Vorlesung Medientechnik Universität Koblenz-Landau SS2011

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1 Vorlesung Medientechnik Universität Koblenz-Landau SS2011

2 Schnecke Hörnerv Eustachisches Rohr (Druckausgleich) 2

3 Ohrmuschel Auricula auris Knorpel: Cartilago auriculae Äußerer Gehörgang Einfangen des Schalles (Trichter) Formgebung unterstützt Richtungshören durch Resonanzbildung Crus Schenkel Concha Muschel Fossa Graben Helix gr Kurve, Windung Tragos gr. Ziege 3

4 Das Mittelohr besteht aus dem Trommelfell der luftgefüllten Paukenhöhle, den Gehörknöchelchen, Hammer, Amboss und Steigbügel) Mittelohrmuskeln (Trommelfellspanner, Steigbügelmuskel 4

5 Schwingungsübertragung vom Außenzum Innenohr Impedanzanpassung zwischen Mittelund Innenohr Impedanz: Schallwellenwiderstand. In der flüssigkeitsgefüllten Schnecke höher als in Luft, Reflektionsverluste an der Grenzfläche werden gemindert. Druckerhöhung Faktor 22. Erweiterung des Dynamikbereiches des Gehörs durch die Muskelspannung frequenzselektive Empfindlichkeitsänderung des Gehörs durch die Muskelspannung Schutz des Innenohres vor zu lauten Schallen Muskelkontraktion bei großem Pegel, dadurch Schallreflektion am Trommelfell und Schutz des Innenohres. 5

6 Labyrinth im Felsenbein bestehend aus Schnecke (Cochlea) und Bogenäangen (Gleichgewichtsorgan) Scala vestibuli / Vorhofgang Scala media Scala tympani / Paukengang 6

7 Steigbügel am ovalen Fenster setzt die Perilymphe des Vorhofganges in Bewegung bzw. ändert den Druck. Durch das Helicotrema überträgt sich die Bewegung in den Paukengang. Dies setzt die Basilarmembran in Schwingung (Wanderwellen). Das Maximum der Amplitude ist frequenzabhängig (Stimmung der Basilarmembran). Haarzellen im Corti-Organ geben Reiz an Hörnerv weiter. 7

8 3 Reihen äußere Haarzellen verstärken die Amplitude der Wanderwelle 1 Reihe innerer Haarzellen (3500 insgesamt) geben Signal an Hörnerv Position der Haarzelle entspricht Frequenz, hohe vorne am ovalen Fenster Scala media 8

9 3 Reihen äußere Haarzellen verstärken die Amplitude der Wanderwelle 1 Reihe innerer Haarzellen (3500 insgesamt) geben Signal an Hörnerv Position der Haarzelle entspricht Frequenz, hohe vorne a, ovalen Fenster Scala media 9

10 Lokalisitation = Richtung und Entfernung bestimmen oben unten: vor allem über Reflexionen der Ohrmuschel links rechts: Laufzeitunterschiede & Lautstärke Abstand der beiden Trommelfelle ca. 21,5 cm Laufzeitunterschied bis zu 0,63ms vorne hinten Ohrmuschel 10

11 Unterhalb 800 Hz kann das Ohr Phasendifferenzen zur Lokalisation nutzen Wellenlänge > 2*Ohrabstand 11

12 12

13 20Hz Hz C A 1000Hz 5000Hz Hörfähigkeit: Mensch: 16 Hz Hz größte Empfindlichkeit (5.000) Hz 13

14 Fortschreitende ebene Schallwelle Hermann von Helmholtz p = v const v Schnelle p Druck 14

15 Schallgeschwindigkeit 325 m/s (-10 C) 350 m/s (30 C) abhängig von Temperatur, CO2 (Blasinstrumente) 15

16 Druck = Kraft /Fläche Phys. Formelzeichen p=f/a Si Maßeinheit Pascal Pa = [N/m 2 ] Normale Luftdruck; 10 5 Pa (1000 hpa) Schalldruck=Schallwechseldruck=Änderung des Normaldruckes HörbarKeitsschwelle 2*10-5 Pa bei 1000Hz Normallautstärke 0,1 Pa Schmerzgrenze 100 Pa 16

17 Schalldruck Logarithmische Skalierung Unterhaltung Sehr laut Hörbarkeitsschwelle Schmerz- Grenze 0,1 0,01 Unterhaltung Sehr laut Hörbarkeitsschwelle Schmerz- Grenze Schalldruck 0,001 0,0001 Verzehnfachung 0,

18 Logarithmus ist die Umkehrfuntion des Potenzierens a=b x dann ist x =log b a b=2, dann Zweier-Logarithmus Logarithmus Dualis a=2 x dann ist x = ld(a) b=e (Eulersche Zahl) Natürlicher Logarithmus a=e x dann x=ln(a) b=10 Zehnerlogarithmus a=10 x dann x=lg(a) 18

19 Rechenregeln: log(xy)=log(x)+log(y) log(x/y) = log(x)-log(y) log(x y ) = y log(x) log(1)=0 Log(1/x)=-log(x) 19

20 dezibel: dimensionslose Größe (Größenvergleich) 2 p p L = p 10lg db 20lg db p = 5 p 2*10 p Pa 0 = Alexander Graham Bell Taubstummenlehrer Erfinder Telefon, Audiometer Grammophon, Flugzeuge, Boote Hörschwelle p = p0 L p = 0 db Telefon

21 p 0 = 2*10 5 Pa Lp 0,1 = 20lg 2*10 = 20 l + Normallaut 74 5 ( g 0,5 4) db lg 2 = 0,30102 ( ) Schmerzgrenze Lp 1 lg = 0, = 20lg 2*10 5 = 20 lg 0, ( ) db 21

22 p L p = 20lg p0 db Verdoppelung des Schalldrucks bedeutet Anhebung des Schalldruckpegels um 6dB L 2 p 2 p = 20lg p 0 p = 20lg + 20lg 2 p 0 = L + 6dB p p 100 = 20lg 2*10 p 5 5 = lg * p 5 10 = *10 2 p = 2 Pa 5 p 0 = 2* db Schalldruck? Pa 22

23 phon Maß der subjektiven Lautstärke bei 1000 Hz identisch mit Schalldruckpegel Beispiel: Schalldruckpegel von 60 db bei 3000 Hz wird 70 phon laut empfunden 60-Jährige: Hörvermögen über 10 khz um 25 db vermindert. Hörschwelle nahe an Lästigkeitsgrenze! Handbuch der Tonstudiotechnik Akustik & musik. Aufführungspraxis Normalhörender 20-jähriger 23

24 Definition: Lautstärke von 40 Phon = 1 Sone Doppelt so laut: 2 Sone Halb so laut: ½ Sone. Subjektive Wahrnehmung. Sone-Verdoppelung alle 10 Phon Nichtlinear unterhalb 1 Sone Normalhörender 20-jähriger 24

25 Schallgeschwindigkeit Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schallwelle Geschwindigkeit der schwingenden Luftteilchen Faustregel: Schalldruckwert 400 Schmerzgrenze Normallautstärke Hörschwelle = 0,25 m/s v ~max = ~ v = 2,5*10 4 normal ~ 8 vmin = 5*10 m/s 0,9 km/h m/s Nahbesprechungseffekt In der Nähe der Schallquelle haben Schnelle und Schalldruck unterschiedliche Phase Frequenzen 16,5 Hz C 2 Orgel 33 Hz C 1 Kontrabaß 66 Hz C Violoncello 131 Hz c Bratsche 262 Hz c Geige 524 Hz c Tenor max 1047 Hz c Sopran max 2093 Hz c 4 Geige max 4185 Hz c 5 Piccolo-Flöte 25

26 x Periodische Funktion ( ) = sin = sin ( + 2 ) f x x x π Substitution x = 2π ft ( ) sin ( 2π ft) f t 50 Hz Sinus f ( t) = sin ( 2 π *50* t) = hat Periode 1/f, denn 0 2π 1 2π f sin 2π f t + = sin 2π ft + f f 26

27 Formanten: Maxima im Spektrum eines Klanges = klangformende Frequenzen F1, F2, F3, Klangfarbe (Timbre) Wird durch das Spektrum, Einschwingverhalten, Formanten, Spieltechnik, bestimmt 27

28 Wie klingt: ( ( π ft) + ( π ft ) + ( π ft ) + ( π ft )) 1 * sin 2 sin 2 *2 sin 2 *4 sin 2 *6 4 Violinklang: a mit Vibrato Pizzicato (Ton h) 28

29 männlich weiblich deutscher Vokal Vokal-Formant-Zentren IPA Formant f1 Formant f2 U u 320 Hz 800 Hz O o 500 Hz 1000 Hz å aː 700 Hz 1150 Hz A a 1000 Hz 1400 Hz ö ø 500 Hz 1500 Hz ü y 320 Hz 1650 Hz ä ɛ 700 Hz 1800 Hz E e 500 Hz 2300 Hz I i 320 Hz 3200 Hz Video Der Klang der menschlichen Stimme Stephan Mueller 29

30 Vokaldreieck Zungenlage i u a Video Overtone Analyzer 30

31 Vorlesung Medientechnik WS2012/13 Dr. Manfred Jackel Studiengang Computervisualistik Universität Koblenz-Landau Campus Koblenz Postfach Koblenz Manfred Jackel WWW: mtech.uni-koblenz.de Literatur zu diesem Kapitel Stephan Frings: Zyklusvorlesung "Sinnesphysiologie - vom Ionenkanal zum Verhalten,Universität Heidelberg m Hyperlinks zu diesem Kapitel OHCs Ashmore Lab ABC der Hals-Nasen-Ohrenheilkunde im Gehörratgeber Brockhaus Grafik-Quellen 31