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Auditive Wahrnehmung, Psychologie des Hörens

1. Schall als Gegenstand der auditiven Wahrnehmung

Gegenstand der Auditiven WN: Wahrnehmung von Schall (Umweltreize), die man mit den Ohren wahrnehmen kann (mit dem auditiven Wahrnehmungssystem ) - wahrnehmung allgemein --> Wahrnehmung von Schall In der Auditiven WN betrachten wir (interessiert uns) als Schall nur jenen, den wir mit den Ohren wahrnehmen können. D.h alles, was mit den Ohren wahrgenommen werden kann, ist Schall.

Sind die Schwingungen periodisch, nehmen wir sie als Töne wahr, im andern Fall als Geräusch. (Voraussetzung: Frequenzbereich (Hz), Hörfläche, Schwellen)

Der Mensch hört Schall aber nur dann, wenn dessen Frequenz zwischen 16 Hz und 20.000 Hz beträgt, wobei die obere Hörschwelle mit dem Alter abnimmt. und die Lautstärke des Schalls über der Hörschwelle und unter der Schmerzschwelle liegt. Es gibt aber auch Schall, den man nicht wahrnehmen kann (außerhalb des Frequenzbereichs -> Infraschall/Ultraschall)...

2. Was ist Schall?

Allgemein bezeichnet Schall mechanische Schwingungen von Partikeln in einem elastischen Medium. Mechanische Schwingungen gehen von schwingenden Körpern aus, die man allgemein als Schallquellen bezeichnet. Solche Schallquellen können z. B. Musikinstrumente, menschliche Stimmen, Motoren, Lautsprecher sein.

Um Schall entstehen zu lassen, muss die Schallquelle selbst in eine mechanische Schwingung versetzt sein. Die mechanischen Schwingungen breiten sich ausgehend von der Schallquelle strahlenförmig nach allen Richtungen aus. Durch die Schwingungen der Schallquelle werden die Partikel (z.B. die Luftmoleküle), die sich in der Nähe befinden, angestoßen, diese stoßen wiederum ihre Nachbarn an und so entsteht eine Druckwelle, die sich von der Schallquelle ausgehend strahlenförmig ausbreitet.

Eine schwingenden Saite z.B. bewegt sich periodisch hin und her (oder auf und ab). Dadurch wird die Luft um sie herum abwechselnd verdichtet und verdünnt. Die Luftpartikel selbst bleiben eigentlich immer am selben Ort, sie werden nur hin und her "geschubst", stoßen dadurch aber ihre Nachbarn an und diese machen dann wiederum dasselbe und so breitet sich eine mechanische Welle aus. Es bilden sich also zeitlich wechselnd Bereiche mit größerer Teilchenanzahl (größerem Druck) und Bereiche mit kleinerer Teilchenanzahl (kleinerem Druck). In der Luft sind Schallwellen also sich ausbreitende Schwankungen des Luftdrucks. Die Ausbreitungs- und die Schwingungsrichtung der Teilchen stimmen überein. Daher handelt es sich hier um Längswellen (Longitudinalwellen).

Auch bei Schallwellen können wie bei anderen Wellen Reflexion, Brechung, Beugung, Interferenz, Dämpfung und Absorbtion auftreten.

Schallwellen gibt es nicht nur in der Luft, sondern auch in festen und flüssigen Körpern, jedoch nicht im luftleeren Raum. In einem Vakuum können sich Schallwellen nicht ausbreiten, da sie immer ein Medium benötigen, das angeregt werden muss. Hierin unterscheiden sich Schallwellen zum Beispiel von elektromagnetischen Wellen.

Schall breitet sich in einem Stoff konstanter Temperatur geradlinig aus. Die Geschwindigkeit, mit der sich Schall ausbreitet, wird als Schallgeschwindigkeit bezeichnet. Sie ist für verschiedene Medien teilweise sehr unterschiedlich. In der Luft (bei 20° Celsius) beträgt sie etwa 343 Meter pro Sekunde, in festen Materialien zum Teil mehrere tausend Meter pro Sekunde.

Eine wichtige Eigenschaft von Schall ist seine Stärke, seine Intensität I oder der Schalldruck p, gemessen in Pa (Pascal). Dabei gilt 10000 Pa = 1 bar. Den Verlauf der Schallintensität kann man mathematisch durch eine Schallfunktion I(t) beschreiben (Intensität in Abhängigkeit von der Zeit) oder grafisch in einem Schwingungsdiagramm mit der x-Achse = Zeit und der y-Achse = Intensität (Schalldruck, Amplitude). In einem solchen Diagramm bewegt sich der y-Wert um die Null-Linie: positive Werte entsprechen einem Überdruck und negative Werte einem Unterdruck. An der Form, an der Dauer und am zeitlichen Verlauf der Funktion erkennt man auch die typischen Merkmale der verschiedenen Arten von Schall (Ton, Klang, Geräusch, Knall usw.).

Übrigens ist das menschliche Ohr in der Lage, Druckschwankungen von etwa 0,00002 Pa (Hörschwelle) bis etwa 20 Pa (Schmerzschwelle) wahrzunehmen. Da die Dimension dieser Zahlenwerte sehr groß ist, benutzt man für Schallmessungen in der Praxis einerseits logarithmische Skalen und andererseits das Verhältnis des interessierendes Wertes zu einem Bezugswert. So ist etwa der Schalldruckpegel und die Dezibel-Skala definiert als der 20fache dekadische Logarithmus des Verhältnisses eines gemessenen Schalldrucks (p₁) zu einem Bezugsschalldruck (p₀):
$$\mathrm{SPL}=\; 20\; lg(\raisebox{1ex}{$\mathrm{p₁}$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$\mathrm{p₀}$}\right.)$$ Nimmt man als Bezugsschalldruck p₀ die Hörschwelle 0,00002 Pa (0 dB), so liegt die Schmerzschwelle (Schalldruck p₁ von 20 Pa) bei 120 dB.

Eine schwingende Schallquelle (z.B. eine Saite) erzeugt eine mehr oder weniger komplexe periodische Schallwelle. Die Schallfunktion ist periodisch, d.h. sie wiederholt sich immer wieder nach einer bestimmten minimalen Zeit, der Periodenlänge T. Die Periodenlänge wird meist in Sekunden angegeben. Fragt man andersherum, wieviele Perioden in einer Sekunde verstreichen, so kommt man zum Begriff der Frequenz f. Diese wird allgemein in Hertz (Hz) angegeben. Es gilt: $$f=\raisebox{1ex}{$1$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$T$}\right.$$ Um eine Größenordnung von der Größe einer Schallwelle zu bekommen, folgendes Beispiel: bei einem Ton einer Stimmgabel von 440 Hz (d.h. 440 Perioden pro Sekunde) beträgt die Wellenlänge (die Länge einer Periode) ungefähr 3/4 m. Insgesamt liegen die Schallwellenlängen zwischen 17 m (bei 20 Hz) und 1,7 cm (bei 20 kHz).

Die einfachste periodische Welle ist die Sinuswelle. Sie kommt als Schallwelle in der Natur normal nicht vor. Sie ist aber in der Akustik die Grundlage bei der Erforschung aller komplexen Schallwellen, beispielsweise und vor allem auch bei musikalischen Tönen. Man kann nämlich zeigen, dass jede noch so komplexe periodische Welle sich eindeutig darstellen lässt als eine Überlagerung von Sinuswellen mit bestimmten, festen Frequenzen mit bestimmten, festen Amplituden. Das mathematische Verfahren dafür ist die Fourieranalyse.

Die Sinusfunktion ist übrigens die mathematische Funktion, die man auch aus der harmonischen Schwingung eines Pendels (Federpendel, Uhrpendel) ableiten kann, d.h. wenn man die Stellung (Auslenkung) des Pendels in Abhängigkeit von der Zeit abträgt. (Bild 6, S.19 bei Borucki)

Der hörbare Frequenzbereich des Menschen liegt zwischen 20 und 20000 Hz. Schall unterhalb dieses Bereichs wird als Infraschall bezeichnet und jener oberhalb als Ultraschall. Mit steigendem Lebensalter nimmt die obere Hörschwelle beim Menschen merklich ab.

Die Empfindlichkeit für verschiedene Frequenzen hängt aber auch von der Lautstärke ab, d.h. sowohl die Hörschwelle als auch die Schmerzschwelle sind frequenzabhängig. Grafisch wird dies dargestellt in der sog. Hörfläche des normalhörenden Menschen: diese zeigt für jede Frequenz den Bereich zwischen der Hörschwelle und der Schmerzschwelle.

Nicht nur der hörbare Bereich ist frequenzabhängig, sondern auch das subjektive Lautstärkeempfinden, d.h. wie laut ein bestimmter Schall subjektiv empfunden wird. Das lautstärkeabhängige Empfinden von Schall zeigt sich in der Hörcharakteristik. Auch bei diesem Diagramm ist die x-Achse die Frequenz und die y-Achse der Schallpegel. In dem Diagramm sind nun eine Reihe sogenannter Isophone eingetragen. Das sind Kurven gleicher subjektiver Lautheit, d.h. welche Frequenz-Schallpegel-Paare als gleich laut empfunden werden und deren Lautheit der betrachteten Isophone entspricht.

Die Einheit Phon ist ein Maß für den subjektiven Lautstärkepegel. Hier wird die Lautheit eines Schalls verglichen mit der Lautheit eines Referenzschalls: der Wert in Phon gibt an, welchen Schalldruckpegel (in dB) ein 1000 Hz Sinuston haben müsste, damit er als gleich laut empfunden würde wie der zu messende Schall.

2. Darstellung und Verrechnung von Schall im Computer, Signalverarbeitung

Problem: stetiges Signal -> digitale Verarbeitung (in digitalem Computer) Digitalisierung von Schall ... Analog-Digitalwandler Auflösungsvermögen in x- und in y-Richtung (1) Bitbreite (Bittiefe) und (2) zeitliche Auflösung, Bandbreite, Abtastrate, Samplingrate siehe: https://de.wikipedia.org/wiki/Alias-Effekt: Aliaseffekte Als Alias-Effekte [ˈeɪliəs] (auch Aliasing-Effekte oder kurz Aliasing) werden im Bereich der Signalanalyse Fehler bezeichnet, die auftreten, wenn im abzutastenden Signal Frequenzanteile vorkommen, die höher sind als die halbe Abtastfrequenz (Nyquist-Frequenz). (Grafik, Hörbeispiele! - Zirp) Nyquist-Frequenz, Abtasttheorem siehe auch: https://de.wikipedia.org/wiki/Liste_von_Audio-Fachbegriffen siehe auch: https://de.wikipedia.org/wiki/Signalverarbeitung

Übrigens: Lissajous-Figur (siehe Wikipedia, mein Soundsynthese-Programm)

3. Wahrnehmung von Schall

Wahrnehmungsapparat (Anatomie, Physiologie - angerissen) Anatomie, Physiologie, ... (Moore u.a.) - Wie ist die Wahrnemung möglich? --> Aufbau Ohr (außen, mittel, innen) --> Hörzentrum (Lit. siehe unten)

Anatomie des Hörapparats ...

Physiologische Vorgänge ... Mechanik der Cochlea (Animation)

Untersuchungsmethoden ...

- welche Wahrnemungsprozesse werden untersucht mit welchen Methoden ...

Ergebnisse

welche Ergebnisse (Lit. siehe unten)

Psychoakustik

Bezug zur Musik

https://de.wikipedia.org/wiki/Musikalische_Akustik https://de.wikipedia.org/wiki/Universalien_der_Musikwahrnehmung

Einzelprobleme

Empfehlenswerte Literatur

Für einen tieferen Einstieg in die Materie sei die folgende ausgezeichnete Literatur empfohlen. Trotz älteren Datums sind die Werke immer noch aktuell. Von den Schwerpunkten unterscheiden sie sich etwas, aber von den Inhalten und der Darstellung überlappen sie sich weitgehend.

• Physikalische Grundlagen: Akustik und Sound
• Pierce, John R.: Klang, Musik mit den Ohren der Physik. Spektrum Verlag, Heidelberg, ohne Jahr.
• Borucki, Hans: Einführung in die Akustik. B.I.-Wissenschaftsveröag, Mannheim, 1980.
• Rossing, Thomas D.: The Science of Sound. Addison-Wesley, Reading, 1982.
• Benade, Arthur H.: Fundamentals of Musical Acoustics. Dover Publication, New York, 1976.
• Eska, G.: Schall und Klang. Birkhäuser, Basel, 1997.
• Neuronale Grundlagen: Physiologie
• Zenner, Hans-Peter:Hören. Physiologie, Biochemie, Zell- und Neurobiologie
Thieme Verlag, Stuttgart, 1994.
• Pickles, James O.:An Introduction to the Physiology of Hearing.Academic Press, London, 1982.
• Psychologie des Hörens
• Moore, B. C. J.: Psychology of Hearing. Academic Press, Amsterdam, 2003.
• Warren, R. M.: Auditory Perception. Cambridge University Press, Cambridge, 1999.
• Eska, G.: Schall und Klang. Birkhäuser, Basel, 1997.
• Psychoakustik
• Roederer, J. G.: Physikalische und psychoakustische Grundlagen der Musik, 3. Auflage. Springer Verlag, Berlin, 1995.
• Helmholtz, H. v.:Die Lehre von den Tonempfindungen als physiologische Grundĺage für die Theorie der Musik.Vieweg Verlag, 1863. Nachdruck Georg Holms Verlag, Hildesheim, 1968.
• Mein Paper zur Psychoakustik