening tests were performed to obtain quantitative information about the perceptual characteristics of the noise. Each listening test is presented individually, as well as the statistic evaluation and analysis of it. The stimuli used were recordings of machine noise or synthesized sounds, based on machine recordings. The main conclusions of this work are:- For the measured 8/6 SRM, the most important vibration problem is a cylindrical mode 2 vibration. The eigenfrequency of this mode is in the frequency range where the hearing system is most sensitive and the radial force excites mainly this mode.- One important component of the perceived annoyance of technical sounds is the tonalness.- The comparison of different tonalness calculation algorithms showed that Aures’ had a high agreement with the results from the listening tests.- The consonance/dissonance of technical sounds depends on several parameters. Roughness is probably the most important, which is highly dependent on the frequency ratio between tonal components.- Using two different evaluation methods for the listening tests (magnitude estimation and category partition) gave the same results for the consonance listening test.

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