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Hörempfindung
Psychoakustik
Die Psychoakustik befasst sich mit der Beschreibung der Zusammenhänge zwischen unserem Hörempfinden und den physikalischen Eigenschaften akustischer Reize. Diese Zusammenhänge werden durch die Anwendung von Techniken der experimentellen Psychologie hergestellt. Bei einer großen Zahl von Hörern wird die statistische Reaktion auf klar definierte Reize festgestellt, ohne jedoch zu versuchen, die genauen Wirkmechanismen des Ohrs zu erklären.
Bei den Reizen handelt es sich um Sinustöne, Zufallstöne, Sprache etc. Die Reaktionen der Hörer sollen zeigen, ob ein Ton hörbar ist oder nicht, ob es Modifikationen beim Hörempfinden gibt oder nicht, und anhand der Reaktion sollen außerdem die wahrgenommenen Töne einer Skala zuzuordnen sein etc.
Die Art des Hörens ist von großer Bedeutung und ist genau zu spezifizieren. Es wird unterschieden zwischen dem Hören mit Kopfhörern, dem Hören unter Freifeldbedingungen und dem Hören in einem diffusen oder semi-diffusen Schallfeld. Ein umfangreiches Angebot an Tonbeispielen, die die meisten in Folgenden aufgeführten psychoakustischen Effekte abdecken, finden Sie hier.
Das Hörfeld
Die Frequenzen und Schallpegel hörbaren Schalls sind als Hörfeld bekannt. Das Hörfeld wird im unteren Bereich durch die Hörschwelle und im oberen Bereich durch die Schmerzschwelle bestimmt. Für jeden Hörer ist die Hörschwelle der niedrigste Schalldruckpegel, der gerade noch zu einem Hörempfinden führen kann. Es wird davon ausgegangen, dass Schall, der das Ohr aus anderen Quellen, beispielsweise aus der Knochenstruktur, erreicht, zu vernachlässigen ist. Die Schmerzschwelle ist für jeden Hörer der niedrigste Schalldruckpegel, der im Ohr ein echtes Schmerzempfinden hervorruft.
Im Frequenzbereich von 2 bis 4 kHz, in dem das Ohr am empfindlichsten ist, liegt der dynamische Bereich, der dem Unterschied zwischen der Schmerzschwelle und der Hörschwelle entspricht, bei etwa 140dB.
Unser Hörvermögen verschlechtert sich normalerweise mit zunehmendem Alter – dieses Phänomen wird als Presbyakusis oder Altersschwerhörigkeit bezeichnet. Diese Entwicklung macht sich durch einen Hörverlust bemerkbar, d.h. die Dezibel-Zahl, bei der die Hörschwelle des beeinträchtigten Ohrs über der Standardhörschwelle für eine bestimmte Frequenz liegt, steigt an. Die Altersschwerhörigkeit ist bei Männern ausgeprägter als bei Frauen. Dies lässt sich dadurch erklären, dass wir während unseres Lebens in unterschiedlichem Masse Lärm ausgesetzt sind. Es wurde nachgewiesen, dass eine lang andauernde Lärmbelastung, beispielsweise am Arbeitsplatz, den degenerativen Alterungsprozess unseres Hörvermögens beschleunigt und einen schneller fortschreitenden Hörverlust verursacht, als das unter normalen Umständen der Fall wäre. Ein Hörverlust von etwa 25 dB kann zu einer merklichen Verschlechterung der Spracherkennung führen.
Lautheit
Lautheit ist die Größe des Hörempfindens, die Schallereignisse einer Skala von leise nach laut zuordnet. Sie hängt vor allem vom Schalldruckpegel des Reizes ab, wird aber auch von der Frequenz, der Wellenform und der Dauer beeinflusst.
Lautheit wird durch gehörrichtige Lautstärke-Kurven beschrieben(siehe Abbildung unten), die die miteinander verbundenen Werte für den Schalldruckpegel und die Frequenz darstellen, die erforderlich sind, um einen vorgegebenen Lautheitspegel zu erreichen. Die gehörrichtigen Lautstärke-Kurven hängen vom Reiz und von der Art des Hörens ab.
Allgemein gilt, dass der Lautstärkepegel eines Schalls in Phon dem Schalldruckpegel einer fortschreitenden Welle mit der Frequenz von 1000 Hz entspricht , die von Hörern mit normalem Hörvermögen, die der Schallquelle zugewandt sind, als gleich laut wie der unbekannte Schall bewertet wird.
Tonhöhe
Die Tonhöhe ist eine Eigenschaft des Hörempfindens, bei der Töne auf einer Skala, beispielsweise auf der psychoakustischen Skala, von tief nach hoch eingeordnet werden. Die Tonhöhe erlaubt uns, eine Melodie zu erkennen. Die Tonhöhe eines Sinustons hängt vor allem von der Frequenz ab, und zwar nichtlinear, allerdings hat auch der Schalldruck einen Einfluss. Die Tonhöhenempfindung ist stark personenabhängig.
Bei einem harmonischen Klang ist die Tonhöhe praktisch der Grundton, selbst wenn dieser nicht vorhanden ist. Unser Ohr reagiert also empfindlich auf die Frequenzintervalle zwischen Harmonischen. Anzumerken ist, dass die Tonhöhe auch von der Amplitude der Harmonischen abhängt. Wenn bestimmte Harmonische beispielsweise durch Filter entfernt werden, ändert sich die Tonhöhe.
Die Tonhöhe atonaler Geräusche hängt von der Amplitude der vorhandenen Sinustöne und ihrer Frequenzintervalle ab. Die Tonhöhe von Zufallstönen hängt wiederum vom Frequenzbereich ab, innerhalb dessen die Bestandteile relativ große Amplituden haben. Bestimmte Geräusche bestehen aus mehreren Formant-Frequenzen. Das bedeutet, dass die Tonhöhe unklar ist. Das Filtern von perkussiven Klängen (zum Beispiel Xylophon) ändert ebenso ihre Tonhöhe.
Harmonische Tonhöhe
Neben der oben definierten Tonhöhe als psychoakustische Skala gibt es eine harmonische oder musikalische Tonhöhe, die einer logarithmischen Frequenzskala entspricht. Die harmonische Tonhöhe westlicher polyphoner Musik und anderer traditioneller Musik basiert auf Oktaven. Zwei Töne mit einem Oktavabstand werden als ähnlich empfunden oder scheinen ineinander überzugehen, unabhängig davon, ob sie gleichzeitig oder nacheinander gehört werden. Das oktavische Unisono von Stimmen oder Instrumenten besteht darin, dass sie dieselbe Melodie spielen, jedoch eine oder mehrere Oktaven höher oder niedriger. Nur eine einzige Melodie wird gehört.
Wenn zwei Töne mit einem Oktavintervall als gleichwertig betrachtet werden, führt dies zu einer relativen musikalischen Tonhöhe, was bedeutet, dass sich das Intervall zwischen diesen zwei Tönen auf dieselbe Oktave bezieht.
Die harmonische Tonhöhe bildet nur für Hörer mit einem musikalischen Gehör eine auditive Skala. Ein Hörer mit absolutem Gehör für die Tonhöhe ist in der Lage, die harmonische Tonhöhe jedes einzelnen Tons zu erkennen. Dies scheint eine angeborene Fähigkeit zu sein. Das Ohr kann jedoch auch dadurch trainiert werden, dass für ein bestimmtes Instrument jeder Note die Tonhöhe und das Timbre zuordnet werden. Das relative musikalische Gehör erkennt das Intervall zwischen zwei gleichzeitig oder aufeinanderfolgend gehörten Tönen. Dies ist für Musiker von entscheidender Bedeutung. Durch Gehörbildung kann diese Fähigkeit verbessert werden.
Timbre (Klangfarbe)
Timbre ist die Eigenschaft des Hörempfindens, die den Hörer in die Lage versetzt, zu erkennen, dass zwei Töne, die auf ähnliche Weise präsentiert werden und die die gleiche Lautheit und Tonhöhe haben, doch verschieden sind. Timbre hängt primär vom Schallspektrum aber auch von der Bildung und Auflösung von Transienten (sehr schnelle Variationen der Amplitude) ab.
Für Psychoakustiker, die das subjektive Hörempfinden des Menschen untersuchen, ist das Timbre oft so etwas wie eine Trödelschublade. Wenn also zwei Töne der gleichen Lautstärke und Tonlage als unterschiedlich wahrgenommen werden, muss ihr Timbre unterschiedlich sein. Eine mehr oder weniger angenehme Färbung wird oft mit dem Timbre in Verbindung gebracht. Timbre wird mit subjektiven Begriffen und Bezeichnungen beschrieben, die auch im Verbindung mit der Malerei verwendet werden, wie zum Beispiel warm, kalt, rund, durchdringend, scharf, strahlend, dumpf, etc. In der Musik bezieht sich Timbre vor allem auf die Töne verschiedener Instrumente, die damit auseinander gehalten werden können. Timbre ist jedoch mehr als dies, denn die Art und Weise, wie ein Ton erzeugt wird oder anders ausgedrückt, wie man ihn spielt, bestimmt das Timbre.
Die Musikalität eines Tons und umgekehrt der Geräuschcharakter eines Ton ist mit dem Timbre verbunden. Ersteres ist angenehm, letztes unangenehm. Allgemein gesprochen ist ein harmonischer Ton musikalischer als ein Zufallston. Deshalb wird Lärm oft als komplexer unharmonischer oder zufälliger Schall definiert.
Konsonanz und Dissonanz
Wenn ein Hörer gleichzeitig zwei Sinustöne hört, so hinterlassen diese, sobald die Frequenzunterschiede etwa bei 6 bis 8 Hz liegen, bei ihm einen unangenehmen oder undefinierten Eindruck, der als Dissonanz bekannt ist. Die Dissonanz ist am stärksten bei einem Intervall, das sich einem temperierten Halbton annähert.
Wenn das Intervall zwischen zwei Tönen aus einer "glatten" Zahl von Oktaven besteht, verschwindet die Dissonanz und wird durch die Konsonanz ersetzt, die einen Eindruck des Wohl- und Zusammenklangs vermittelt. Die beiden Töne scheinen eins zu werden, als wenn sie unison wären, d.h. dieselbe Frequenz hätten.
Wenn man gleichzeitig harmonische Töne oder Tonreihen anhört, empfindet man diese Konsonanz auch, wenn das Verhältnis ihrer Grundtöne ein einfacher Bruch ist. Diese Eigenschaft lässt sich durch die Existenz von Harmonischen erklären. Je größer die Anzahl, umso besser die Konsonanz. Umgekehrt ist eine Dissonanz umso ausgeprägter, je weniger Harmonische es gibt und je kleiner die Unterschiede zwischen den anderen vorhandenen Harmonischen (Rhythmus und Rauheit) sind.
Musikalische Intervalle können nach abnehmender Konsonanz klassifiziert werden. Aufeinanderfolgend gibt es: Prime (1:1), Oktave (n:1), reine Quinte (3:2), große Terz (5:4), reine Quarte (4:3) etc. Das Intervall große Septime (15:8) wird als am dissonantesten empfunden.
Schlussendlich bleibt noch darauf hinzuweisen, dass Konsonanzen und Dissonanzen stark von den musikalischen Erfahrungen des einzelnen und ganz allgemein von der musikalischen Kultur abhängen.
Maskierungseffekt
Wenn man zwei Töne mit unterschiedlichem Schallpegel hört, ist ein Maskierungseffekt zu beobachten. Der intensivere Maskierungston verursacht eine Verringerung der Lautstärke des weniger intensiven maskierten Tons - verglichen mit seiner Lautstärke bevor der Maskierungston auftrat.
Die Maskierung (auch Verdecken genannt) hängt von den Merkmalen der vorhandenen Töne und von der Art des Hörens ab. Der Effekt wird erforscht, indem man feststellt, wie stark die Hörschwelle beim maskierten Ton durch die Anwesenheit des maskierenden Tons angehoben wird.
Diese Verhaltensweise des menschlichen Hörens wurde berücksichtigt, als man den Kompressionsalgorithmus zur Vermeidung von Qualitätsverlusten bei digitalen Audioformaten wie zum Beispiel MP3-Dateien definierte. Ein linearer Audio-Stream wie der einer Audio-CD hat eine Bitrate von 1411 kbps. Eine typische Internet-MP3-Datei hat eine Bitrate von 128 kbps. Dies erfordert eine Kompressionsrate von ungefähr 11:1. Wie ist das möglich, ohne Informationen zu verlieren? Gar nicht. Wie ist es also möglich, bei Verlust von Informationen die Tonqualität auf einem akzeptablen Niveau zu halten? Eine Antwort ist ganz einfach: Man macht sich den Maskierungseffekt zunutze. Das bedeutet, dass man einige Signale bzw. Teile von Signalen fallen lässt, die unser Gehirn sowieso maskiert oder verdeckt hätte.
Lokalisation
Lokalisation ist die Fähigkeit, eine Schallquelle im Raum zu erkennen. Dies ist nur bei binauralem Hören möglich, d.h. beim Hören mit beiden Ohren. Auf der Horizontalebene ist die Lokalisation relativ exakt, sobald aber ein Einfallswinkel und eine Entfernung hinzukommen, ist die Fähigkeit zu lokalisieren eher mittelmäßig ausgeprägt. Zwei Phänomene erläutern die horizontale Schallquellenlokalisation:
- Der Unterschied des Schalldrucks zwischen den beiden Ohren aufgrund der Diffraktion im Kopf;
- Der Unterschied des Schallweges zwischen der Quelle und den Ohren
Der Kopf bildet ein Hindernis für die Übertragung des Schalls und bestimmt einen Schallschatten für Töne, deren Wellenlänge kleiner sind als ihre Dimensionen. Bei einer seitlichen Quelle besteht also ein Lautstärkenunterschied zwischen den beiden Ohren, der es ermöglicht, die Quelle zu lokalisieren. Dieses Phänomen tritt nur über ca. 400Hz auf.
Da die Diffraktion von der Frequenz abhängt, wird das Timbre eines komplexen Schalls je nach der Position der Quelle modifiziert. Damit ergibt es eine weitere Möglichkeit, die Quelle zu lokalisieren. Voraussetzung ist hier, dass genügend Wissen über die Veränderung des Timbres durch die Richtung der Quelle erworben wurde. Diese Fähigkeit hängt somit von der Erfahrung des einzelnen ab.
Die unterschiedlichen Schallwege verursachen einen Laufzeitunterschied, der Schall erreicht das jeweilige Ohr zu unterschiedlichen Zeiten. Bei stationärem Zustand entspricht dieser Unterschied einer Phasenverschiebung. Letztere erlaubt die Lokalisation der Schallquelle nur, wenn sie weniger als seine halbe Wellenlänge beträgt. Dies gilt für Frequenzen unterhalb von 800Hz.
Experimente im Zusammenhang mit der Lokalisierung von Schallquellen, insbesondere Experimente, die mit Kopfhörern durchgeführt wurden, zeigen, dass der Mensch in der Lage ist, Zeitlaufunterschiede von etwa 10 Mikrosekunden wahrzunehmen. Die normale Wahrnehmungsschwelle, d.h. das normale Unterscheidungsvermögen, liegt bei etwa 40 Mikrosekunden.
Die oben beschriebenen Phänomene verbinden sich und ermöglichen, bei steigender Komplexität der Töne die Schallquelle mit steigender Genauigkeit zu lokaliseren. Bei Niedrigfrequenz-Sinustönen besteht Unklarheit bezüglich der Lokalisationsrichtung vorn oder hinten. Der Zeitlaufunterschied allein reicht in diesem Fall nicht aus, die Schallquelle korrekt zu lokalisieren.
Die Lokalisation in Bezug auf einen Einfallswinkel kann durch die Diffraktion verursacht durch den Kopf, vor allem aber durch die Ohrmuschel, erklärt werden. Diese Diffraktion verursacht Höhen und Tiefen im Spektrum des einfallenden Schalls und führt daher zu Timbre-Unterschieden. Es scheint tatsächlich der Fall zu sein, dass Menschen in hinreichendem Masse Hörerfahrungen erwerben, um diese Timbre-Unterschiede mit verschiedenen Einfallswinkeln in Verbindung zu bringen.