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DE4228934A1 - Determining confidence interval of acoustic noise percentile measurements - measuring signal time and amplitude variations and deriving instantaneous value distribution, variance and confidence interval - Google Patents

Determining confidence interval of acoustic noise percentile measurements - measuring signal time and amplitude variations and deriving instantaneous value distribution, variance and confidence interval

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DE4228934A1
DE4228934A1 DE19924228934 DE4228934A DE4228934A1 DE 4228934 A1 DE4228934 A1 DE 4228934A1 DE 19924228934 DE19924228934 DE 19924228934 DE 4228934 A DE4228934 A DE 4228934A DE 4228934 A1 DE4228934 A1 DE 4228934A1
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    • G01D1/14Measuring arrangements giving results other than momentary value of variable, of general application giving a distribution function of a value, i.e. number of times the value comes within specified ranges of amplitude
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
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    • G01H3/10Amplitude; Power
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Abstract

The method of measuring the confidence interval of percentile measurement values of continuous stochastic sound signals involves measuring the signal time and amplitude variation and deriving the instantaneous value distribution and then the percentile as a level for which the signal duration is exceeded in a defined component. The individual related time intervals within the overall measurement time interval are evaluated to determine the variance and confidence interval upper and lower limits. Determination of the limit values involves iteration and interpolation. USE/ADVANTAGE - Environmental/industrial noise monitoring. Enables determination of uncertainties caused by random variations of sound signals.

Description

Die Erfindung beinhaltet ein Verfahren zur Schallmes­ sung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Dies gilt ins­ besondere für die Messung von Umweltgeräuschen und von Geräuschen am Arbeitsplatz. Hierbei treten erfahrungsge­ mäß zeitlich kontinuierliche stochastische, das heißt praktisch regellose Schallsignale auf. Zur meßtechnischen Beschreibung derartiger Geräusche wird neben dem Mittel­ wert zunehmend auch das Perzentil verwendet. Das Perzen­ til ist in der Schallmeßtechnik als die Kenngröße defi­ niert, die während eines vorgegebenen prozentualen Anteils der Dauer einer zeitlich kontinuierlichen Messung über­ schritten wird. In der derzeitigen Meßpraxis häufig be­ nutzte Perzentile sind der in 1% und in 95% der Meßdau­ er überschrittene Schalldruckpegel.The invention includes a method for sound measurement solution according to the preamble of claim 1. This applies ins especially for the measurement of environmental noise and Noise at work. Here experience according to time-continuous stochastic, that is practically random sound signals. For metrological Description of such sounds is next to the agent the percentile is increasingly used. The pearling til is the key parameter in sound measurement technology nated during a given percentage the duration of a continuous measurement over time is taken. In current measurement practice, often be Percentiles used are those in 1% and in 95% of the measuring time he exceeded sound pressure levels.

Die Erfindung dient dazu, die Meßunsicherheit eines Per­ zentils simultan mit dem Perzentil selbst zu bestimmen, soweit diese Meßunsicherheit durch die vorhandenen Zu­ fallsschwankungen des beobachteten Signals bedingt sind. Der Stand der Schallmeßtechnik wird durch die einschlägi­ gen gültigen ISO- und DIN-Normen sowie VDI-Richtlinien wiedergegeben. Einige dieser Regelwerke, die in engerem Zusammenhang mit dem hier beschriebenen und den Ansprüchen 1 bis 10 zugrundeliegenden Verfahren stehen, behandeln im wesentlichen folgendes: ISO 7574 "Acoustics. Statistical methods for determining and verifying stated noise emis­ sion values of machinery and equipment, 15.12.85, Part 1-4" ist ein statistisches Meß- und Prüfverfahren. In der DIN 1319, Bl. 3, werden Grundbegriffe der Meßtechnik, insbesondere Fehler beim Messen definiert. Die DIN 45 641, Juni 1989, beschäftigt sich mit der Mittelung von Schall­ pegeln. Die DIN 45 645, Teil 1 April 1977 in Oberarbeitung, Teil 2 Entwurf September 1991, regelt die einheitliche Er­ mittlung des Beurteilungspegels für Geräuschimmissionen. Die Richtlinie VDI 2058 Bl. 1, September 1985, ist eine Anleitung zur Messung und Beurteilung von Arbeitslärm in der Nachbarschaft, ebenfalls auf der Grundlage von Mittel­ werten. Die VDI 3723 Bl. 1, Oktober 1982, enthält statis­ tische Methoden zur Kennzeichnung schwankender Geräusch­ immissionen, auch mit ausdrücklicher Verwendung von Per­ zentilen.The invention is used to measure the uncertainty of a per to determine the centile simultaneously with the percentile itself, as far as this measurement uncertainty due to the existing Zu if fluctuations in the observed signal are caused. The state of sound measurement technology is determined by the relevant in accordance with valid ISO and DIN standards as well as VDI guidelines reproduced. Some of these regulations, which are in more detail Connection with that described here and the claims 1 to 10 underlying procedures are available, treat in essentially the following: ISO 7574 "Acoustics. Statistical methods for determining and verifying stated noise emis sion values of machinery and equipment, 12/15/85, part 1-4 "is a statistical measuring and testing method. In of DIN 1319, sheet 3, basic terms of measurement technology, Defines errors in measurement in particular. DIN 45 641, June 1989, deals with the averaging of sound  level. The DIN 45 645, part 1 April 1977 in revision, Part 2 draft September 1991, regulates the uniform Er averaging the assessment level for noise emissions. The guideline VDI 2058 Bl. 1, September 1985, is one Instructions for measuring and assessing work noise in the neighborhood, also based on funds evaluate. VDI 3723 Bl. 1, October 1982, contains statis table methods for identifying fluctuating noise imissions, also with the express use of Per centiles.

Allen diesen Richtlinien, auch der VDI 3723, ist gemein­ sam, daß sie Aussagen zur Streuung der darin verwendeten Kenngrößen und somit auch des Perzentils wenn überhaupt, dann nur anhand von Stichprobenverfahren mit diskontinu­ ierlichen Schallmeßwerten als Elementen der zugrundegeleg­ ten Statistik erlauben. Letztere können etwa einzelne Kurzzeitmeßwerte, wie z. B. Halbstunden-Perzentile sein (vgl. VDI 3723 Blatt 1).All of these guidelines, including VDI 3723, are common sam that they used statements about the spread of the Parameters and thus also the percentile, if any, then only using random sampling with discontinuous ier sound measurement values as elements of the underlying Allow statistics. The latter can be individual Short-term measurements, such as B. Half hour percentiles (see VDI 3723 sheet 1).

Was die Schall-Meßtechnik bisher nicht leistet, ist eine Verfahrensweise, unmittelbar und nachvollziehbar aus der Echtzeitmessung eines kontinuierlichen Signals über eine notwendigerweise stets endliche Beobachtungsdauer die Meßunsicherheit eines Perzentils simultan mit dem Perzen­ til selbst zu bestimmen, soweit diese Meßunsicherheit durch die vorhandenen Zufallsschwankungen des beobachteten Signals bedingt sind. Insofern hatten alle bisherigen Mes­ sungen dieser Art nur einen eingeschränkten Aussagewert. Dieser Stand der Technik wird weder der Anforderung einer Darstellungsmöglichkeit für die Aussagequalität der Mes­ sung gerecht noch den heutigen Möglichkeiten, die an sich bekannten Methoden schneller digitaler Signalverarbeitung hierfür zu nutzen. Ersteres betrifft beispielsweise die Notwendigkeit, eine nachvollziehbare Qualitätsangabe für meßtechnische Erhebungen von Geräuscheinwirkungen auf die Umwelt als eine Voraussetzung für sachlich fundierte Fest­ stellungen zu ermöglichen. Dabei geht es vor allem um die Frage, zu welchem Anteil der Zeit ein gesetzlicher Grenz­ wert durch eine kontinuierliche Einwirkung auf die Umwelt, wie sie durch Geräusche bewirkt wird, überschritten ist und wie sicher dies durch den Einsatz von Meßgeräten fest­ gestellt werden kann.What sound measurement technology has not yet achieved is one Procedure, immediately and comprehensibly real-time measurement of a continuous signal a necessarily always finite observation period Uncertainty of a percentile simultaneous with the Perzen til to determine yourself, as far as this measurement uncertainty by the existing random fluctuations of the observed Signals are conditional. In this respect, all previous Mes solutions of this type are only of limited significance. This state of the art is neither the requirement of a Possibility of displaying the quality of the measurements solution still do justice to today's possibilities known methods of fast digital signal processing to use for this. The former concerns, for example, the Need a traceable quality statement for metrological surveys of noise effects on the Environment as a prerequisite for factually sound feast to enable positions. It is all about the Question at what percentage of the time a legal limit value through continuous environmental impact,  as caused by noise is exceeded and how safe this is fixed by using measuring instruments can be put.

Der vorliegenden Erfindung liegt also die Aufgabe zugrun­ de, zusätzlich zu einer aus dem Signalverlauf auf Echt­ zeitbasis ermittelten Verteilungskenngröße (Perzentil), simultan dazu als weiteren, davon unabhängigen Meßwert auch die durch die zufälligen Schwankungen des Signals be­ dingte Meßunschärfe zu ermitteln, und zwar als Maß für die Bewertung der Aussagesicherheit des Perzentils unter den während der Messung vorhandenen Randbedingungen. Dabei wird die Meßunschärfe durch einen Vertrauensbereich quan­ titativ beschrieben. Der Vertrauensbereich grenzt den Be­ reich nach oben und unten ein, in dem sich der wahre Wert der Kenngröße mit einer vorgeschriebenen hohen Wahrschein­ lichkeit, z. B. 95%, befindet.The present invention is therefore based on the object de, in addition to one from the waveform on real time-based distribution characteristic (percentile), simultaneously as a further, independent measurement value also be caused by the random fluctuations in the signal to determine the measurement blur, as a measure of the Assessment of the reliability of the percentile among the existing boundary conditions during the measurement. Here the measurement blur is quan by a confidence interval described titatively. The area of trust limits the Be submit up and down in which the true value the parameter with a prescribed high probability Lichkeit, z. B. 95%.

Weitere, durch die Erfindung zusätzlich gelöste Aufgaben sind sowohl ein meßgerätetechnisch selbständiges Prüfver­ fahren auf Einhaltung des grundsätzlich immer erforderli­ chen Mindestmeßaufwandes zur Gewährleistung eines aus­ reichend signifikanten Meßergebnisses zur Verfügung zu stellen, als auch darüber hinaus vom Meßgerät entsprechend der für erforderlich gehaltenen Aussagequalität die Mes­ sung ausführen zu lassen.Further tasks additionally solved by the invention are both an independent test ver drive on compliance with the fundamentally always necessary Chen minimum measurement effort to ensure a sufficiently significant measurement result set, as well as from the measuring device accordingly the measurement quality deemed necessary solution.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch die Verfahres­ merkmale des Patentanspruchs 1 und der zugehörigen Unter­ ansprüche und den Vorrichtungsanspruch 10 gelöst. Nähere Ausgestaltungen des bzw. der einzelnen Verfahren in der Vorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Diese enthalten auch unter Anspruch 4 das Prüfverfahren auf aus­ reichende Mindestmeßdauer sowie unter den Ansprüchen 6 und 9 Ausgestaltungen des Verfahrens zur selbsttätigen Einhal­ tung einer vorgegebenen Aussagequalität durch das Meßge­ rät.According to the invention, these tasks are achieved by the method Features of claim 1 and the associated sub claims and the device claim 10 solved. Closer Refinements of the individual process or processes in the Device result from the subclaims. These also contain the test method for claim 4 sufficient minimum measurement period and under claims 6 and 9 refinements of the method for automatic inhalation tion of a predetermined quality of information by the Meßge advises.

Ein derartiges Verfahren zur meßtechnischen Erfassung und Beurteilung der Aussagequalität von Perzentilen stochasti­ scher Schallsignale sowie zur Verwendung der Aussagequali­ tät als meßtechnischer Steuergröße wurde bisher von ander­ er Seite nicht vorgelegt. Es läßt sich erfindungsgemäß an­ hand der beigefügten Zeichnungen wie folgt skizzieren. Dabei dientSuch a method for measuring and Assessment of the information quality of percentiles stochasti shear sound signals as well as the use of the testimonies Activity as a metrological control variable has so far been different  he did not submit page. It can be inventively sketch using the attached drawings as follows. It serves

Fig. 1 zur Erläuterung der zur Beschreibung und Durchführung des Verfahrens verwendeten Begriffe und Größen betreffend das Primärsignal. Fig. 1 for explaining the terms and quantities used for the description and implementation of the method relating to the primary signal.

Fig. 2 dient zur Erläuterung des in dem Verfahren genutz­ ten Zusammenhangs zwischen der Anteilswertstreuung und der Perzentilstreuung. Fig. 2 is used to explain the relationship between the share value dispersion and the percentile dispersion used in the method.

Fig. 3 gibt an, wie aufbauend auf Fig. 2 die Perzentil- Vertrauensbereichsgrenzen aus den Vertrauensbereichsgren­ zen des Überschreitungsanteils bestimmt werden können. FIG. 3 indicates how, based on FIG. 2, the percentile confidence limits can be determined from the confidence limits of the exceeding proportion.

In Fig. 4 ist ein Blockschaltbild dargestellt, das den derzeitigen Stand der Technik der Schall-Perzentilmessung aufzeigt. FIG. 4 shows a block diagram which shows the current state of the art in sound percentile measurement.

In Fig. 5 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung als Blockschaltbild einer Meßvorrichtung für die zusätzlich zum Perzentil selbst mögliche Bestimmung seines Vertrau­ ensbereichs sowie der Ausführung der zusätzlich möglichen Prüfverfahren dargestellt.In Fig. 5 an embodiment of the invention is shown as a block diagram of a measuring device for the possible determination of its confidence range in addition to the percentile itself and the execution of the additionally possible test methods.

Es wird als allgemeinem Fall von einem zu messenden konti­ nuierlichen stochastischen Signal, d. h. zeitlichem Schall­ druckpegelverlauf ausgegangen. Als notwendige und auch zentrale Randbedingung für ein aussagefähiges Resultat muß das Signal während der Messung stationär sein. Das heißt, daß sich die für das beobachtete Signal maßgeblichen ma­ teriellen Ursachen, z. B. Straßenverkehr mit einer durch Tageszeit, Wetter usw. bestimmten Dichte und Zusammensetz­ ung oder ein bestimmter gleichbleibender Arbeitsprozeß in einer Produktionsstätte während der Messung nicht oder nur unwesentlich verändern. Unter diesen Voraussetzungen än­ dert sich die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten gleich­ artiger Signalstrukturen und somit der "wahre" Wert einer streuenden Meßkenngröße nicht mit der Zeit. Hiermit ist definitionsgemäß die Stationarität gegeben.It is used as a general case of a conti nuclear stochastic signal, d. H. temporal sound pressure level curve assumed. As necessary and also central boundary condition for a meaningful result must the signal must be stationary during the measurement. This means, that the relevant ma. for the observed signal terial causes, e.g. B. Road traffic with one through Time of day, weather, etc. determined density and composition or a certain constant work process in a production facility during the measurement or only change insignificantly. Under these conditions the probability of occurrence is the same like signal structures and thus the "true" value of one scattering parameter not with time. Herewith is given the definition of stationarity.

Damit sind die einzelnen Über- und Unterschreitungsinter­ valle wi und ui (vgl. Fig. 1) jeweils praktisch zeit­ unabhängig verteilt.The individual exceeding and falling short intervals w i and u i (cf. FIG. 1) are in each case distributed practically independently of time.

Wie aus Bild 1 ersichtlich ist, läßt sich der Anteil q der Beobachtungsdauer T, währenddessen die Momentanwerte des Signals den Perzentilpegel Lq überschreiten, durchAs can be seen in Figure 1, the portion q of the observation period T, during which the instantaneous values of the signal exceed the percentile level L q , can be determined by

schätzen. Dies entspricht im Ergebnis dem bisherigen Stand der Technik, da der Überschreitungsanteil q (Lq) gleicher­ maßen aus der (klassierten) Momentanwertverteilung des Schallsignals bestimmt werden kann.estimate. The result corresponds to the previous state of the art, since the exceedance share q (L q ) can be determined equally from the (classified) instantaneous value distribution of the sound signal.

Ein zunächst naheliegender Weg zur Feststellung der Per­ zentilstreuung ist, diese in geeigneter Weise unmittelbar aus dem Signalverlauf zu bestimmen. Dies ist jedoch nicht durchführbar, weil bei gegebenem Überschreitungsanteil erst nach dem Ende der meßtechnischen Beobachtung anhand der Gesamtverteilung der Momentanwerte das Perzentil be­ stimmt werden kann. Die für die Streuung der Perzentil­ kenngröße wirksamen Detailstrukturen der während der Meß­ dauer beobachteten und somit für die Information über die Streuung nutzbaren Schwankungen in unmittelbarer Nachbar­ schaft des Perzentilpegelwertes gehen dabei jedoch verlo­ ren.An initially obvious way to determine the Per is scattered in a suitable manner immediately determined from the waveform. However, this is not feasible because given a percentage of exceedance only after the end of the metrological observation based on the percentile of the total distribution of the instantaneous values can be voted. The one for the dispersion of the percentile characteristic effective structures of detail during the measurement observed for the information about the Scatter usable fluctuations in the immediate vicinity However, the percentile level value is lost ren.

Die Perzentil-Streuung kontinuierlicher stochastischer Signale ist jedoch zugänglich über die Varianz Var q des Zeitanteils der Über- bzw. Unterschreitung eines vorgege­ benen (Perzentil-)Wertes innerhalb der Beobachtungsdauer. Zum Begriff der Varianz siehe z. B. Hartung, Statistik, Ol­ denbourg, 4. Aufl., 1985, Kap. II C.8.2. A S. 116/117. Als weitere Randbedingung muß erfüllt sein, daß die ein­ zelnen Über- und Unterschreitungsdauern wi und ui (vgl. Fig. 1) alle untereinander hinreichend stochastisch unab­ hängig sind. Dies kann durch eine nach bekannten Verfahren ausführbare Korrelationsanalyse festgestellt werden (Har­ tung, Kap. XII 1.4 S. 675 und 4.1 S. 728).The percentile scatter of continuous stochastic signals is, however, accessible via the variance Var q of the proportion of time that a predetermined (percentile) value is exceeded or fallen short of within the observation period. For the concept of variance, see e.g. B. Hartung, Statistics, Ol denbourg, 4th ed., 1985, chap. II C.8.2. A p. 116/117. A further boundary condition must be met that the individual exceeding and falling short periods w i and u i (see FIG. 1) are all sufficiently stochastically independent of one another. This can be determined by means of a correlation analysis which can be carried out according to known methods (Har device, chap. XII 1.4 p. 675 and 4.1 p. 728).

Treten während der Beobachtungsdauer mehrere, d. h. mindes­ tens 5 Über(Unter)schreitungen auf, so läßt sich die beob­ achtbare Varianz des Über- bzw. Unterschreitungsanteils bei fest vorgegebenem Perzentilwert durch den Anspruch 2 bestimmen. If several occur during the observation period, i. H. at least at least 5 above (underruns), the observ respectable variance of the percentage of exceeding or falling below with a fixed percentile value by claim 2 determine.  

Da sich der Anteilswert q als eine Summe stochastisch un­ abhängiger Einzelwerte darstellt (vgl. (1)), ist dieser annähernd normalverteilt (Zentraler Grenzwertsatz der Sta­ tistik; Hartung, Kap. II 9. S. 122). Dies ist in Fig. 2 mit dargestellt. Somit läßt sich anhand des Anspruchs 3 der beidseitig symmetrische Vertrauensbereich für den An­ teilswert q auf dem Vertrauensniveau 1-α (α«1) mit den üblichen Verfahren (Hartung, Kap. IV 1.3.2, S. 161) ermitteln.Since the share value q is a sum of stochastically independent individual values (cf. (1)), it is approximately normally distributed (Central Limit Value Theorem of Statistics; Hartung, Chapter II, 9th p. 122). This is shown in Fig. 2. Thus, based on claim 3, the bilaterally symmetrical confidence interval for the partial value q on the confidence level 1-α (α «1) can be determined with the usual methods (Hartung, Chapter IV 1.3.2, p. 161).

Aus dem Anspruch 3, für den Überschreitungsanteil den Ver­ trauensbereich angeben zu können, ergibt sich als Anspruch 4 zusätzlich ein Kriterium für den erforderlichen Min­ destaufwand zur Bestimmung eines Perzentils wie folgt: Die Schätzung des Überschreitungsanteils q anhand von (1) führt nur dann zu einem richtigen Ergebnis, wenn damit der nicht bekannte wahre Überschreitungsanteil mit ausreichend hoher Wahrscheinlichkeit 1-α (α«1) erfaßt wird. Das hier eingeführte Kriterium dafür ist, daß die beidseitig symmetrischen Vertrauensbereichsgrenzen qo und qu für den geschätzten Überschreitungsanteil innerhalb des zugelas­ senen Wertebereiches 0q1 zu liegen kommen. Somit muß die zum Verteilungsrand der Momentanwerte nähere Vertrau­ ensbereichsgrenze "qaußen" die BedingungFrom claim 3, to be able to specify the confidence interval for the exceedance share, there arises as claim 4 an additional criterion for the minimum effort required for determining a percentile as follows: The estimate of the exceedance share q using (1) only leads to one correct result, if the unknown true excess percentage is detected with a sufficiently high probability 1-α (α «1). The criterion introduced here is that the bilaterally symmetrical confidence limits q o and q u for the estimated percentage of exceedances come to lie within the permitted value range 0q1. Thus the confidence limit "q outside " closer to the distribution margin of the instantaneous values must meet the condition

qaußen - q = tn-1, 1- α /2 [Var q]1/2 q (2)q outside - q = t n-1, 1- α / 2 [Var q] 1/2 q (2)

erfüllen, wobei q der durch die Lage des Perzentils be­ stimmte kleinere, d. h. außenliegende Anteil der Summen­ häufigkeit ist.meet, where q the be by the location of the percentile agreed smaller, d. H. external portion of the sums frequency is.

Auf der Grundlage der Bedingung (2) und mit Verwendung von qu = /( + ), qw = /( + ), ( + )n = T, vu = su/ und vw = sw/ ist die Prüfung auf Einhaltung des Mindestzahl­ kriteriums durch Anspruch 4 möglich.On the basis of condition (2) and using q u = / (+), q w = / (+), (+) n = T, v u = s u / and v w = s w / is Check for compliance with the minimum number criterion possible by claim 4.

Für mehrere wiederholte Messungen mit der gleichen Meßdauer T und unter sonst gleichen stationären Bedingungen sind in Fig. 2 die einzelnen Summenhäufigkeiten (Hartung, Kap. I 2.3, S. 23/24) als Kurven q(L; ζ) schematisch, mit ζ als stochastischem Scharparameter dargestellt. For several repeated measurements with the same measurement duration T and under otherwise the same stationary conditions, the individual cumulative frequencies (Hartung, chap. I 2.3, p. 23/24) are shown schematically as curves q (L; ζ) in FIG. 2, with ζ as stochastic share parameter.

Da die Summenhäufigkeit definitionsgemäß mit zunehmendem Merkmalswert, d. h. hier dem Schalldruckpegel, selbst auch stets monoton zunimmt, ist, wie aus Fig. 2 ersichtlich, die Anzahl der Schnittpunkte des Kurvenfeldes der auf 1 normierten Summenhäufigkeitsverteilung z. B. mit der Linie q = q(Lq) = konst. für L<Lq die gleiche wie mit der Li­ nie L = Lq konst. für q<q4 (Lq).Since the total frequency by definition always increases monotonously with increasing characteristic value, ie here the sound pressure level, as can be seen from FIG. 2, the number of intersections of the curve field of the normalized distribution of total frequency z. B. with the line q = q (L q ) = constant for L <L q the same as with the Li never L = L q constant for q <q4 (L q ).

Somit ist der Anteil der Schnittpunkte und damit auch der Anteil aller im Wiederholungsfalle beliebig häufig beob­ achtbaren Perzentile, mit dem dafür vorzugebenden Anteils­ wert q(Lq), unterhalb von Lq der gleiche wie der Anteil von allen beobachtbaren q-Werten oberhalb von q(Lq), entlang der Linie L = Lq = konst. Wählt man einen Pegelwert L*q, etwa am unteren Rand der entlang der Linie q(Lq) = konst. vorhandenen Lq-Verteilung, so ist der Anteil der Perzen­ tile im Bereich L < L*q gleich dem Anteil von q-Werten auf der Linie L = L*q oberhalb von q = q(Lq). Das Analoge gilt für den gegenüberliegenden Quadranten.Thus, the proportion of the intersection points and thus also the proportion of all percentiles that can be observed as often as required, with the proportion q (L q ) to be specified for it, below L q is the same as the proportion of all observable q values above q (L q ), along the line L = L q = const. If one chooses a level value L * q , approximately at the lower edge of the L q distribution present along the line q (L q ) = constant, the proportion is Perzen tiles in the range L <L * q equal to the share of q values on the line L = L * q above q = q (L q ). The analog applies to the opposite quadrant.

Wenn also die Vertrauensbereichsgrenzen für den Über­ schreitungsanteil - bzw. für den Unterschreitungsanteil, die sich beide zu 1 ergänzen - als Funktion des Schall­ druckpegels wie angegeben bestimmt sind, dann sind damit auch die Vertrauensbereichsgrenzen für jedes Perzentil be­ stimmbar. Dazu genügt bei der praktischen Ausführung be­ reits eine einzige Messung, d. h. die Beobachtung des Sig­ nals während der gewählten Meßdauer T.So if the confidence limits for the over proportion of the excess - or for the proportion below the limit, both of which add up to 1 - as a function of sound pressure levels are determined as specified, then with that also the confidence limits for each percentile tunable. This is sufficient for the practical execution a single measurement, d. H. the observation of the Sig nals during the selected measurement period T.

Der Vertrauensbereich des Perzentils wird dazu, wie durch Fig. 3 veranschaulicht wird, wie folgt ermittelt:
Als Funktion des Schalldruckpegels L wird sowohl der Überschreitungsanteil gemäß Gl. (1) geschätzt (q(L) in Fig. 3) als auch simultan dessen Vertrauensbereichsgren­ zen qo und qu gemäß Anspruch 3 bestimmt und der Verlauf dieser Kurven gespeichert. Bei vorzugebendem Überschrei­ tungsanteil, z. B. 1%, und Signifikanzniveau, z. B. 95%, lassen sich dann gemäß Anspruch 5 neben dem Perzentil selbst auch die dazu gehörenden Vertrauensbereichsgrenzen ermitteln.
For this purpose, the confidence interval of the percentile is determined as follows, as illustrated by FIG. 3:
As a function of the sound pressure level L, both the exceedance percentage according to Eq. (1) estimated (q (L) in Fig. 3) and simultaneously determined its confidence limits q o and q u according to claim 3 and stored the course of these curves. With a predetermined overriding share, z. B. 1%, and level of significance, e.g. B. 95%, then can be determined according to claim 5 in addition to the percentile itself and the associated confidence limits.

Die Größe des gemäß Anspruch 1 zu ermittelnden Vertrauens­ bereichs, V = Lq,o-Lq,u, kann nun seinerseits gemäß An­ spruch 6 zur Steuerung der Messung herangezogen werden, indem als Qualitätsanforderung ein nicht zu überschreiten­ der Sollwert VS für den Vertrauensbereich ein Vergleich zwischen Ist- und Sollwert erfolgt und die Messung erst nach Unterschreiten des Sollwertes beendet wird. Wie dies mit Hilfe eines Mikroprozessors vom Meßgerät automatisch durchgeführt werden kann, ist in Fig. 5 dargestellt.The size of the confidence interval to be determined according to claim 1, V = L q, o -L q, u , can in turn now be used according to claim 6 to control the measurement, by not exceeding the target value V S for the quality requirement Confidence area, a comparison between the actual value and the setpoint takes place and the measurement is only ended after the setpoint has fallen below. How this can be carried out automatically by the measuring device with the aid of a microprocessor is shown in FIG. 5.

Wenn sich die Streuung des Überschreitungsanteils infolge einer ausreichend großen Meßdauer nur über einen kleinen Teil des Anteilsraumes 0q1 erstreckt, d. h. [Var q]1/2«1 ist, dann kann der Vertrauensbereich des Perzentils einfach durch eine Linearisierung anhand der örtlichen Steilheit der Summenhäufigkeitskurve bestimmt werden. Dies wird durch die Ansprüche 7 und 8 gelöst.If, due to a sufficiently long measurement period, the scatter of the overshoot extends only over a small part of the share space 0q1, ie [Var q] 1/2 «1, the confidence interval of the percentile can simply be determined by linearization based on the local steepness of the cumulative frequency curve will. This is solved by claims 7 and 8.

Anhand der in den Ansprüchen 8 und 2 gegebenen Verfahren kann gemäß Anspruch 9 auch die erforderliche Meßdauer ab­ geschätzt und für den Beobachter zur Anzeige gebracht wer­ den. Falls zum Zeitpunkt der Prüfung die notwendige Meß­ dauer noch nicht erreicht ist, wird die Messung bis zum Erreichen der errechneten Meßdauer fortgesetzt und an­ schließend erneut geprüft.Using the method given in claims 8 and 2 can according to claim 9 also the required measurement period estimated and displayed to the observer who the. If at the time of the test the necessary measurement has not yet been reached, the measurement is Continue reaching the calculated measurement duration and on finally checked again.

Das voranstehend beschriebene Verfahren zur simultanen Miterfassung der Aussagequalität einer Echtzeitmessung ist als Teil der integrierten Funktionselemente einer Schall­ meßvorrichtung bzw. eines Schallmeßgerätes ausführbar. Wie die Integration der Funktionselemente und der gemäß den Ansprüchen 1 bis 9 auszuführenden Operationen in das Meß­ gerät geschehen kann, ist in Fig. 5 aufgezeigt.The method described above for simultaneous detection of the quality of a real-time measurement can be carried out as part of the integrated functional elements of a sound measuring device or a sound measuring device. How the integration of the functional elements and the operations to be carried out according to claims 1 to 9 can be done in the measuring device is shown in Fig. 5.

Der im Zusammenhang mit der hier dargestellten Erfindung relevante derzeitige Stand der Schallmeßtechnik ist in seinen Grundzügen in Fig. 4 wiedergegeben, mit Mikrofon (1), Impedanzwandler (2), regelbarem Verstärker (3), Frequenz­ filter (4), AG-Ausgang (5), Effektivwertbildung (6) und RG-Glied (7). Der Schalldruckpegel wird über einen Ana­ log/Digital-Wandler (8) einem Mikroprozessor (9) mit Ti­ mer (10) zugeführt, der selbst von außen über die Bedie­ nungselemente (11), eingeschlossen die Zeitvorwahl, ange­ steuert werden kann.The main features of the current state of sound measurement technology relevant to the invention shown here are shown in FIG. 4, with microphone ( 1 ), impedance converter ( 2 ), controllable amplifier ( 3 ), frequency filter ( 4 ), AG output ( 5 ), RMS value formation ( 6 ) and RG element ( 7 ). The sound pressure level is fed via an analogue / digital converter ( 8 ) to a microprocessor ( 9 ) with Ti mer ( 10 ), which can even be controlled from the outside via the operating elements ( 11 ), including the time delay.

Das Echtzeitsignal wird klassiert (12) und ggf. auch in einen flüch­ tigen Speicher eingegeben (13). Anhand der Klassierung wird durch Aufaddieren der Klassenbelegungen die Pegelsum­ menhäufigkeit gebildet und ebenfalls abgespeichert (14). über das entsprechende Bedienungselement zur Auswahl des gewünschten Überschreitungsanteils (Wahlschalter, in (11) mit enthalten) kann das interessierende Perzentil über einen Anzeigetreiber (15) wahlweise mit dem Mittelungspe­ gel Leq zur Anzeige gebracht werden (17). Der Anschluß an andere Geräte, etwa zur Aufzeichnung, erfolgt über eine digitale Schnittstelle (18).The real-time signal is classified ( 12 ) and possibly also entered into a volatile memory ( 13 ). Based on the classification, the level summation frequency is formed by adding up the class assignments and also stored ( 14 ). Using the corresponding control element to select the desired percentage of exceedance (selector switch, included in ( 11 )), the percentile of interest can optionally be displayed with the averaging level L eq via a display driver ( 15 ) ( 17 ). The connection to other devices, such as for recording, is made via a digital interface ( 18 ).

Neu als Inhalt dieser Erfindung ist folgendes:
Dem Mikroprozessor angegliedert, bzw. in ihm mit enthalten ist ein Festwertspeicher ROM I (19), der Rechenprogramme enthält, die zur Ausführung der in den Ansprüchen 1 bis 9 enthaltenen Aufgaben notwendig sind. Der Festwertspeicher ROM II, 1 KB, (20) enthält den statistischen Parameter Studentfaktor tf;1-/2. Jeweils vor Beginn einer Messung kann zusätzlich zu der gewünschten Meßdauer auch mit einem Wahlschalter (21) die noch vertretbare Irrtumswahrschein­ lichkeit α und somit das gewünschte Signifikanzniveau 1-α eingestellt werden. Der RAM-Speicher (13) hat mindestens 10 MB, um ein Echtzeitsignal in Zeitbewertung "FAST" bis zu 24 Stunden Meßdauer erfassen zu können.
New in the content of this invention is the following:
Affixed to the microprocessor, or included in it, is a read-only memory ROM I ( 19 ) which contains computer programs which are necessary for carrying out the tasks contained in claims 1 to 9. The read-only memory ROM II, 1 KB, ( 20 ) contains the statistical parameter student factor t f; 1/2 . In each case before the start of a measurement, in addition to the desired measurement duration, the justifiable error probability α and thus the desired level of significance 1-α can also be set with a selector switch ( 21 ). The RAM memory ( 13 ) has at least 10 MB in order to be able to record a real-time signal in time evaluation "FAST" of up to 24 hours of measurement.

Nachdem ein vorgegebenes Meßzeitintervall vollständig durchlaufen ist, werden zunächst durch das Rechenprogramm in (19) gemäß Anspruch 2 und Anspruch 3 die pegelabhängige obere und untere Vertrauensbereichsgrenze des ebenfalls pegelabhängigen Anteilswertes bestimmt. Dazu sucht der Mi­ kroprozessor zunächst den niedrigsten gemessenen Momentan­ wert des Signals, geht zur nächsthöher liegenden 0,5 dB­ (oder alternativ 0,5% -) Stufe, frägt anhand des gespei­ cherten Echtzeitsignals (25) die einzelnen Über- und Un­ terschreitungsdauern wi und ui ab (23) (24), registriert diese sowie die Anzahl der Über- bzw. Unterschreitungen (25) und errechnet daraus die Mittelwerte und die Streu­ größen (26). Letzteres ist erst ab n = 2 möglich. Von da an wird über die Datenverbindung (27) in (14) eingespei­ chert. Aus den bis dahin für die einzelne Pegelstufe ge­ wonnenen Daten wird gemäß Anspruch 2 die Anteilsvarianz (= Varianz des Überschreitungsanteils) berechnet (28) und in (14) abgespeichert. Anschließend werden entsprechend dem vorgewählten Signifikanzniveau gemäß Anspruch 3 die Vertrauensbereichsgrenzen qo und qu (29) berechnet und ebenfalls dem betreffenden Pegelniveau zugeordnet in (14) abgespeichert. Dieser Prozeß wird von dem in (19) enthal­ tenen Programm bis zu dem Pegelwert bzw. Prozentwert schrittweise ansteigend durchgeführt, bei dem am oberen Verteilungsrand zum ersten Mal nur noch eine Über- bzw. Unterschreitung durch das gemessene Schallsignal festge­ stellt werden kann.After a predetermined measuring time interval has completely run through, the level-dependent upper and lower confidence limits of the level-dependent share value are first determined by the computer program in ( 19 ) according to claim 2 and claim 3. For this purpose, the microprocessor first searches for the lowest measured instantaneous value of the signal, goes to the next higher 0.5 dB (or alternatively 0.5% -) level, queries the individual overshoot and undershoot periods w based on the stored real-time signal ( 25 ) i and u i from ( 23 ) ( 24 ), registers these as well as the number of overshoots and undershoots ( 25 ) and calculates the mean values and the scatter values ( 26 ). The latter is only possible from n = 2. From then on, data is stored in ( 14 ) via the data connection ( 27 ). From the data obtained up to that point for the individual level step, the proportion variance (= variance of the exceeding proportion) is calculated ( 28 ) and stored in ( 14 ). The confidence limits q o and q u ( 29 ) are then calculated in accordance with the preselected level of significance and stored in ( 14 ), also assigned to the relevant level. This process is carried out gradually increasing from the program contained in ( 19 ) up to the level value or percentage value, in which only an overshoot or undershoot can be determined for the first time at the upper distribution edge by the measured sound signal.

Anschließend wird mit dem Wahlschalter (30) für den Über­ schreitungsanteil q das interessierende Perzentil ausge­ wählt. Mit dem Wahlschalter (31) für Prüfung auf Einhal­ tung des Mindestzahlkriteriums gemäß Anspruch 4 wird vom Programm in (19) mit bereits festliegendem α (21) und den aus (14) abzurufenden Variationskoeffizienten vu und vw die Mindestzahl ne bestimmt (32) und mit der beobachteten Anzahl n der Über-/Unterschreitungen verglichen (33), das Ergebnis zur Anzeige gebracht (34) und die Messung durch Befehl (35) über die Steuerverbindung (36) ggf. fortge­ setzt.The percentile of interest is then selected using the selector switch ( 30 ) for the excess fraction q. With the selector switch ( 31 ) for checking compliance with the minimum number criterion according to claim 4, the minimum number n e is determined by the program in ( 19 ) with already fixed α ( 21 ) and the variation coefficients v u and v w to be retrieved from ( 14 ) ( 32 ) and compared with the observed number n of overshoots / undershoots ( 33 ), the result displayed ( 34 ) and the measurement by command ( 35 ) via the control connection ( 36 ) possibly continued.

Für das interessierende Perzentil können durch den Wahl­ schalter (37) auch die nach Anspruch 3 ermittelten Ver­ trauensbereichsgrenzen abgefragt und über den Anzeige­ wahlschalter (16) zur Anzeige (17) gebracht werden. Gleichzeitig mit dem Betätigen des Wahlschalters (30) für q wird das Rechenprogramm veranlaßt, die Perzentil-Ver­ trauensbereichsgrenzen Lq,o, Lq,u sowie die Größe V des Vertrauensbereichs gemäß Anspruch 5 zu ermitteln (38) (39), (40) und in (14) auf Abruf zur Anzeige (17) bereitzu­ halten. For the percentile of interest, the selector switch ( 37 ) can also be used to query the confidence range limits determined according to claim 3 and display it ( 17 ) via the selector switch ( 16 ). Simultaneously with the actuation of the selector switch ( 30 ) for q, the computer program is prompted to determine the percentile confidence limits L q, o , L q, u and the size V of the confidence interval according to claim 5 ( 38 ) ( 39 ), ( 40 ) and in ( 14 ) on call for display ( 17 ).

Mit dem Wahlschalter (41) kann ein gewünschter höchstzu­ lässiger Vertrauensbereich eingegeben werden. Das Programm in (19) vergleicht (42) gemäß Anspruch 6 mit dem nach dem Ende der gewählten Meßdauer erreichten Vertrau­ ensbereich, zeigt dies auf Abruf (16) an und entscheidet, ob die Messung beendet (43) oder fortgesetzt wird (44). Durch Abruf der Anteilsvarianz mit dem Wahlschalter (45) aus dem Speicher (14) und Anzeige (16) (17) kann vom Be­ nutzer des Meßgerätes, oder gemäß Anspruch 7 durch das Pro­ gramm in (19), entschieden werden (46), ob die Vertrauens­ bereichsgrenzen auf vereinfachte Art gemäß Anspruch 8 be­ stimmt (47) und zur Anzeige gebracht werden sollen oder die Messung fortzusetzen ist (48). Ist letzteres nicht (mehr) notwendig, prüft das Programm (19), ob der ggf. über (41) vorgegebene höchstzulässige Vertrauensbereich bereits unterschritten ist (49). Wenn dies zutrifft, wird die Messung beendet (50). Andernfalls wird die Messung fortgesetzt (51) und gleichzeitig gemäß Anspruch 9 die er­ forderliche Meßdauer TS hochgerechnet (52) und zur Anzei­ ge gebracht.With the selector switch ( 41 ) a desired maximum permissible trust range can be entered. The program in ( 19 ) compares ( 42 ) according to claim 6 with the confidence interval reached after the end of the selected measurement period, indicates this on demand ( 16 ) and decides whether the measurement is ended ( 43 ) or continued ( 44 ). By calling up the proportion variance with the selector switch ( 45 ) from the memory ( 14 ) and display ( 16 ) ( 17 ), the user of the measuring device or, according to claim 7, the program in ( 19 ) can decide ( 46 ), whether the confidence limits are determined in a simplified manner according to claim 8 ( 47 ) and are to be displayed or the measurement is to be continued ( 48 ). If the latter is (no longer) necessary, the program ( 19 ) checks whether the maximum permissible confidence range specified via ( 41 ) has already been undershot ( 49 ). If this is the case, the measurement is ended ( 50 ). Otherwise, the measurement is continued ( 51 ) and at the same time, according to claim 9, he extrapolates the required measurement duration T S ( 52 ) and displays it.

Die Vorteile des Verfahrens im Vergleich zur bisherigen Praxis sind somit insbesondere:The advantages of the process compared to the previous one Practice are therefore in particular:

  • a) Ermittlung und Darstellung der Aussagesicherheit der primären, d. h. unmittelbar aus dem Echtzeitsignal ge­ wonnenen Kenngröße, ohne weitere Auswertung, schon wäh­ rend der Messung.a) Determination and representation of the reliability of the primary, d. H. directly from the real-time signal won characteristic, without further evaluation, already during the measurement.
  • b) Möglichkeit der selbsttätigen Prüfung und Steuerung einer Schallmeßeinrichtung zur Erfassung grundsätzlich und auch hinreichend repräsentativer und aussagekräfti­ ger Meßwerte anhand von Kriterien für den dazu erfor­ derlichen Meßaufwand.b) Possibility of automatic testing and control a sound measuring device for recording basically and also sufficiently representative and meaningful Measured values based on criteria for the required measurement effort.
  • c) Nachvollziehbar präzise Überprüfung der Wirksamkeit von Schallschutzmaßnahmen durch die mit dem Verfahren mög­ liche Angabe der Signifikanz einer Schallpegeldiffer­ enz.c) Clearly precise checking of the effectiveness of Soundproofing measures possible with the method Indication of the significance of a sound level difference enz.
  • d) Messung eines zeitlich annähernd konstanten Geräusches mit relativ niedrigem Pegel aus einem zusätzlich vor­ handenen fluktuierenden Umgebungsgeräusch, d. h. Fremd­ geräusch. Wegen der freien Parameterwahl 0<q%<100 für Perzentile L100q%, im Gegensatz etwa zu dem jeweils mit einem einzigen Zahlenwert festliegenden zeitlichen Mittelungspegel Leq, kann nämlich von einem sehr tief­ liegenden Arbeitspunkt, z. B. dem L96 o. ä. des überdec­ kenden Fremdgeräusches, z. B. Straßenverkehr, aus eine Differenzmessung "mit" und "ohne" konstanter Schall­ quelle und dies dann mit nachvollziehbarer Präzisions­ angabe durchgeführt werden.d) measurement of a temporally approximately constant noise with a relatively low level from an additional fluctuating ambient noise, ie extraneous noise. Because of the free choice of parameters 0 <q% <100 for percentiles L 100q% , in contrast to the temporal averaging level L eq , which is fixed with a single numerical value, it can be from a very low working point, e.g. B. the L 96 o. Ä. Of overlaying external noise, z. B. road traffic, from a differential measurement "with" and "without" constant sound source and this can then be carried out with traceable precision.
  • e) Realisierung einer im Vergleich zu Langzeitmessungen relativ hohen Genauigkeit, obwohl dafür im Grundsatz nur eine einzige und kurzdauernde Messung von höchstens ei­ ner Stunde erforderlich ist. Dies wäre allerdings auf einen engeren Anwendungsbereich beschränkt.e) Realization of a compared to long-term measurements relatively high accuracy, although in principle only a single and short-lasting measurement of at most egg an hour is required. However, this would be on limited a narrower scope.

Die erfindungsgemäße Aufgabe der Bestimmung des Ver­ trauensbereichs von Perzentil-Meßwerten kontinuierlicher stochastischer Signale wird in ihrem Kern durch den An­ spruch 2 gelöst. Dieser beinhaltet die Bestimmung der Va­ rianz des Überschreitungsanteils bei festgehaltenem Per­ zentilwert aus den dafür maßgebenden Signaldaten.The task of determining the Ver confidence range of percentile readings more continuously The core of stochastic signals is the An saying 2 solved. This includes the determination of the Va rianz of the exceedance share with per zentilwert from the relevant signal data.

Da sich der Überschreitungsanteil und der Unterschrei­ tungsanteil definitionsgemäß stets zu 1 ergänzen, ist die Varianz des Unterschreitungsanteils gleich der Varianz des Überschreitungsanteils und kann deshalb sowohl für die Über-, als auch die Unterschreitung hier als Varianz des Anteilswertes bezeichnet werden.Since the percentage of exceedance and the undercut To always add 1 by definition, is the Variance of the undershoot proportion equal to the variance of the Exceeding share and can therefore be used for both Exceeding as well as falling below as a variance of the share value be designated.

Auf die für diese Erfindung so wichtige Anteilsvarianz wurden bisher von anderer Seite keine erkennbaren Hinweise in der Literatur zur Schallmeßtechnik gegeben.On the share variance so important for this invention So far there have been no recognizable indications from another party given in the literature on sound measurement technology.

Die Anteilsvarianz läßt sich wie folgt ableiten und for­ mulieren:
Die Wahrscheinlichkeit, daß die Summe aller Einzelüber­ schreitungen, d. h. die Gesamtdauer W der Überschreitung eines bestimmten Perzentilwertes in das Intervall zwischen W und W+dW zu liegen kommt, ist durch die von der Meßdauer T mitbedingte Wahrscheinlichkeit
The share variance can be derived and formulated as follows:
The probability that the sum of all individual overshoots, ie the total duration W of exceeding a certain percentile value, will be in the interval between W and W + dW is due to the probability determined by the measurement duration T.

P{W W′ W + dW; n n′ n + dn | W + U = T}
= a(T, n) ϕ (W, n) ψ (T - W, n) dWf (n, T) dn: = d²P (W, n, T) (1A)
P {WW ′ W + dW; nn ′ n + dn | W + U = T}
= a (T, n) ϕ (W, n) ψ (T - W, n) dWf (n, T) dn: = d²P (W, n, T) (1A)

gegeben, wobei ϕ(W,n) und ψ(U,n) die Verteilungsdichte­ funktionen der Gesamtdauern von Überschreitung (W<T) und und Unterschreitung (UT) sowie f(n,T) die Verteilungs­ dichtefunktion der Anzahl n unmittelbar aufeinanderfol­ gender Einzelüber- und Unterschreitungsintervalle, d. h. "stochastische Perioden" in T bezeichnen. Der Normie­ rungsfaktor a(T,n) ergibt sich daraus, daß sich irgend­ eine Über- bzw. Unterschreitungsdauer zwischen O und T immer einstellt.given, where ϕ (W, n) and ψ (U, n) the distribution density functions of total durations of overshoot (W <T) and and undershoot (UT) and f (n, T) the distribution density function of the number n successively gender single exceeding and falling short intervals, d. H. Denote "stochastic periods" in T. The normie  ration factor a (T, n) results from the fact that an overshoot or undershoot duration between O and T always hires.

Hierbei ist die die Varianz des Anteilswertes entscheidend mitbestimmende Tatsache mit berücksichtigt, daß bei jeder Signalmessung in der Praxis die Meßdauer endlich und vor­ gegeben ist, z. B. 1 Stunde. Dem Ansatz (1A) liegt außer­ dem die in der Beschreibung der Erfindung vorausgesetzte stochastische Unabhängigkeit zwischen n, W und U zu­ grunde. Dies ist eine Folge der vorausgesetzten Unabhäng­ igkeit der einzelnen Über- und Unterschreitungen und er­ laubt eine Auftrennung der zweidimensionalen Verteilungs­ dichtefunktion d2P(W,n,T)/dndW in einzelne Faktoren. Mit Hilfe von (2A) läßt sich die Varianz der Gesamtüber­ schreitungsdauer definitionsgemäß anhand vonThe fact that the variance of the proportional value is decisive is also taken into account here, that with each signal measurement in practice the measurement duration is finite and given, e.g. B. 1 hour. The batch (1 A) lies outside the presupposed in the description of the invention stochastic independence between n, W and U based. This is a consequence of the presupposed independence of the individual overshoots and undershoots and allows the two-dimensional distribution density function d 2 P (W, n, T) / dndW to be broken down into individual factors. With the help of (2A), the variance of the total exceedance duration can be defined using

bestimmen. Mit den Erwartungswerten E{w}: = , E{u}: = , σw, σu und der Voraussetzung, daß mindestens einige Über- und Unterschreitungen des Perzentils, verursacht von Ereignissen annähernd gleicher Art (z. B. Pkw-Vorbeifahrten oder Überflüge von Verkehrsflugzeugen usw., die auch simul­ tan einwirken können) auftreten, d. h. T/( + ) = ≳ 5 » 1 und σw/: = vw ≲ 1, σu/: = vu ≲1, kann der Zentrale Grenzwert­ satz der Statistik (Hartung, Kap. II 9. S. 121/122) an­ gewandt und somit die in der zweiten Zeile von (1A) auf­ geführten Funktionen mit Hilfe der vorgenannten Größen explizit dargestellt werden. Die Gesamtüberschreitungs­ dauer ist somit als praktisch normalverteilt, mit dem Mit­ telwert E{W} = und der Varianz δW² = σw² anzusehen. Damit ergibt sich für die letztlich gesuchte Varianz des Überschreitungsanteils bzw. des Anteilswertes ganz allge­ meindetermine. With the expected values E {w}: =, E {u}: =, σ w , σ u and the prerequisite that at least a few overshoots and undershoots of the percentile, caused by events of approximately the same type (e.g. car drives past) or overflights of commercial aircraft etc., which can also act simultaneously), ie T / (+) = ≳ 5 »1 and σ w /: = v w ≲ 1, σ u /: = v u ≲1, the Central limit value set of statistics (Hartung, chap. II, 9th p. 121/122) and the functions listed in the second line of (1A) are explicitly shown using the aforementioned variables. The total exceedance time is therefore considered to be practically normal, with the mean value E {W} = and the variance δ W ² = σ w ². This results in general for the ultimately sought variance of the exceedance share or the share value

Die Gleichung (3A) für die Anteilsvarianz ist invariant ge­ genüber der Vertauschung von Über- und Unterschreitung, wie zu erwarten eine Konsequenz der endlichen vorgegeben­ en Meßdauer.Equation (3A) for the share variance is invariant  regarding the exchange of overshoot and undershoot, as expected a consequence of the finite given measurement duration.

Die Anteilsvarianz kann auch noch in einer anderen, für die praktische Anwendung wesentlich zweckmäßigeren Form dargestellt werden. Mit /( + ) = qw, /( + ) = qu (d. h. qu + qw = 1) und /T = istThe proportion variance can also be represented in another form which is much more expedient for practical use. With / (+) = q w , / (+) = q u (ie q u + q w = 1) and / T = ist

Die Varianz des Anteilswertes für ein beobachtetes Signal läßt sich dadurch erwartungstreu schätzen (Hartung, Kap. III 1. S. 124/125), indem die während der Meßdauer beobachteten Werte für , qw, qu, die Standardabweichungen su und sw an Stelle von σu σw sowie die davon abge­ leiteten Größen eingesetzt werden.The variance of the proportional value for an observed signal can be estimated in line with expectations (Hartung, chap. III, p. 124/125) by using the values for, q w , q u , the standard deviations s u and s w observed during the measurement period instead of σ u σ w and the quantities derived from them.

Claims (10)

1. Verfahren zur Bestimmung des Vertrauensbereichs von Perzentil-Meßwerten kontinuierlicher stochastischer Schallsignale, gekennzeichnet durch folgende Verfah­ rensschritte:
  • - Das kontinuierliche Schallsignal wird in seinem zeitlichen und amplitudenmäßigen Verlauf mit Hilfe eines A/D-Wandlers, eines Mikroprozessors und zuge­ ordneter Arbeitsspeicher erfaßt, daraus die Verteilung der Momentanwerte des Schallsignals be­ stimmt und in einem weiteren Schritt das Perzentil Lq als der Merkmalswert "Schallpegel" ermittelt, der im vorgegebenen Anteil q, 0q1, der Meßdauer vom Signal überschritten ist.
  • - Innerhalb des gesamten Meßzeitintervalles werden die einzelnen zusammenhängenden Zeitintervalle wi und ui, während denen das Schallsignal den Perzentil­ wert Lq jeweils über- bzw. unterschreitet, durch den Mikroprozessor abgefragt und anschließend abge­ speichert. Befindet sich das Schallsignal beginnend und endend mit dem Meßzeitintervall auf derselben Seite mit Bezug auf Lq, so werden die beiden Über- bzw. Unterschreitungsintervalle addiert und als nur ein einziges Zeitintervall zusammen mit allen innen- liegenden Intervallen weiterverwendet. Ansonsten werden die unvollständigen Ü/U-Intervalle an den Rändern des Meßzeitintervalls so wie vollständige Intervalle verwendet.
  • - Anhand des Datensatzes der Werte wi und ui wird die Varianz Var q des Überschreitungsanteils q bei festgehaltenem Perzentilpegelwert Lq bestimmt.
  • - Ausgehend von dieser Varianz des Überschreitungsan­ teils werden bei vorzugebendem Vertrauensniveau die obere Vertrauensbereichsgrenze qo und die untere Vertrauensbereichsgrenze qu des beidseitig symme­ trischen Vertrauensbereiches für den Überschrei­ tungsanteil bestimmt und zusammen mit diesem und dem Perzentilwert abgespeichert. Der dafür erfor­ derliche Studentfaktor als statistischer Parameter wird aus einem dafür vorgesehenen Festwertspeicher entnommen.
  • - Die vorangehend beschriebene Prozedur wird für alle Perzentilpegelwerte in ausreichend kleinen Schrit­ ten des Überschreitungsanteils q, d. h. zweckmäßi­ gerweise entweder in 0,5%-Schritten oder alterna­ tiv im Pegelraum in 0,5 dB-Schritten oder in den Klassierungsschritten wiederholt.
  • - Aus der abgespeicherten Gesamtheit der unteren Ver­ trauensbereichsgrenzen des Anteilswertes wird vom Mikroprozessor diejenige Vertrauensbereichsgrenze qu(L) gesucht, die mit dem Anteilswert q für das interessierende Perzentil übereinstimmt, ggf. durch Interpolation. Mit dieser Operation qo(L) = q ist die obere Vertrauensbereichsgrenze Lq,o = L des Perzentils gefunden.
  • - Aus der abgespeicherten Gesamtheit der oberen Ver­ trauensbereichsgrenzen des Anteilswertes wird vom Mikroprozessor diejenige Vertrauensbereichsgrenze qo(L) gesucht, die mit dem Anteilswert q für das interessierende Perzentil übereinstimmt, ggf. durch Interpolation. Mit dieser Operation qo(L) = q ist die untere Vertrauensbereichsgrenze Lq,u = L des Perzentils gefunden.
1. Method for determining the confidence interval of percentile measured values of continuous stochastic sound signals, characterized by the following process steps:
  • - The continuous sound signal is recorded in terms of its time and amplitude with the aid of an A / D converter, a microprocessor and assigned working memory, the distribution of the instantaneous values of the sound signal is determined therefrom and in a further step the percentile L q as the characteristic value " Sound level "determined, which is exceeded in the predetermined proportion q, 0q1, the measurement duration of the signal.
  • - Within the entire measurement time interval, the individual contiguous time intervals w i and u i , during which the sound signal exceeds or falls below the percentile value L q, are queried by the microprocessor and then stored. If the sound signal begins and ends with the measuring time interval on the same side with reference to L q , the two exceeding and falling short intervals are added and used as a single time interval together with all internal intervals. Otherwise, the incomplete Ü / U intervals at the edges of the measurement time interval as well as complete intervals are used.
  • - Based on the data set of the values w i and u i , the variance Var q of the exceedance component q is determined with a fixed percentile level value L q .
  • - Based on this variance of the exceedance share, the upper confidence limit limit q o and the lower confidence limit limit q u of the mutually symmetrical confidence limit for the overrun share are determined for the given trust level and saved together with this and the percentile value. The student factor required for this as a statistical parameter is taken from a dedicated read-only memory.
  • - The procedure described above is repeated for all percentile level values in sufficiently small steps of the exceeding share q, ie expediently either in 0.5% steps or alternatively in the level space in 0.5 dB steps or in the classification steps.
  • - From the stored total of the lower confidence limits of the share value, the microprocessor searches for the confidence limit q u (L) that matches the share value q for the percentile of interest, possibly by interpolation. With this operation q o (L) = q the upper confidence limit L q, o = L of the percentile is found.
  • - From the stored total of the upper confidence limits of the share value, the microprocessor searches for the confidence limit q o (L) that matches the share value q for the percentile of interest, possibly by interpolation. With this operation q o (L) = q the lower confidence limit L q, u = L of the percentile is found.
2. Verfahren zur Bestimmung des Vertrauensbereichs nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die in der Beobachtungsdauer T einstellende Varianz Var q des Über- bzw. Unterschreitungsanteiles (Anteilswert) ergibt zu wobei
ν = Mittlere zeitliche Frequenz der Einzel­ über- bzw. Unterschreitungen des Per­ zentilwertes durch das Schallsignal
sw, su = Standardabweichung der Über-/Unterschrei­ tungsintervalle wi und ui
qw, qu = Über- und Unterschreitungsanteil (qw = qu = 1).
2. A method for determining the confidence interval according to claim 1, characterized in that the variance Var q of the overshoot or undershoot proportion (proportion value) results in the observation period T. in which
ν = mean time frequency of the individual exceeding or falling short of the percentile value by the sound signal
s w , s u = standard deviation of the over / undercut intervals w i and u i
q w , q u = percentage of exceeding and falling short (q w = q u = 1).
3. Verfahren zur Bestimmung des Vertrauensbereichs nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Position der oberen und der unteren Grenze qo und qu des Vertrauensbereichs des durch das Per­ zentil Lq festgelegten Über- bzw. Unterschreitungsan­ teils ergibt anhand von qo - q = q - qu = tf; 1- α /2 [Var q]1/2,wobei
tf; 1- α /2 = Quantil der Studentverteilung bei Freiheitsgrad f = n - 1, mit n = An­ zahl der Einzelüber- bzw. Unter­ schreitungen des Perzentilwertes durch das Schallsignal (zu α s. 4.).
Das Wertetripel q, qo, und wird für alle Anteils­ werte bzw. Perzentilwerte in einer der in Anspruch 1 genannten Schrittweiten abrufbar abgespeichert.
3. A method for determining the confidence interval according to claim 1 and 2, characterized in that the position of the upper and lower limits q o and q u of the confidence interval of the excess or undershoot percentage determined by the percentile L q results from q o - q = q - q u = t f; 1- α / 2 [Var q] 1/2 , where
t f; 1- α / 2 = quantile of the student distribution with degree of freedom f = n - 1, with n = number of individual overshoots or undershoots of the percentile value by the sound signal (for α s. 4.).
The triplet of values q, q o , and is stored for all share values or percentile values in one of the step sizes mentioned in claim 1.
4. Verfahren auf der Grundlage der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Einhaltung einer für die Messung des Perzentils Lq ausreichenden Meß­ dauer bzw. einer ausreichenden Anzahl n von Einzel- Über- bzw. Unterschreitungen des Perzentilwertes durch das Schallsignal geprüft wird anhand des Mindestzahl­ kriteriums n ne = -1; 1- α /2innen (v²u + v²w),wobei
n = Anzahl der beobachteten Über-/bzw. Unterschreitungen
1-α = Signifikanzniveau (α « 1)
qinnen = Größerer der beiden durch Lq erzeug­ ten Anteile der Summenhäufigkeitsver­ teilung der Signal-Momentanwerte
vu = su/, vw = sw/
su, sw = Standardabweichungen,
, = Mittelwerte,
u, w = Variationskoeffizienten.
4. The method on the basis of claims 2 and 3, characterized in that the compliance with a measurement duration sufficient for the measurement of the percentile L q or a sufficient number n of individual overshoot or undershoot of the percentile value is checked by the sound signal is based on the minimum number criterion nn e = -1; 1- α / 2inside (v² u + v² w ), where
n = number of observed over and / or. Shortfalls
1-α = level of significance (α «1)
q inside = Larger of the two components of the total frequency distribution of the instantaneous signal values generated by L q
v u = s u /, v w = s w /
s u , s w = standard deviations,
, = Mean values,
u , w = coefficient of variation.
5. Verfahren zur Bestimmung des Vertrauensbereichs nach den Ansprüchen 1, 2 und 3, dadurch gekennzeich­ net, daß für einen gewählten Überschreitungsanteil q das Perzentil Lq aus der Inversen zu q(L) und die Grenze des Perzentil-Vertrauensbereichs, d. h. die obere Grenze Lq,o und die untere Grenze Lq,u, aus den inversen Funktionen zu den abgespeicherten Funktionen qo(L) und qu(L) durch Abfragen mit Hilfe des Mikropro­ zessors zu Lq, o (q; n, α) = q-1 u (q; n, α)Lq, n (q; n, α) = q-1 o (q; n, α)bestimmt wird.5. A method for determining the confidence interval according to claims 1, 2 and 3, characterized in that for a selected exceeding share q, the percentile L q from the inverse of q (L) and the limit of the percentile confidence interval, ie the upper limit L q, o and the lower limit L q, u , from the inverse functions to the stored functions q o (L) and q u (L) by querying with the help of the microprocessor to L q, o (q; n, α ) = q -1 u (q; n, α) L q, n (q; n, α) = q -1 o (q; n, α). 6. Verfahren auf der Grundlage der Ansprüche 2, 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des Vertrau­ ensbereichs, das heißt der Unterschied V = Lq,o-Lq,u in dB zwischen der oberen und der unteren Vertrauens­ bereichsgrenze des Perzentils, zusammen mit dem Signi­ fikanzniveau 1-α als Qualitätsstandard VS vorgegeben wird und durch Vergleich in mit der Rechengeschwin­ digkeit des Mikroprozessors kompatiblen kurzen Zeit­ abständen von V mit VS während der Messung diese so­ lange fortgesetzt wird, bis die vorgegebene Vertrauens­ bereichsgröße VS gerade unterschritten ist.6. The method based on claims 2, 3 and 5, characterized in that the size of the confidence range, that is, the difference V = L q, o -L q, u in dB between the upper and lower confidence limits of the Percentile, together with the significance level 1-α is specified as the quality standard V S and by comparison in short time intervals of V with V S compatible with the computing speed of the microprocessor during the measurement, this is continued until the predetermined confidence interval variable V S has just fallen below. 7. Verfahren zur Bestimmung des Vertrauensbereichs nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zu der Varianz Var q untersucht wird, ob [Var q]1/2 « 1ist.7. A method for determining the confidence interval as claimed in claims 1 and 2, characterized in that the variance Var q is examined to determine whether [Var q] 1/2 «1. 8. Verfahren zur Bestimmung des Vertrauensbereichs nach Anspruch 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß mittels der Summenhäufigkeitsfunktion L(q) der Schall­ signal-Momentanwerte der Vertrauensbereich in ausrei­ chender Näherung anhand von bestimmt werden kann, wobei die Größe dL/dq die Stei­ gung der Summenhäufigkeitskurve bezeichnet.8. A method for determining the confidence interval according to claim 1 and 7, characterized in that by means of the sum frequency function L (q) the instantaneous sound signal values of the confidence interval in a sufficient approximation based on can be determined, the size dL / dq denotes the slope of the cumulative frequency curve. 9. Verfahren auf der Grundlage der Ansprüche 2 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein nicht zu überschreiten­ der Vertrauensbereich VS zusammen mit dem Signifi­ kanzniveau als Qualitätsstandard der Messung vorgege­ ben und davon ausgehend schon während der Messung die insgesamt erforderliche bzw. noch erforderliche Meß­ dauer vom Mikroprozessor zu hochgerechnet und angezeigt wird.9. The method on the basis of claims 2 and 8, characterized in that a confidence level V S not to be exceeded together with the signifi kanz level as the quality standard of the measurement and starting from this during the measurement the total required or still required measurement from the microprocessor to projected and displayed. 10. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach den einzelnen Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der mit einer konventionellen Schallpegelmeßein­ richtung (1) bis (7) verbundene Analog/Digitalwandler mit seinem Ausgang an einen Mikroprozessor (9) ange­ schlossen ist.
Dem Mikroprozessor angegliedert ist ein Festwertspei­ cher ROM I (19), der Rechenprogramme enthält, die zur Ausführung der in den Ansprüchen 1 bis 9 enthaltenen Aufgaben zur Berechnung und Vergleich von Meßdaten so­ wie zur Steuerung der Messung notwendig sind. Der Fest­ wertspeicher ROM II, 1 KB (20) enthält den statisti­ schen Parameter Studentfaktor. Ein Wahlschalter (21) dient zur Einstellung des gewünschten Signifikanzni­ veaus bei der Bestimmung des Vertrauensbereichs gemäß den Ansprüchen 1, 3 und 5.
Nach dem vollständigen Durchlaufen des vorgegebenen Meßzeitintervalls veranlaßt das in dem Speicher ROM I (19) enthaltene Programm, daß zunächst gemäß Anspruch 2 und 3 für den pegelabhängigen Überschreitungsanteil über den ganzen von der Messung erfaßten Pegelbereich hinweg die Varianz sowie die obere und untere Vertrau­ ensbereichsgrenze bestimmt, (22) bis (29), und in den Meßdatenspeicher (14) eingegeben wird. Der Speicher ROM I (19) enthält das Programm zur Ausführung des An­ spruchs 3, d. h. zur Berechnung und pegelzugeordneten Abspeicherung des Vertrauensbereichs für den Über­ schreitungsanteil.
Mit dem Wahlschalter (30) kann der Überschreitungsan­ teil für das interessierende Perzentil eingestellt werden.
Der Wahlschalter (31) löst über das Programm in (19) die Prüfung auf Einhaltung des Mindestzahlkriteriums gemäß Anspruch 4 auf dem mit Wahlschalter (21) vorzu­ gebenden Signifikanzniveau aus (33), mit Anzeige (16), (17). Der Wahlschalter (37) dient zum Abruf der nach Anspruch 3 ermittelten Vertrauensbereichsgrenzen, um sie über den Anzeigewahlschalter (16) zur Anzeige (17) zu bring­ en.
Der Wahlschalter (30) für den Überschreitungsanteil hat auch die Funktion, das Rechenprogramm zu veranlas­ sen, die Perzentil-Vertrauensbereichsgrenzen gemäß An­ spruch 5 zu berechnen sowie auch die Größe des Vertrau­ ensbereichs und in (14) auf Abruf (16) zur Anzeige (17) bereitzuhalten.
Der Wahlschalter (41) dient zur Eingabe des gewünsch­ ten höchstzulässigen Vertrauensbereiches VS in dB. Das Programm in (19) ist so ausgeführt, daß es gemäß Anspruch 6 mit dem nach dem Ende der gewählten Meßpe­ riode erreichten Vertrauensbereich vergleicht (42), dies auf Abruf (16) anzeigt und entscheidet, ob die Messung beendet (43) oder fortgesetzt wird (44).
Ein weiterer Wahlschalter (45) dient dem Abruf der Anteils­ varianz aus dem Speicher (14) zur Entscheidung (46) gemäß Anspruch 7, ob die Vertrauensbereichsgrenzen auf ver­ einfachte Weise gemäß Anspruch 8 bestimmt (47) und zur An­ zeige (17) gebracht werden sollen oder die Messung fortzusetzen ist (48).
Das Programm ist so gestaltet, daß es prüfen kann, ob der mit dem Wahlschalter (41) vorgegebene höchstzuläs­ sige Vertrauensbereich bereits unterschritten ist (49) oder andernfalls die Messung fortzusetzen ist (51) und gemäß Anspruch 9 die erforderliche Meßdauer TS hochge­ rechnet (52) und zur Anzeige gebracht wird.
10. A device for performing the method according to the individual claims 1 to 9, characterized in that the with a conventional Schallpegelmeßein direction ( 1 ) to ( 7 ) connected analog / digital converter with its output to a microprocessor ( 9 ) is connected.
Associated with the microprocessor is a read-only memory ROM I ( 19 ) which contains computer programs which are necessary for carrying out the tasks for calculating and comparing measured data contained in claims 1 to 9 and for controlling the measurement. The read-only memory ROM II, 1 KB ( 20 ) contains the statistical parameter student factor. A selector switch ( 21 ) is used to set the desired level of significance when determining the confidence interval according to claims 1, 3 and 5.
After completion of the predetermined measurement time interval, the program contained in the memory ROM I ( 19 ) causes the variance as well as the upper and lower confidence limits to be determined for the level-dependent exceedance component over the entire level range detected by the measurement , ( 22 ) to ( 29 ), and is entered into the measurement data memory ( 14 ). The memory ROM I ( 19 ) contains the program for executing claim 3, ie for the calculation and level-associated storage of the confidence interval for the excess portion.
With the selector switch ( 30 ) the exceeding portion can be set for the percentile of interest.
The selector switch ( 31 ) triggers via the program in ( 19 ) the check for compliance with the minimum number criterion according to claim 4 at the level of significance to be specified with the selector switch ( 21 ) ( 33 ), with display ( 16 ), ( 17 ). The selector switch ( 37 ) serves to call up the confidence limits determined according to claim 3 in order to bring them to the display ( 17 ) via the display selector switch ( 16 ).
The selector switch ( 30 ) for the overshoot portion also has the function of causing the computer program to calculate the percentile confidence limits in accordance with claim 5 as well as the size of the confidence interval and in ( 14 ) on call ( 16 ) for display ( 17 ) to keep ready.
The selector switch ( 41 ) is used to enter the desired maximum permissible confidence range V S in dB. The program in ( 19 ) is designed so that it compares ( 42 ) according to claim 6 with the confidence interval reached after the end of the selected measuring period, indicates this on demand ( 16 ) and decides whether the measurement ends ( 43 ) or continues will ( 44 ).
Another selector switch ( 45 ) is used to retrieve the share variance from the memory ( 14 ) to decide ( 46 ) according to claim 7 whether the confidence limits are determined in a simple manner according to claim 8 ( 47 ) and are displayed ( 17 ) or the measurement is to be continued ( 48 ).
The program is designed in such a way that it can check whether the maximum permissible confidence range specified with the selector switch ( 41 ) has already been undershot ( 49 ) or otherwise the measurement is to be continued ( 51 ) and extrapolates the required measuring time T S according to claim 9 ( 52 ) and is displayed.
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