Dustin Selbach, Jan Selzer, André Fiebig
Untersuchung zur Sprachverständlichkeit bei
Schulkindern unter Variation der tieffrequenten
Nachhallzeit
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Selbach, D.; Selzer, J.& Fiebig, A. (2022): Untersuchung zur Sprachverständlichkeit bei Schulkindern unter
Variation der tieffrequenten Nachhallzeit. In: AIA-DAGA 2022 : proceedings of the International Conference on
Acoustics. Berlin: Deutsche Gesellschaft für Akustik e.V. pp. 1037-1040.
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Untersuchung zur Sprachverst¨
andlichkeit bei Schulkindern unter Variation der
tieffrequenten Nachhallzeit
Dustin Selbach1, Jan Selzer2, Andr´e Fiebig3
1Fachgebiet Audiokommunikation, TU Berlin, 10587 Berlin, Deutschland, Email: d.selbach@campus.tu-berlin.de
2Institut f¨
3Fachgebiet Technische Akustik, TU Berlin, 10587 Berlin, Deutschland, Email: andre.fiebig@tu-berlin.de
Einleitung
An Unterrichtsr¨
aume werden hohe Anforderungen an
die Nachhallzeit (NHZ) gestellt [1]. Studien zeigen, dass
Sprachverstehen von Kindern und die NHZ im Raum in
einem direkten Zusammenhang stehen [2, 3]. In den ge-
nannten Studien werden mittlere NHZ (z. B. Mittelwert
der NHZ aus den Oktaven zwischen 250 Hz - 2 kHz [3])
herangezogen. Studien zum Einfluss von tieffrequentem
Nachhall auf die Sprachverst¨
andlichkeit (SV) unter An-
wendung von H¨
orversuchen sind wenige bekannt [4, 5].
Keine der genannten Studien bezieht Kinder als maß-
gebendes Auditorium in Bildungsst¨
atten, und im Ver-
gleich mit Erwachsenen st¨
arker beeinflussten Gruppe [2],
in die H¨
orversuche ein. Um auf diesem Gebiet weitere Er-
kenntnisse zu sammeln, wurde ein H¨
orversuch mit Kin-
dern realisiert, in dem systematisch die NHZ in den Ok-
tavb¨
andern 125 Hz und 250 Hz variiert wurde.
Stand der Technik und Forschung
Zum Stand der Technik sind maßgeblich die Regelwerke
ASR A3.7 [6] sowie die DIN 18041 [1] zu nennen. Anzu-
merken ist, dass f¨
ur Unterrichtsr¨
aume beide Regelwerke
identische Anforderungen an die mittlere Soll-NHZ stel-
len. Verschieden sind die Anforderungen im zu betrach-
tenden Frequenzbereich. W¨
ahrend die ASR A3.7 sich auf
die Oktavb¨
ander zwischen 250 Hz - 2000 Hz beschr¨
ankt,
erweitert die DIN 18041 diese Anforderungen f¨
ur den Ok-
tavbereich von 125 Hz - 4000 Hz. In den durch die ASR
A3.7 abgedeckten Oktaven sind Toleranzen von ±20 % in
beiden Regelwerken vorgesehen, in den ¨
ubrigen Oktaven
sind in DIN 18041 auch gr¨
oßere Abweichungen zul¨
assig
(vgl. hierzu Abb. 2).
Beide Regelwerke weisen darauf hin, dass im Kontext ei-
ner inklusiven P¨
adagogik verk¨
urzte NHZ erforderlich sei-
en. Im Gegensatz zur ASR A3.7 formuliert die DIN 18041
konkrete Anforderungen f¨
ur Inklusion.
Um die Vergleichbarkeit mit dem staatlichen Regelwerk
beizubehalten, wird Gleichung 1 zur Berechnung von
Soll-NHZ f¨
ur Unterrichtsr¨
aume herangezogen [1, 6].
TSoll =0.32 lg V
m3
−0.17s (1)
Yang et al. zeigen, dass Kinder im Grundschulalter ge-
ringere SV erreichen als Erwachsene [2]. Weiterhin wur-
de dargelegt, dass der Einfluss der NHZ auf die SV in
R¨
aumen mit zunehmenden Alter sinkt [2].
Demnach wird unterstellt, dass innerhalb der Zielgruppe
der j¨
ungeren Klassenstufen gr¨
oßere Beeintr¨
achtigungen
durch ¨
Anderungen im spektralen Verlauf der NHZ zu er-
warten sind.
Studien, die explizit tieffrequenten Nachhall auf die SV
untersuchen, zeigen, dass das Oktavband um 250 Hz das
Sprachverstehen beeinflussen kann [4, 5, 7]. Wu et al. zie-
hen zur Beschreibung des tieffrequenten Nachhalls das
Bassverh¨
altnis (BR):
BR =T125 Hz +T250 Hz
T500 Hz +T1000 Hz
(2)
heran und zeigen einen signifikanten Zusammenhang zwi-
schen SV und BR [5]. Reents und Ala kommen in ihren
Untersuchungen zu dem Schluss, dass die NHZ im Oktav-
band um 250 Hz Effekte auf die SV aus¨
uben kann. Einen
Einfluss durch der NHZ in den Oktaven <250 Hz auf die
SV kann in den Studien nicht signifikant nachgewiesen
werden [4, 7].
Methoden
Der Großteil der vorgestellten Studien bedient sich raum-
akustischer Simulationen [2, 4, 5, 7], welche den Vorteil
haben kosteng¨
unstig beliebige Zielkonditionen herzustel-
len. Aus dem genannten Grund wird ebenfalls von dieser
M¨
oglichkeit Gebraucht gemacht. Die SV wird unter Ver-
wendung des Oldenbuger Kinderreimtests (OLKI) [8] in
einer Stichprobe der f¨
unften Klasse (n= 23, ∅10.2 Jahre
σ= 0.4) gemessen.
Raumakustische Simulationen
Klatte et al. berichten in ihrer Untersuchungen ein
durchschnittliches Raumvolumen von 231 m3, wohinge-
gen Yang et al. sich auf ein Raumvolumen von 198 m3
berufen [2, 3]. In Verbindung mit den Empfehlungen
der DGUV Information 202-090 [9] wurden die Raum-
dimensionen zu 9.6 m ×7.5 m ×3.0 m = 216 m3fest-
gesetzt. In Abbildung 1 ist der modellierte Klassenraum
dargestellt. Zur Berechnung der Impulsantwort wird die
Schallquelle im Abstand von 3.75 m zur Fensterband-
wand, 1.24 m vor der Tafelwand und in einer H¨
ohe von
1.60 m positioniert. Zur Ber¨
ucksichtigung einer Richtcha-
rackteristik der Quelle wurde eine Sopranistin angenom-
men [10], da f¨
ur Sprecher keine Daten verf¨
ugbar waren.
Als Empf¨
angerposition ist der freie Platz in der zwei-
ten Tischreihe am Fenster gew¨
ahlt worden. Dieser liegt
im Abstand von 1.625 m von der Fensterbandwand, und
5.71 m von der Tafelwand entfernt. Die H¨
ohe wurde mit
0.80 m angesetzt.
Die Außenohr¨
ubertragungsfunktion (HRTF) von Kin-
dern weicht deutlich von denen der Erwachsenen ab [11].
Im Kontext tiefer Frequenzen treten interaurale Lauf-
zeitdifferenezen (ITD) in den Fokus. Um Wiedergabe-
DAGA 2022 Stuttgart
1037
Kind auf Stuhl
Absorber
Regal
Kindertisch
Lehrertisch
T¨
ur
Fensterband
Tafel
Abbildung 1: Einsicht in den modellierten Klasssenraum
fehler zu reduzieren wurden die ITD anhand individuel-
ler, anthropometrischer Daten der Probanden angepasst.
Grundlage der Anpassung ist das in [12] beschriebene
Modell, welches bereits in anderen Untersuchungen er-
folgreich eingesetzt wurde [13]. Die Basis der Anpassung
ist der vollst¨
andige HRTF-Datensatz des durch Schmitz
entwickelten Kunstkopfes [14].
Zur Berechnung der binauralen Raumimpulsantwort
(BRIR) wurde RAVEN verwendet, welches Spiegelschall-
quellen und RayTracing verbindet [15]. In dieser Arbeit
wurden Spiegelschallquellen 2. Ordnung sowie 50000 Par-
tikel zur Berechnung der Impulsantwort verwendet. Die
Raumtemperatur wurde mit 21◦C ber¨
ucksichtigt. Als in-
itiale Absorptions- und Streugrade wurden Kennwerte in
Anlehnung an die DIN 18041 [1] herangezogen.
Um den Einfluss der Nachhallzeit der zu untersuchen-
den Oktavb¨
ander durch einen H¨
orversuch zu ermitteln,
sind Variationen erforderlich. In Anlehnung an Wu et al.
wird das BR zur Beschreibung dieser Variationen her-
angezogen. F¨
ur die mittleren Oktaven werden die An-
forderungen der Raumgruppe A3 festgesetzt: T500 Hz =
T1000 Hz =TSoll,A3. In den Oktaven um 125 Hz und 250 Hz
wird systematisch variiert. Ziel ist eine konstante Schritt-
weite von ∆BR = 0.2 um den ausgeglichen Verlauf von
BR = 1.0. Abbildung 2 dokumentiert die resultierenden
Zielwerte. Die BRIR wurden mithilfe des Filters der FA-
BIAN Datenbank [16] f¨
ur den verwendeten Kopfh¨
orer
Audio-Technica ATH M50x entzerrt.
H¨
orversuch
Zur Erfassung der SV mittels H¨
orversuch kommt der eva-
luierte OLKI [8] zum Einsatz, welcher bereits in fr¨
uheren
Untersuchungen verwendet wurde [3]. Im Kontext der
zum Zeitpunkt der Datenaufnahme vorherrschenden pan-
demischen Lage ist der H¨
orversuch in der Schule durch-
gef¨
uhrt worden, um notwendige Bewegungen auf ein Min-
destmaß zu reduzieren. Die Messung der SV erfolgte im
St¨
orger¨
ausch, mit einem Signal-Rausch-Abstand (SNR)
von −2 dB. In Vorversuchen wurde festgestellt, dass hier-
durch die SV im ¨
uberschwelligen Bereich zu erwarten
ist und gleichzeitig die SV ausreichend beeintr¨
achtigt
wird, sodass ¨
Anderungen durch die Raumakustik sicht-
bar in Erscheinung treten k¨
onnen. Die SV wird, entspre-
chend der Empfehlungen des OLKI, aus Testlisten mit
12 Antworten ermittelt [17, S. 35]. Die Umsetzung er-
folgt unter Verwendung der Oldenburger Messprogram-
1,2
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2 250 500125 1000 2000 4000
Tin [s]
fin [Hz]
BR = 0,6
BR = 0,8
BR = 1,0
BR = 1,2
BR = 1,4
BR = 1,6
Toleranz
Zielnachhallzeiten der Simulationen
Abbildung 2: Zielwerte des spektralen Verlaufs der Nach-
hallzeit f¨
ur die Simulationen mit Darstellung der zul¨
assigen
Toleranzen nach DIN 18041:2016 f¨
ur die Raumgruppe A3
nach [1].
me R&D (OMA). Sprach- und St¨
orsignal werden hierbei
mit der BRIR gefaltet. Die Kalibrierung erfolgte inner-
halb der Messumgebung unter Verwendung eines Kunst-
kopfes (HEAD acoustics HSU III.2) f¨
ur den linken Kanal
der Kondition BR = 0.6 und ist anschließend auf den
rechten Kanal sowie die ¨
ubrigen Situationen ¨
ubertragen
und kontrolliert worden. Zur Kalibrierung wurde ein
Rauschsignal mit 80 dB eingesetzt. Die Kalibrierung der
Zielpegel erfolgte in Vorbereitung zum Versuchsaufbau
und wurde vor Ort stichprobenartig ¨
uberpr¨
uft. Als So-
undkarte kam die durch die Entwickler der Software emp-
fohlene ESI MAYA22 USB zum Einsatz [17].
Vor Versuchsdurchf¨
uhrung sind s¨
amtliche vorkommende
Begriffe im Klassenverband spielerisch erarbeitet wor-
den. W¨
ahrend der Durchf¨
uhrung des H¨
orversuchs wur-
de den Kindern ausschließlich das Antwortfenster des
OLKI auf einem separaten Bildschirm gezeigt. Unge-
nutzte Monitorbereiche werden mit schwarzem Hinter-
grund pr¨
asentiert. Eine Computermaus kommt als Ein-
gabewerkzeug zum Einsatz, w¨
ahrend die Stimuli ¨
uber
Kopfh¨
orer dargeboten werden. Das Studiendesign wur-
de durch die Ethikkommission der TU Berlin als ethisch
unbedenklich eingestuft.
In Abbildung 3 ist der Aufbau im Klassenraum
w¨
ahrend der ¨
Uberpr¨
ufung dargestellt. Weiterhin konn-
te in Vorversuchen festgestellt werden, dass vereinzel-
te VP Auff¨
alligkeiten in der Bearbeitung aufwiesen und
sich Trainingseffekte einstellten. Um die VP an den Ver-
such zu gew¨
ohnen wurde die Testliste 1 mit der Kondi-
tion BR = 1.0 belegt. ¨
Uber die folgenden 6 Listen (2-7)
wurden randomisiert die akustischen Bedingungen darge-
boten. Zur Erfassung großer Auf¨
alligkeiten, welche zum
Ausschluss der Auswertung f¨
uhren, wurden die Kriterien
nach Gleichung 3 angesetzt:
Ausreißer =
SV < 33,3 % −σ
SV < 33,3 % + σ
SV < 33,3 %
(3)
DAGA 2022 Stuttgart
1038
Abbildung 3: H¨
orversuchsaufbau in der Schule w¨
ahrend
stichporbenartiger ¨
Uberpr¨
ufung der Kalibrierung
Der gemessene Wert der SV in jeder Liste wird mit
der Ratewahrscheinlichkeit (Rw = 33.3 %) abz¨
uglich der
Standardabweichung (σ) verglichen, um sicherzustellen,
dass jede Liste ausreichend konzentriert bearbeitet wur-
de. Erreicht eine Versuchsperson (VP) in keiner Liste die
Rw, korrigiert um σ, wird unterstellt, dass grunds¨
atzlich
geraten werden musste. Ebenso wird gefordert, dass die
mittlere SV ¨
uber alle Testlisten oberhalb der Rw liegt,
um sicherzustellen, dass ¨
uberschwellige Reize vorliegen.
Die Auswertung der Daten erfolgte in RStudio.
Ergebnisse
Im Boxplot in Abbildung 4 ist das BR, ermittelt aus
der monauralen RIR, ¨
uber die Kategorien der Zielwerte
aufgetragen. Es sind deutlich abgrenzbare Kategorien er-
kennbar. Hinsichtlich potentieller Trainingseffekte konnte
0.9
1.2
1.5
1.8
0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6
BRSOLL
BRIST
Abbildung 4: Abh¨
angigkeit des BR, ausgewertet aus der
monauralen RIR von den zuvor gesetzten Zielkategorien am
Ort des H¨
orenden. Durch •ist die einzelne RIR dargestellt.
Die X-Achsenverschiebung der Punkte dient lediglich der
¨
ubersichtlicheren Darstellung.
unter Verwendung des Friedman-Tests kein signifikanter
Unterschied zwischen den Testlisten festgestellt werden
(χ2(6) = 10.6, p = 0.10, n = 23). Durch die Kriterien
f¨
ur Ausreißer wird eine VP weniger erkannt, wenn die
Testliste 1 aus der Analyse entfernt wird. Demnach sind
f¨
ur eine VP Trainingseffekte zu unterstellen, sodass in
der weiteren Datenauswertung lediglich die Testlisten 2-7
ber¨
ucksichtigt sind. Insgesamt sind drei VP aus der Da-
tenauswertung entfernt worden. Zwei davon wurden als
Ausreißer erfasst. F¨
ur eine VP lagen nicht f¨
ur s¨
amtliche
Konditionen Antworten vor.
In Tabelle 1 sind die Ergebnisse der Post-hoc Analyse
unter Anwendung eines gepaarten Wilcoxon-Tests mit
Bonferroni-Korrektur angegeben. Hierbei konnte kein si-
gnifikanter Unterschied zwischen den Gruppen festge-
stellt werden.
Tabelle 1: Ergebnisse der Post-hoc Analyse (gepaarter
Wilcoxon-Test mit Bonferroni-Korrektur) der gemessenen
Sprachverst¨
andlichkeit in Zuordnung der Ziel-Kategorien
(n= 20)
Gruppe 1 Gruppe 2 W p pkorr
BR = 0.6 BR = 0.8 93.0 0.447 1
BR = 0.6 BR = 1.0 60.0 1 1
BR = 0.6 BR = 1.2 86.0 0.731 1
BR = 0.6 BR = 1.4 63.0 0.814 1
BR = 0.6 BR = 1.6 39.5 0.430 1
BR = 0.8 BR = 1.0 76.5 0.466 1
BR = 0.8 BR = 1.2 42.5 0.192 1
BR = 0.8 BR = 1.4 51.5 0.244 1
BR = 0.8 BR = 1.6 46.5 0.162 1
BR = 1.0 BR = 1.2 91.0 0.613 1
BR = 1.0 BR = 1.4 54.5 0.498 1
BR = 1.0 BR = 1.6 46.5 0.729 1
BR = 1.2 BR = 1.4 69.0 0.739 1
BR = 1.2 BR = 1.6 62.5 0.795 1
BR = 1.4 BR = 1.6 71.0 0.896 1
Weiterhin wurde unter Einbezug des BR aus den mo-
nauralen RIR ein Random-Intercept-Model mithilfe des
lmer-Pakets berechnet [18]. Das Modell wird durch Glei-
chung 4 beschrieben:
Yij =β0j+β1Xij +eij (4)
mit: Yij : durch das Modell prognostizierte SV
β0j=β0+u0j: Y-Achsenabschnitt
u0j∼N(0,σ2
u0) : zuf¨
alliger Schnittpunkt
β1: Steigung
Xij :fixed Effekt; hier BR
j: Clustervariable; hier VP
i: Anzahl der Beobachtungen f¨
ur jede VP
In Abbildung 5 sind die erfassten SV in Abh¨
angigkeit des
BR aufgetragen. Allgemein liegen die ermittelten Sprach-
verst¨
andlichkeiten im ¨
uberschwelligen Bereich. Weiter-
hin ist die Regressionsgerade eingezeichnet. Die Analyse
zeigt, dass durch das BR im errechneten Model eine sta-
tistisch nicht signifikante (p= 0.19) Varianzaufkl¨
arung
von R2
m= 1.2 % erm¨
oglicht wird und best¨
atigt damit die
Ergebnisse der Post-hoc Analyse. Weiterhin wurde ein
R2
k= 18.9 % ermittelt, welches sich aufgrund der Unter-
schiede zwischen den Teilnehmenden erkl¨
art.
Diskussion und Ausblick
Wie Abbildung 4 verdeutlicht, ist ein breiter Bereich
im BR durch das Versuchsdesign abgedeckt worden. Die
durch den OLKI erfasste SV zeigte in dieser Untersu-
chung keinen signifikanten Zusammenhang zwischen BR
und SV. Die Ergebnisse sind damit konsistent mit den Er-
DAGA 2022 Stuttgart
1039
40
60
80
0.75 1.00 1.25 1.50 1.75
BR
Sprachverst¨
andlichkeit in %
VPN
43
44
45
46
47
49
50
51
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
Abbildung 5: Ermittelte Sprachverst¨
andlichkeiten in
Abh¨
angigkeit des BR. In Rot dargestellt das Ergebnis des
Linear-Mixed-Models.
gebnissen des Reimtests in der Untersuchung von Reents
[4], obwohl die besonders vulnerable Gruppe der Kinder,
die als sensitiver f¨
ur raumakustische ¨
Anderungen ange-
nommen werden, f¨
ur den H¨
orversuch herangezogen wur-
den.
W¨
ahrend im hier vorgestellten Verfahren 12 Abfragen
je Kondition durchgef¨
uhrt wurden, berichtet Wu von 25
Abfragen [5] und findet systematische Effekte bei Pro-
banden in der Altersgruppe der 19-21 J¨
ahrigen. Im Kon-
trast dazu werden durch Reents 10 Abfragen f¨
ur jede
Kondition berichtet und mittels Paarvergleich systema-
tische Effekte im Oktavband um 250 Hz gefunden. Dem-
nach wird angenommen, dass die Nutzung der 24 Abfra-
gen je Testliste im OLKI das Potential hat entsprechende
Effekte genauer aufzukl¨
aren.
Folgeuntersuchungen erscheinen notwendig, um al-
tersabh¨
angige Aussagen hinsichtlich des Einflusses von
tieffrequentem Nachhall treffen zu k¨
onnen sowie den Ein-
fluss der absoluten Nachhallzeit mit variierendem BR zu
untersuchen.
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