Neues Modell zur Beurteilung der Geräuschbelästigung in Elektrofahrzeugen
Die Elektromobilität verändert nicht nur die Art und Weise, wie wir uns fortbewegen, sondern auch, wie wir das Fahren erleben. Ohne das dominante Geräusch eines Verbrennungsmotors wird die akustische Umgebung im Fahrzeuginnenraum zu einem entscheidenden Faktor für Komfort und Wohlbefinden. Was im ersten Moment als Vorteil erscheint – die Ruhe – bringt neue Herausforderungen mit sich. Geräusche, die im Lärm eines Benzin- oder Dieselmotors untergingen, wie Reifengeräusche, Windrauschen oder das hochfrequente Summen des Elektromotors, treten nun deutlich hervor. Diese subtilen, aber oft störenden Klänge können die subjektive Wahrnehmung des Fahrzeuges erheblich beeinträchtigen. Die Frage, wie man diese Geräusche nicht nur messen, sondern auch in ihrer Wirkung auf den Menschen quantifizieren kann, steht im Zentrum einer bahnbrechenden Studie, die kürzlich im renommierten Fachjournal Noise and Vibration Control veröffentlicht wurde.
Ein Forscherteam unter der Leitung von Wang Weidong vom Pan Asia Technical Automotive Center Co., Ltd., in Zusammenarbeit mit Miao Zhenjing und Huang Yu vom State Key Laboratory of Mechanical System and Vibration an der Shanghai Jiao Tong University, hat ein neuartiges Modell zur Bewertung der psychoakustischen Belästigung (Annoyance) in Elektrofahrzeugen entwickelt. Ihre Arbeit geht über die übliche Messung des Schalldruckpegels hinaus und beschäftigt sich mit der komplexen Wechselwirkung zwischen physikalischen Schallparametern und der menschlichen Wahrnehmung. Das Ziel: ein präzises, vorhersagbares Werkzeug für Automobilhersteller, um die akustische Qualität ihrer Elektrofahrzeuge systematisch zu verbessern und ein höheres Maß an Fahrkomfort zu erreichen.
Im Gegensatz zu vielen vorherigen Studien, die sich auf Laborumgebungen oder künstlich erzeugte Geräusche beschränkten, setzt diese Forschung auf Authentizität. Die Wissenschaftler führten umfangreiche Straßenversuche mit einem serienreifen Elektrofahrzeug durch. Sie erfassten die Geräuschkulisse im Innenraum unter realen Bedingungen auf vier unterschiedlichen Fahrbahnbelägen: glattem Asphalt, Beton, Schotter und einer unebenen, holprigen Strecke. Die Geschwindigkeiten reichten von 10 km/h bis 110 km/h, was eine breite Palette typischer Fahrbedingungen abdeckt. Diese methodische Entscheidung ist entscheidend, denn nur so können die komplexen, dynamischen Wechselwirkungen zwischen Fahrzeug, Straße und Umwelt erfasst werden, die das tatsächliche Klangbild bestimmen.
An sechs verschiedenen Positionen im Fahrzeuginnenraum – darunter Fahrer- und Beifahrerohr – wurden hochpräzise Mikrofone platziert, um die Schallfeldverteilung zu dokumentieren. Die Daten wurden mit einer hohen Abtastrate von 102.400 Hz aufgezeichnet, um auch die feinsten akustischen Details zu erfassen. Für die anschließende subjektive Bewertung wählten die Forscher, in Anlehnung an etablierte Praxis, das linke Ohr des Beifahrers als Referenzpunkt. Aus den 10-Sekunden-Messungen wurden 16 repräsentative 5-Sekunden-Audioclips extrahiert, die jeweils eine einzigartige Kombination aus Geschwindigkeit und Straßenbelag repräsentierten.
Ein entscheidender Aspekt der Studie war die sorgfältige Kalibrierung dieser Audiodaten für die spätere Wiedergabe. Die Forscher erkannten, dass jede Umwandlung von Messdaten in ein hörbares Audioformat potenzielle Energieverluste und Verzerrungen mit sich bringen kann, die die subjektive Wahrnehmung verfälschen würden. Um dies zu vermeiden, nutzten sie ein künstliches Kopf-Messsystem (HMS IV von Head Acoustics), das die Schallübertragung vom Ohr bis zum Trommelfell so realistisch wie möglich nachbildet. Die Audiodateien wurden über einen hochwertigen Digital-Analog-Wandler (RME ADI-2DAC) und professionelle Referenz-Kopfhörer (Sennheiser HD600) an das künstliche Ohr gespielt. Die resultierenden Schalldruckpegel wurden mit der professionellen Software ArtemiS SUITE erneut gemessen und mit den ursprünglichen Messwerten verglichen. Erst wenn eine exakte Übereinstimmung erreicht war, galten die Audiodateien als kalibriert. Dieser rigorose Prozess stellt sicher, dass die Teilnehmer der Hörtests das Geräusch tatsächlich so erleben, wie es im fahrenden Fahrzeug auftritt.
Für die subjektive Bewertung rekrutierte das Team 30 Probanden – eine ausgewogene Gruppe aus 15 Männern und 15 Frauen im Alter von 21 bis 29 Jahren. Diese Altersgruppe wurde bewusst gewählt, da sie die primäre Zielgruppe für moderne Elektrofahrzeuge darstellt. Alle Teilnehmer verfügten über normales Hörvermögen und waren frei von psychischen Erkrankungen, die ihre Wahrnehmung beeinflussen könnten. Die Bewertung erfolgte nach dem bewährten Rating-Skalen-Verfahren. Die Forscher nutzten eine modifizierte Version der ICBEN-Skala (International Commission on the Biological Effects of Noise), die von 0 (keine Belästigung) bis 10 (extreme Belästigung) reicht. Um die Aussagekraft zu erhöhen, wurden die Skalenbereiche erweitert und mit klaren semantischen Beschreibungen versehen, um den Teilnehmern eine präzisere Einschätzung zu ermöglichen.
Die Hörtests wurden in einer schallgedämpften Umgebung durchgeführt, um externe Störgeräusche auszuschließen. Die 16 kalibrierten Audiodateien wurden in zufälliger Reihenfolge abgespielt, um Verzerrungen durch die Abfolge der Geräusche (Sequenzbias) zu verhindern. Nach jedem 5-Sekunden-Clip gaben die Teilnehmer ihre individuelle Belästungsstufe an. Die Ergebnisse wurden statistisch ausgewertet, wobei der Median der Bewertungen als Maßstab für die subjektive Belästigung eines jeden Geräuschs herangezogen wurde.
Die Analyse der subjektiven Bewertungen zeigte ein klares und erwartetes Muster: Die empfundene Belästigung stieg signifikant mit zunehmender Geschwindigkeit und rauerem Straßenbelag. Ein Fahrzeug, das mit 50 km/h über glatten Asphalt rollt, erzeugt ein relativ unauffälliges Geräusch, das von den Teilnehmern als wenig störend eingestuft wurde. Dagegen führte die Fahrt mit 60 km/h über eine holprige Strecke zu deutlich höheren Belästungswerten. Diese Korrelation zwischen subjektiver Belästigung und dem A-bewerteten Schalldruckpegel (dB(A)) bestätigt, dass die Gesamtlautstärke nach wie vor der dominierende Faktor für die menschliche Wahrnehmung ist. Die A-Bewertung, die sich an der Empfindlichkeit des menschlichen Gehörs orientiert, spiegelt dies gut wider.
Die wahre Stärke der Studie liegt jedoch in der tiefgehenden Analyse der psychoakustischen Parameter, die versuchen, die subjektiven Empfindungen durch objektive Messgrößen zu beschreiben. Neben der Lautstärke (gemessen in Sone nach ISO 532-1) untersuchten die Forscher den Schärfe (Sharpness, in acum), die Rauheit (Roughness, in asper), die Schwankungsstärke (Fluctuation Strength, in vacil) und die Tonhaltigkeit (Tonality, tu). Die Lautstärke beschreibt die wahrgenommene Intensität des Schalls. Die Schärfe quantifiziert den Anteil hochfrequenter Schallanteile im Gesamtspektrum – ein hoher Wert bedeutet ein „schriller“ oder „metallischer“ Klang, wie er typisch für das Summen eines Elektromotors ist. Rauheit und Schwankungsstärke beschreiben zeitliche Schwankungen der Schallamplitude. Rauheit bezieht sich auf schnelle Modulationen (typischerweise über 20 Hz), die als „raues“ oder „kratzendes“ Gefühl wahrgenommen werden, während Schwankungsstärke langsamere Modulationen (4–20 Hz) erfasst, die als Pulsieren oder Dröhnen empfunden werden können.
Die Auswertung dieser Parameter ergab tiefgreifende Erkenntnisse. Wie erwartet stieg die Lautstärke mit der Geschwindigkeit und der Straßenrauheit an, da aerodynamische Geräusche und Reifen-Straße-Interaktionen mehr Energie in den Innenraum einbringen. Interessanterweise stieg auch die Schärfe mit der Geschwindigkeit an. Dies ist eine direkte Folge der Physik des Elektromotors: Mit steigender Drehzahl erhöhen sich die Grundfrequenz und ihre Oberschwingungen, wodurch mehr akustische Energie in den für das menschliche Ohr besonders empfindlichen hohen Frequenzbereichen erzeugt wird.
Der entscheidende Durchbruch der Studie bestand darin, die Beziehung zwischen diesen psychoakustischen Parametern und der subjektiven Belästigung zu quantifizieren. Eine einfache Korrelationsanalyse zeigte, wie stark die Lautstärke mit der Belästigung korrelierte (r=0.958). Doch um die Einflüsse der anderen Parameter zu isolieren, führten die Forscher eine partielle Korrelationsanalyse durch, bei der der Einfluss der Lautstärke statistisch „herausgerechnet“ wurde. Die Ergebnisse waren faszinierend: Nachdem die Lautstärke berücksichtigt war, trat die Schärfe als signifikanter sekundärer Faktor hervor. Dies bedeutet, dass selbst bei gleicher Gesamtlautstärke ein Geräusch mit einem höheren Anteil an Hochfrequenzen als störender empfunden wird. Für Fahrzeugentwickler ist dies eine klare Botschaft: Die akustische Abstimmung des Elektromotors und des Getriebes ist entscheidend, um die subjektive Wahrnehmung zu verbessern.
Die Rauheit zeigte eine komplexe Beziehung. Ohne die Lautstärke zu berücksichtigen, war sie positiv mit der Belästigung korreliert – rauere Geräusche wurden als störender empfunden. Nach der Kontrolle der Lautstärke kehrte sich diese Korrelation jedoch ins Gegenteil: Sie wurde negativ. Diese scheinbar paradoxe Erkenntnis deutet darauf hin, dass Rauheit oft mit hoher Lautstärke einhergeht. Wenn sie jedoch isoliert betrachtet wird, könnten moderate Rauheitsgrade nicht per se unangenehm sein oder sogar ein gewisses Gefühl von Dynamik und „Lebendigkeit“ vermitteln, das einige Fahrer positiv wahrnehmen.
Die Schwankungsstärke gewann ebenfalls an Bedeutung, nachdem die Lautstärke berücksichtigt wurde. Dieser Parameter ist oft mit dynamischen Prozessen im Antriebsstrang verbunden, wie z.B. Drehmomentwelligkeit im Elektromotor oder dem pulsierenden Charakter der Rekuperation. Ihre erhöhte Relevanz zeigt, dass rhythmische, niederfrequente Pulsationen im Fahrzeuginnenraum – auch wenn sie subtil sind – zu einer langfristigen Ermüdung und Unbehaglichkeit führen können, insbesondere auf längeren Fahrten.
Eine der überraschendsten Entdeckungen betraf die Tonhaltigkeit, also die Präsenz klar definierter, singender Töne (z.B. das typische „Whine“ eines Elektromotors). In vielen Laborstudien wurde die Tonhaltigkeit als ein extrem störender Faktor identifiziert. In dieser realitätsnahen Untersuchung zeigte sich jedoch, dass die Tonhaltigkeit keine statistisch signifikante Korrelation mit der subjektiven Belästigung aufwies. Die Forscher vermuten, dass in realen Fahrbedingungen das breitbandige Rauschen von Wind und Reifen die reinen Töne überlagert und so ihre Wahrnehmbarkeit und damit ihre störende Wirkung reduziert. Dies ist eine wichtige Erkenntnis, die die Prioritäten in der Schallentwicklung neu ordnet. Es bedeutet, dass die totale Eliminierung jedes einzelnen Tons nicht immer das beste Mittel ist, wenn die Gesamtlautstärke und die Schärfe nicht ebenfalls adressiert werden.
Aufbauend auf diesen Erkenntnissen testeten die Forscher drei etablierte psychoakustische Belästigungsmodelle, um zu ermitteln, welches am besten die subjektiven Bewertungen vorhersagen konnte. Das erste Modell, das von Fastl und Zwicker entwickelt wurde, kombiniert Lautstärke, Schärfe, Rauheit und Schwankungsstärke in einer nichtlinearen Formel. Die beiden anderen Modelle, von Di et al. und More, erweitern das Zwicker-Modell, indem sie die Tonhaltigkeit als zusätzlichen Faktor integrieren.
Die Ergebnisse waren eindeutig: Das ursprüngliche Zwicker-Modell (PAZwicker) schnitt bei weitem am besten ab. Es erreichte einen Bestimmtheitsmaß (R²) von 0,905, was bedeutet, dass es über 90% der Varianz in den subjektiven Belästigungsbewertungen erklären konnte – eine außergewöhnlich hohe Vorhersagegenauigkeit. Es zeigte auch den niedrigsten mittleren quadratischen Fehler (MSE). Im Vergleich dazu schnitten die Modelle, die die Tonhaltigkeit berücksichtigten, deutlich schlechter ab (R² von 0,834 und 0,568).
Der überlegene Erfolg des Zwicker-Modells, trotz seines Verzichts auf die Tonhaltigkeit, unterstreicht die These, dass in realen Fahrbedingungen die Maskierung durch breitbandiges Rauschen die Wirkung einzelner Töne minimiert. Es zeigt auch, dass die Gewichtungsfaktoren für die Tonhaltigkeit, die für andere Geräuschquellen wie Fluglärm oder Transformatoren entwickelt wurden, nicht direkt auf Elektrofahrzeuge übertragbar sind. Das Zwicker-Modell, das ursprünglich für allgemeine Transport- und Klimageräusche konzipiert wurde, erweist sich als robuster und universeller anwendbar.
Diese Erkenntnis hat weitreichende Konsequenzen für die Automobilindustrie. Sie zeigt, dass ein bewährtes, relativ einfaches Modell oft präzisere und zuverlässigere Vorhersagen liefert als komplexere, spezialisierte Modelle, die mit irrelevanten Parametern überladen sind. Das Zwicker-Modell kann als verlässlicher Benchmark für die akustische Qualitätsbewertung von Elektrofahrzeugen dienen und den Entwicklungsprozess erheblich beschleunigen.
Die methodische Strenge dieser Studie – die Kombination aus realitätsnahen Messungen, präziser Kalibrierung, kontrollierter subjektiver Bewertung und fortgeschrittener statistischer Analyse – setzt einen neuen Standard in der Fahrzeugakustik. Sie schließt die Kluft zwischen theoretischer Psychoakustik und praktischer Fahrzeugentwicklung und bietet Ingenieuren ein konkretes, anwendbares Werkzeug.
Für Automobilhersteller ist die Botschaft klar: In einem Markt, der zunehmend von Elektrofahrzeugen geprägt ist, wird der Wettbewerb nicht mehr allein über Reichweite und Beschleunigung ausgetragen, sondern auch über die subtilen Aspekte des Fahrerlebnisses. Ein Fahrzeug, das auch bei hohen Geschwindigkeiten oder auf schlechten Straßen ruhig und harmonisch wirkt, hebt sich von der Masse ab. Diese Forschung liefert die wissenschaftliche Grundlage, um genau diese akustische Komfortzone systematisch zu gestalten – von der Motorkonstruktion über die Getriebeabstimmung bis hin zur Reifenwahl und der aerodynamischen Formgebung.
Zusammenfassend stellt die Arbeit von Wang Weidong, Miao Zhenjing und Huang Yu einen bedeutenden Fortschritt in der Psychoakustik des Automobils dar. Sie haben ein Modell vorgelegt, das nicht nur die menschliche Wahrnehmung von Geräuschen im Elektrofahrzeug präzise vorhersagt, sondern auch einen klaren Weg für die Verbesserung der akustischen Qualität aufzeigt. Ihre Ergebnisse tragen dazu bei, Elektrofahrzeuge nicht nur effizienter, sondern auch angenehmer und damit letztlich attraktiver für den Kunden zu machen.
Wang Weidong, Miao Zhenjing, Huang Yu, Noise and Vibration Control, DOI: 10.3969/j.issn.1006-1355.2024.03.026