Grundlagen des Hörens

Klaus FrielerUniversität Hamburg

Musikwissenschaftliches Institut

Seminar 56.803, SoSe 08

Klaus Frieler: Grundlagen des Hörens

Überblick

• Aufbau des Ohrs• Cochlea• Neuronen• Die auditorische Bahn• Lautheitswahrnehmung• Tonhöhenwahrnehmung• Klangfarbe• Konsonanz-Dissonanz

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Aufbau des Ohrs

1. Ohrknorpel2. Ohrkanal3. Ohrmuschel (Pinna)4. Trommelfell5. Ovales Fenster6. Hammer7. Amboss8. Steigbügel9. Bogengänge10. Gehörschnecke (Cochlea)11. Hörnerv12. Eustachische Röhre

Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Ohr

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Aufbau des Ohrs - Signalweg

Außenschall (Luft)Pinna (Luft)

Trommelfell (Mech.)

Gehörknöchelchen (Mech.)

Cochlea (Hydr.)

Basilarmembram (Mech.)

Haarzellen (Elektr.- Mech.) Auditorischer Nerv (Elekt.-Chem.)

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Aufbau des Ohrs - Cochlea

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Cochlea

• Wanderwelle auf der Basilarmembran• Frequenzselektivität:

– Hohe Frequenzen Maxima an der Basis (ovales Fenster)– Niedrige Frequenzen maixma an der Spitze (Helicotrema)

• Äußere Haarzellen (ca. 12.000) wirken als adaptives Filter (top-down)

• Innere Haarzellen (ca. 3.500) im Corti‘schen Organ längs der Basilarmembran transduzieren die mech. Wanderwelle in Nervenimpulse (bottom-up)

• Tonotopie

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Aufbau des Ohrs - Cochlea

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Aufbau des Ohrs - Cochlea

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Neuronen

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Neuronen - Schema

Dendriten Synapsen Dendriten

Soma Axon

Synapsen

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Neuronen

• Nervenzellen bestehen aus – Soma (Zellkörper)– Axon (Ausgangsleitung)– Dendriten (Eingangsleitungen)

• Synapsen bilden die Übergängen zwischen verschiedenen Neuronen

• Hauptfunktion ist die Erzeugung und Weiterleitung von elektro-chemischen Signalen (Aktionspotentiale, Spikes)

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Synapsen und Spikes

• Synapsen benutzen Neurotransmitter• Synapsen können Aktivierend oder

Hemmend sein• Synapsen haben bestimmte Stärken

(Veränderung der Stärken = Lernen)• Einkommende Signale werden im Soma

addiert. Wird ein Schwellwert überschritten feuert das Neuron

• Messgröße: spike rates (Feuerraten)

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Aktionspotential - Spike

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Auditorische Neuronen

• Jede Hörneuron hat ein rezeptives Feld: Aktivitätsbereich in Abhängigkeit von Frequenz und Intensität

• Charakteristische Frequenz (CF) : Frequenz mit der niedrigsten Feuerschwelle

• Beste Frequenz (BF): Frequenz mit der höchsten Feuerrate bei gegebener Tonintensität

• Kritische Bandbreite jedes Hörneurons (Logarithmisch, ~ 1 Terz)

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Auditorische Neuronen

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Die Auditorische Bahn

Hörnerv

Cochlea Nucleus

Superior Olive

Inferior Colliculus

Medial Geniculatus

Auditorischer Cortex

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Die Auditorische Bahn

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Lautstärkenwahrnehmung

• Schalldruckpegel, Schallintensität: Physikalische Leistung einer Schallwelle (I ~ p2 )

• Das menschliche Ohr kann Schallintensitäten zwischen 10-16 W/cm2 und 10-4 W/cm2 erfassen (1kHz): 12 Zehnerpotenzen! (0-120 dB)

• Logarithmische Skala: dezibel (p0= 20 Pa)

• Weber-Fechner‘sches Gesetz s ~ x/x

Logarithmische Skalen in der Wahrnehmung• Just Noticable Difference bei 1kHz: 0,1 – 1 dB

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Lautstärkenwahrnehmung

• Wahrnehmung der Schallintensität ändert sich mit der Frequenz

• Phon-Skala: Gleiche Lautstärke von Sinustönen verschiedener Frequenz

• Bei 1kHz: dB = Phon• Phonskala nicht distanztreu• Lautheit: Sone–Skala

– Doppelte Sone-Wert entspricht doppelter Lautheit

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Lautstärkenwahrnehmung

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Verdeckung

• Verdeckung (Masking): Nicht-Wahrnehmbarkeit von Tönen in Gegenwart anderer Töne

• Mp3 und andere Audiokompressionsverfahren basieren u.a. auf Verdeckungseffekten

• Frequenz- und Zeitabhängig• Nachverdeckung: Vorgehender stärkerer Ton

verdeckt nachfolgenden schwächeren• Vorverdeckung: Folgender stärkerer Ton verdeckt

vorhergehenden schwächeren Ton

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Tonhöhenwahrnehmung

• Tonhöhenwahrnehmung entsteht durch periodische Eigenschaften des Schalls

• Hängt prinz. von Klangfarbe (Spektrum) und Lautstärke ab

• EmpfundeneTonhöhe ist nicht gleich der niedrigesten, stärksten Frequenz

• Phänomen der Residualtöne (missing fundamental, Schouten 1940): Fehlender Grundton wird ergänzt

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Tonhöhenwahrnehmung

• Tonotopie der Auditorischen Bahn basiert auf Tonhöhe und nicht auf Frequenz

• Phasenkopplung der auditorischen Nerven bis 2kHz

• Kein allseits akzeptiertes Modell Tonhöhenwahrnehmung: Orts/Zeittheorien

• Kombinationstöne sind nicht an der Tonhöhenwahrnehmung beteiligt

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Tonhöhenwahrnehmung

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Tonhöhenwahrnehmung

• Tonhöhenwahrnehmung ist kategorial• Unterschiedschwelle (JND) für Tonhöhen (Sinuston,

~70 Phon, 1kHz): 5 cent (0,3%)

• cent(f, f0) = 1200 log2 f/f0, z. B. cent(2f, f) = 1200 (Oktave)

• Phänomen der Oktavidentität• Revesz‘ Zweikomponententheorie der Tonhöhe:

Tonigkeit und Helligkeit (pitch class, Chroma und Oktavlage),

• Neuronale Evidenz für Tonhöhenhelix

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Tonhöhenhelix

Langner (2007)

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Klangfarbe

• Faktoren des Wahrnehmungsphänomens Klangfarbe:– Gestalt des Frequenzspektrums (Obertongehalt)– Zeitliche Entwicklung des Spektrums

(Auftauchende, sinkende Obertöne)– Ein/Ausschwingvorgänge

• Formanten: Feste Resonanzbereiche im Spektrum

• Dimensionen der Klangfarbe nicht eindeutig: Schwer systemfähig

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Dimensionen der Klangfarbe

• Spektraler Schwerpunkt• Spektrale Abweichung• Spektrale Dichte• Einschwingzeit• Ausschwingzeit• Hüllkurve• Spektraler Fluss• Tonhöhenstärke• Einschwingsynchronizität• Geräuschhaftikeit

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Dimensionen der Klangfarbe

Grey (1977)

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Konsonanz-Dissonanz

• Problem der Verquickung von ästhetischen und perzeptiven Aspekten

• Perzeptive Aspekte:– Schwebung– Rauigkeit– Schärfe– Verschmelzung– Kleine ganzzahlige Intervalle– Kritische Bandbreiten