Akustikmanagement Wie sich störende Fahrgeräusche in den Griff bekommen lassen

Autor / Redakteur: Len Layton * / Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Störende Geräusche beim Autofahren beeinträchtigen Unterhaltungen und können gefährlich sein, wenn der Fahrer deshalb den Blick von der Straße nimmt. Modernes Akustikmanagement schafft hier Abhilfe.

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„Twist and Shout“: Umdrehen zum Kind auf der Rückbank (twist) und dabei gegen den Fahrtlärm anreden (shout) – lässt sich mit modernem Akustikmanagement vermeiden.
„Twist and Shout“: Umdrehen zum Kind auf der Rückbank (twist) und dabei gegen den Fahrtlärm anreden (shout) – lässt sich mit modernem Akustikmanagement vermeiden.
(Bild: © Matinan / Fotolia)

Als die Beatles ihr legendäres „Twist and Shout“ sangen, dachten sie sicherlich nicht an das, was die Dame auf dem Bild oben tut, nämlich sich zu ihrem Kind auf der Rückbank umzudrehen (twist) und mit erhobener Stimme bei 120 km/h gegen den Fahrtlärm anzureden (shout). Diese Variante von „Twist and Shout“ kennt wohl fast jeder Autofahrer. Doch könnte man da nicht mit einem Mikrofon, Lautsprechern und ein wenig Software zur akustischen Signalverarbeitung etwas machen?

Moderne Autos haben Freisprecheinrichtungen, mit denen der Fahrer sicher telefonieren kann, also ohne die Hand vom Steuer zu nehmen. Freisprecheinrichtungen nehmen mit einem Mikrofon in der Dachkonsole die Stimme des Fahrers auf und geben die Stimme des anrufenden Gesprächspartners über die Entertainment-Lautsprecher wieder. Viele Autos sind somit bereits mit der grundlegend nötigen Hardware ausgestattet, um sozusagen ein Telefonat mit den Mitfahrern auf der Rückbank zu führen. Könnte man nicht das Mikrofon der Freisprechanlage benutzen um die Stimme des Fahrers aufzunehmen, zu verstärken und dann über die Lautsprecher im Fond wiederzugeben? Genau das ist das Prinzip der In-Car Communication (ICC).

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Ganz so einfach ist die In-Car Communication doch nicht

Auf den ersten Blick klingt das alles ziemlich einfach, aber wie wir noch sehen werden, gilt es einige echte Herausforderungen zu lösen, bevor ICC in der Praxis funktioniert. Unser Ziel lautet, in Zukunft kein „Hä?“ und auch kein höfliches „Entschuldigen Sie bitte, wären Sie so freundlich, das noch einmal zu wiederholen?“ mehr zu hören.

Gehen wir also die Schritte durch, die notwendig sind, um ein praxistaugliches In-Car-Kommunikationssystem zu entwickeln. Außerdem schauen wir uns das Hardware-Setup an und die Pfade, auf denen sich Audiosignale im Auto ausbreiten. Zunächst betrachten wir Kommunikation „von vorn nach hinten“, also das Verstärken der Stimme des Fahrers für die Mitfahrer auf der Rückbank.

Wenn das Fahrzeug steht oder langsam fährt, gibt es nicht viel störende Geräusche, und die Stimme des Fahrers ist auf der Rückbank auch ohne Verstärkung gut zu hören. Solange es ruhig im Auto ist, ist dieser direkte Pfad durch die Luft perfekt. Für ihn wird keinerlei Technologie benötigt. Wenn das Auto jedoch schneller wird oder über einen lauten Straßenbelag fährt, nehmen die Hintergrundgeräusche zu, und es wird für Mitfahrer auf der Rückbank immer schwerer, den Fahrer zu verstehen. Auch der Fahrer kann den Mitfahrer auf der Rückbank nicht mehr so gut hören, aber der Mitfahrer auf der Rückbank hat es besonders schwer, weil der Fahrer von ihm weg gewandt ist – oder es sollte zumindest so sein.

Wird unter diesen Bedingungen das ICC-System aktiviert, ist die Stimme des Fahrers viel deutlicher zu hören. Der Ton breitet sich nun auf dem „verstärkten Pfad“ im Diagramm aus. Bei mittleren Geräuschpegeln hört der Mitfahrer auf der Rückbank dabei sowohl den Ton auf dem direkten Pfad als auch den Ton auf dem verstärkten Pfad gleichzeitig. Ist dabei der Zeitversatz zwischen den beiden Pfaden zu groß, hört der Zuhörer das verstärkte Signal so, als würde eine weitere Person reden.

Das klingt überhaupt nicht natürlich. Studien legen nahe, dass das Limit für den akzeptablen Zeitversatz zwischen direktem und indirektem Pfad bei 30 Millisekunden liegt. Ein Teil des verstärken Signals kommt zudem in Form von Echo zum Sprecher zurück. Mit anderen Worten – der Sprecher hört sich selbst sprechen. Dieser „Echopfad“ ist ärgerlich und kann den Sprecher verwirren, besonders wenn der Zeitversatz des Echos zu groß ist.

Rückkopplungen müssen vermieden werden

Selbst damit ist der Ton aus den Lautsprechern noch nicht am Ende seines Wegs – denn er wird erneut vom Mikrofon erfasst. Die Stimme des Sprechers durchläuft also eine Schleife – wir nennen dies den „Rückkopplungspfad“.

Auf diesen Pfad müssen wir ganz besonders achten, denn es besteht die Gefahr, dass das System instabil wird und wir ein heulendes Pfeifen hören, wie es die meisten von uns sicher schon einmal bei einer Aufführung in der Schule gehört haben, wenn ein Mikrofon einem Lautsprecher zu nahe kommt. Außerdem gibt es noch weitere Schallquellen, wenn zum Beispiel das Radio eingeschaltet wird oder andere Medien über die Lautsprecher abgespielt werden. Auch diese Audiosignale werden vom Mikrofon erfasst, und wenn wir nicht aufpassen, können sie uns die ganze Sache verderben.

Es dürfte klar geworden sein, dass das alles doch etwas komplizierter ist. Dabei sollten wir nicht aus dem Auge verlieren, welches Problem wir eigentlich lösen wollen – nämlich den störenden Geräuschpegel! Die Fahrgäste sind von einem Geräuschpegel umgeben, und je schneller das Auto fahrt, desto höher ist dieser.

Der Geräuschpegel steht definitiv mit der Geschwindigkeit des Fahrzeugs in Beziehung. Er hängt aber auch stark vom Straßenbelag und anderen Gegebenheiten wie Tunneln oder Brücken ab. Der entscheidende Punkt ist allerdings, dass auch die Störgeräusche vom Mikrofon erfasst werden. Wenn diese dort nicht unterdrückt werden, dann verschlimmern statt verbessern wir die Situation, da wir dann die Störgeräusche zusammen mit der Stimme des Sprechers verstärken.

Was bei der Entwicklung eines ICC-Systems zu beachten ist

Hier eine Checkliste mit den wichtigsten Aspekten für die Entwicklung eines hochwertigen ICC-Systems, das die genannten Umstände berücksichtigt:

  • Die Sprache muss klar und natürlich klingen: Der Zuhörer sollte die Stimme des Sprechers unabhängig vom Geräuschpegel im Auto in ungefähr gleichbleibender Lautstärke hören. Sie darf durch die Verstärkung nicht verzerrt oder verfälscht werden. Die Forderung nach „natürlichem Klang“ hängt mit mehreren weiteren Faktoren zusammen:
  • Das ICC-System muss vollautomatisch sein: Eine der Aufgaben des Systems ist es nämlich, den Fahrer weniger abzulenken – das ICC-System sollte sich also ohne Tasten oder Regler bedienen lassen. Die Verstärkung sollte sich automatisch an den Geräuschpegel im Auto anpassen, ohne manuelles Nachregeln. Solange es im Auto leise ist, sollte wenig oder gar keine Verstärkung zum Einsatz kommen. Wenn der Geräuschpegel zunimmt, sollte das System automatisch die Verstärkung erhöhen – und wieder absenken, wenn der Geräuschpegel abnimmt. Idealerweise sollte ICC eine Funktion der Art „einmal einstellen und dann vergessen“ sein, die immer aktiv ist. Das hat auch Auswirkungen darauf, wie das ICC-System mit Medienquellen wie etwa dem Radio umgeht. Dazu gleich noch mehr.
  • Kein Pfeifen: Wenn Mikrofone mit Lautsprechern im selben akustischen Raum verbunden sind, besteht immer das Risiko, dass es zu Rückkopplungspfeifen kommt. Ein solches Pfeifen ist schmerzhaft, lenkt ab und stellt ein Ärgernis da. Ein gutes ICC-System darf niemals pfeifen!
  • Kein Echo: Der Sprecher darf seine eigene Stimme nicht als Echo hören. Das lenkt ebenfalls ab. Diese Anforderung hängt eng mit dem nächsten Punkt über den Zeitversatz zusammen.
  • Geringer Zeitversatz: Wie bereits besprochen muss die verstärkte Sprache mit höchstens 30 Millisekunden Zeitversatz gegenüber dem direkten Pfad am Ohr des Zuhörers eintreffen. Die Schallgeschwindigkeit beträgt ungefähr 340 m pro Sekunde, so dass jemand in 2 m Entfernung bereits eine Verzögerung von 6 Millisekunden erfährt.
  • Sprache verstärken, Störgeräusche filtern: Ein ICC-System wird definitionsgemäß gerade dann benötigt, wenn es laut im Auto ist. Zwangsläufig nimmt in dieser Situation das Mikrofon auch einen hohen Störgeräuschpegel auf. Doch wir möchten ja die Situation nicht noch verschlimmern und ungewollt die Störgeräusche gemeinsam mit der Sprache verstärken. Das bedeutet, dass die ICC-Verarbeitung so viel Störgeräusche wie möglich ausfiltern muss und nur die Stimme des Fahrers übrig lassen sollte.
  • Gutes Zusammenspiel mit Musik und Medien: Ein gut durchdachtes ICC-System darf die Musik- oder Medienwiedergabe nicht beeinträchtigen. Auch darf es vom Benutzer keine besonderen Eingriffe erfordern, wenn dieser das Radio einschalten oder Musik abspielen will. Ein wichtiger Aspekt bei der Entwicklung von ICC-Software ist daher, sicherzustellen, dass sie gut mit der Wiedergabe von Content (Radio, Medien, Telefongespräche, Navigationsanweisungen oder Warnhinweise) über die Lautsprecher zusammenspielt. Der Benutzer sollte sich nicht darum kümmern müssen, das ICC-System ein- und auszuschalten, alles sollte automatisch funktionieren. Auch muss vermieden werden, dass das ICC-System instabil wird oder sich auf unvorhersagbare Weise verhält, wenn Medien abgespielt werden.
  • Effizienz: Die ICC-Sofware sollte vorhandene Automotive-SoC-Hardware nutzen und keine zusätzlichen Spezialprozessoren oder extra Hardware erfordern. Die Software sollte sich leicht in Standard-Audioarchitekturen integrieren lassen – ohne besonderes Signalrouting oder andere teure Komponenten.
  • Tuning-freundlich: Die Automobilhersteller haben eine breite Vielfalt an Marken und Modelle im Angebot. Innerhalb ihrer Modellreihen bieten sie ihren Kunden unterschiedliche Audiosysteme und Ausstattungsoptionen an. Zum Einbau eines ICC-Systems gehört auch ein Prozess, der „Tuning“ genannt wird. Tuning bedeutet, bestimmte Parameter in der Software verändern zu können, um das System optimal auf das Mikrofon, die Lautsprecher, die Größe und die Ausstattung eines konkreten Fahrzeugmodells anzupassen. Wegen der großen Anzahl möglicher Varianten ist es wichtig, dass dieser Tuningprozess schnell durchzuführen ist und schnell hochwertige Ergebnisse liefert.

ICC sorgt für weniger „Twist and Shout“

Die Automobilhersteller haben hohe Summen in die Audio- und Akustiksysteme ihrer Fahrzeugplattformen investiert, um der Nachfrage nach Komfort, Qualität und Sicherheit nachzukommen. Neue Signalverarbeitungstechnologien wie ICC von der Blackberry-Tochter QNX Software Systems bauen auf diesen Investitionen auf und verbessern das Akustikerlebnis in modernen Autos – für mehr „Baby, You Can Drive my Car“ und weniger „Twist and Shout“.

* Len Layton ist Global Business Development Manager Acoustics bei BlackBerrys QNX Software Systems.

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