Von Lärm zu Klang: auditive Wahrnehmung und Lokalisation

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1 Von Lärm zu Klang: auditive Wahrnehmung und Lokalisation VL Wahrnehmung und Aufmerksamkeit, Dipl.-Psych. S. Raisig, Humboldt Universität Berlin, WS 2008/2009

2 Auditive Wahrnehmung Funktion / Bedeutung Warnsystem / Signalisieren von Ereignissen emotionale / kommunikative Komponente: Musik und Sprache Problembereiche der auditiven Wahrnehmung reine Töne vs. komplexe Töne Wahrnehmung subjektiver Lautheit auditive Lokalisation (Sprachwahrnehmung)

3 Grundlagen: Schallausbreitung mechanische Schwingungen gehen von Schallquelle aus Schallausbreitung: Schwingung der Lautsprechermembran erzeugt Muster aus hohem und tiefem Luftdruck Schallwellen: Schwingungen im hörbaren Bereich

4 Hören reine Töne: Schwingungen mit sinusförmigem Verlauf Amplitude (in db): Schalldruckpegel Lautstärke Frequenz (in Hz) : Anzahl der Schwingungen pro Sekunde Tonhöhe z.b. reiner Ton mit 1000 Hz = 1000 Schwingungen pro Sekunde Hörbar: Töne zwischen 20 und Hz

5 Hörbeispiele Erhöhung Amplitude Erhöhung Frequenz

6 Hörfläche Darstellung des für uns hörbaren Spektrums enthält Frequenzen und Amplituden der Schwingungen Hörschwelle: ab wann ist Ton hörbar? Schwelle abhängig von der Frequenz & Amplitude Höchste Empfindlichkeit bei Hz

7 Änderung der Hörschwelle Schall aus verschiedenen Quellen erreicht Ohr Schallanteile aus einer Quelle können andere Schallanteile überlagern: werden vermindert (oder gar nicht mehr) wahrgenommen Maskierung (Verdeckung) Beispiel: Unterhaltung an einer befahrenen Straße Hörschwelle eines Signals wird durch gleichzeitige Anwesenheit eines weiteren Signals angehoben

8 Frequenzbänder Töne werden durch andere Töne mit ähnlicher Tonhöhe verdeckt. Zur Maskierung eines einzelnen Sinustons tragen nur bestimmte Frequenzen innerhalb einer kritischen Bandbreite um den Testton bei. Breite dieses Frequenzbandes hat für jede Frequenz eines Testtons einen festen Wert = kritische Bandbreite

9 Maskierungsversuche H. Fletcher (1940): Band-Widening Experiment Rauschband und Sinuston gleichzeitig dargeboten. Rauschband Mittenfrequenz 400Hz, Bandbreite 40 Hz Rauschband Mittenfrequenz 400Hz, Bandbreite 100 Hz Durchführung: Für die verschiedenen Bandbreiten wird jeweils die Hörschwelle des Sinustons gemessen.

10 Maskierungsversuch Ergebnis: Hörschwelle für Sinuston steigt mit größerer Bandbreite an - aber nur bis bestimmte Grenze erreicht Die Bandbreite, ab der sich die Mithörschwelle nicht weiter erhöht, entspricht der kritischen Bandbreite. Kritische Bandbreiten sind von der Frequenz abhängig werden mit höherer Frequenz des Testtons größer

11 Making Music Reine Töne im alltäglichen Hörerleben selten komplexe Schallereignisse auch in der Musik Töne auf Klavier sind in aufsteigender Frequenz von links nach rechts angeordnet: 27, Hz Durtonleiter

12 komplexe Schwingung auf Klavier Kammerton a (440 Hz) setzt sich zusammen aus einem Grundton und Obertönen (Partialtöne) Resultat: komplexe Schwingung komplexe Schwingung lässt sich in ihre Teilschwingungen zerlegen (Fourieranalyse)

13 das Ohr das Ohr wandelt Schallwellen in ein neuronales Signal um Schon geringste Schwingungen bewirken Trommelfellvibrationen Die Gehörknöchelchen (Hammer, Amboss, Steigbügel) übertragen die Schwingung aus der Luft in flüssige Umgebung Cochlea: Struktur im Innenohr enthält Basilarmembran & Haarzellen

14 Mechanismus der Transduktion Flüssigkeit in Cochlea in Schwingung versetzt Schwingung überträgt sich auf Basilarmembran durch Schwingung werden Haarzellen ausgelenkt chemische Transmitter werden ausgeschüttet neuronales Signal ans Gehirn Basis Apex (Cochlear ausgerollt)

15

16 Kodierung der Tonhöhe: Ortstheorie Ausbreitung einer Welle über Basilarmembran: Wanderwelle Welle erreicht an einer bestimmten Stelle ihren Gipfel Basis Apex dort stärkste Auslenkung der Haarzellen senden stärkere Signale als Haarzellen an anderen Stellen Gipfel je nach Frequenz an einem bestimmten Ort auf der Basilarmembran Tonhöhe (Frequenz) wird in Ortscode umgewandelt!

17 Tonotope Karte der Cochlea Frequenzen sind entlang der gesamten Membran angeordnet tiefe Frequenzen am Apex hohe Frequenzen an Basis

18 Frequenz-Tuningkurven Es werden aber viele Haarsinneszellen ausgelenkt nicht nur die an der auf der Membran und nicht nur die am Gipfel der Wanderwelle! Gilt Ortstheorie trotzdem? Russell & Sellick (1977): einzelne Haarsinneszellen sprechen nur auf einen schmalen Frequenzbereich an Frequenz-Tuningkurve

19 Frequenz-Tuningkurven Feststellung aller Frequenz-Tuningkurve die nötigen Mindestlautstärken, damit eine Zelle feuert und ein Ton gehört wird, folgen der Form der Hörschwellenkurve

20 auditorischer Kortex primärer auditorischer Kortex im Temporallappen auch hier: tonotope Anordnung Neurone für niedrige Frequenzen links im Areal AI Anordnung in Säulen

21 Schalldruck und Lautstärke subjektive Empfindung der Lautstärke (Intensität) = Lautheit abhängig von Frequenz und Schalldruckpegel Kurven gleicher Lautstärke: Isophone Töne auf einer Kurve als subjektiv gleich laut wahrgenommen Einheit Phon (Barkausen, 1926) Referenzton 1000 Hz

22 Lautheitsskala Lautheitsskala mit Hilfe der Methode der Größenherstellung (Stevens, 1956) Einheit: Sone 1 Sone = Ton mit 1000 Hz und 40 db Beziehung zwischen Lautheit in Sone (N) und Schalldruckpegel (Lp) durch Potenzfunktion beschreibbar: N [ Sone] = k Lp 0,6 wobei k = Konstante Verdopplung der subjektiven Lautheit nicht bei Verdopplung des Schalldruckpegels sondern bei Erhöhung um 10 db.

23 Auditive Lokalisation Erkennen, woher Schallsignale kommen Beste Lokalisation: Schallquelle direkt vor Kopf Kugelförmiges Koordinatensystem 3 Achsen: 1. Azimutalebene: Horizontale Plane auf Höhe der Ohren 2. Vertikalebene (Erhebung) 3. Entfernung

24 Auditive Lokalisation Entfernung r Geradeaus vor Kopf ϕ = 0 hinter Kopf ϕ = 180 neben Kopf ϕ = 90 auf Horizontalebene θ = 0. direkt über Kopf θ = 90.

25 Bestimmung des Azimutalwinkels 1. Interaurale Zeitdifferenz: Zeitlicher Unterschied mit dem Schallwellen an den Ohren eintreffen (bis zu 666 ms) Problem: mehrere Orte führen zu identischer interauraler Zeitdifferenz 2. Interaurale Pegeldifferenz: abgewandtes Ohr erhält schwächeres Signal. Orte auf Kegelmantel: Lokalisationsverwechslungen Duplextheorie des Richtungshörens (Lord Rayleigh, 1907)

26 Bestimmung des Erhebungswinkels ϕ = 0 (Schallquelle direkt vor Kopf) keine interaurale Zeit- oder Pegeldifferenz Ortsänderung durch Erhebung trotzdem wahrnehmbar Form der Ohrmuschel verändert Schallsignal (Resonanz) abhängig vom Erhebungswinkel

27 Bestimmung der Entfernung nahe Schallquellen große interaurale Pegeldifferenzen z.b. ϕ = 90, Frequenz 500 Hz, Pegeldifferenz bei 1 m Entfernung = 40 db gute Entfernungsschätzung entfernte Schallquellen (außerhalb motorischer Reichweite) Entfernungswahrnehmung nicht so gut meist unterschätzt

28 Lokalisationsneurone im Kortex Zellen, die auf kleine Richtungsabschnitte relativ zum Kopf reagieren hörraumbezogene rezeptive Felder Zellen mit rezeptiven Feldern für bestimmte Ort im Raum Beim Rhesusaffen Detektoren für interaurale Zeitdifferenz Neurone für Orte im Hörraum viele Funktionen noch nicht bekannt.

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