3. Psychoakustische Wahrnehmung. Schallphysik wie entstehen Töne?

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1 3 Psychoakustische Wahrnehmung 31 Physikalische Grundlagen der Schallausbreitung 32 Physiologisches Gehörmodell 33 Psychoakustisches Wahrnehmungsmodell Multimediale Informationsverarbeitung: Psychoakustische Wahrnehmung 1 Schallphysik wie entstehen Töne? S [W/m²] S max T t [sec] Schwingung: Änderung des Schalldrucks S über die Zeit t S max : Maximaler Schalldruck, T: Periodendauer, f: Frequenz 1/T Multimediale Informationsverarbeitung: Psychoakustische Wahrnehmung 2

2 Schallphysik wie entstehen Töne? S [W/m²] S max T t [sec] Lautstärke: Änderung des maximalen Schalldrucks S max Multimediale Informationsverarbeitung: Psychoakustische Wahrnehmung 3 Schallphysik wie entstehen Töne? S [W/m²] S max T t [sec] Änderung der Periodendauer T Frequenz f = 1/T : Anzahl der Schwingungen pro Zeit [Hz] Multimediale Informationsverarbeitung: Psychoakustische Wahrnehmung 4

3 Töne sichtbar machen Darstellung von Wellen Töne (Schwingungen) werden beschrieben durch: Tonhöhe (Frequenz f [Hz]) und Lautstärke (S max [W/m²]) Jeder Klang (zb ein Dreiklang) kann in einzelne Schwingungen mit unterschiedlicher Tonhöhe und Lautstärke zerlegt werden Smax [W/m²]) laut leise f [Hz] Multimediale Informationsverarbeitung: Psychoakustische Wahrnehmung 5 Töne sichtbar machen Darstellung von Wellen Töne (Schwingungen) werden beschrieben durch: Tonhöhe (Frequenz f [Hz]) und Lautstärke (S max [W/m²]) Jeder Klang (zb ein Dreiklang) kann in einzelneschwingungen mit unterschiedlicher Tonhöhe und Lautstärke zerlegt werden Smax [W/m²]) laut leise 400 Multimediale Informationsverarbeitung: Psychoakustische Wahrnehmung 6 f [Hz]

4 Töne sichtbar machen Darstellung von Wellen Töne (Schwingungen) werden beschrieben durch: Tonhöhe (Frequenz f [Hz]) und Lautstärke (S max [W/m²]) Jeder Klang (zb ein Dreiklang) kann in einzelneschwingungen mit unterschiedlicher Tonhöhe und Lautstärke zerlegt werden Smax [W/m²]) laut leise 900 Multimediale Informationsverarbeitung: Psychoakustische Wahrnehmung 7 f [Hz] Töne sichtbar machen Darstellung von Wellen Töne (Schwingungen) werden beschrieben durch: Tonhöhe (Frequenz f [Hz]) und Lautstärke (S max [W/m²]) Jeder Klang (zb ein Dreiklang) kann in einzelneschwingungen mit unterschiedlicher Tonhöhe und Lautstärke zerlegt werden Smax [W/m²]) laut leise 2000 Multimediale Informationsverarbeitung: Psychoakustische Wahrnehmung 8 f [Hz]

5 Töne sichtbar machen Darstellung von Wellen Töne (Schwingungen) werden beschrieben durch: Tonhöhe (Frequenz f [Hz]) und Lautstärke (S max [W/m²]) Jeder Klang (zb ein Dreiklang) kann in einzelneschwingungen mit unterschiedlicher Tonhöhe und Lautstärke zerlegt werden Smax [W/m²]) laut Dreiklang: 400 Hz Hz + 2 khz leise Multimediale Informationsverarbeitung: Psychoakustische Wahrnehmung 9 f [Hz] Schnitt des peripheren Gehörs (schematisch) Die Bogengänge sind Teil des Gleichgewichtsorgans, das zusammen mit der Schnecke (Cochlea) das Innenohr bildet (nicht maßstabsgerecht) Multimediale Informationsverarbeitung: Psychoakustische Wahrnehmung 10

6 Schnitt des Mittel- und Innenohres (schematisch) Schnitt des Mittelohres und der entrollten Cochlea (schematisch) Multimediale Informationsverarbeitung: Psychoakustische Wahrnehmung 11 Schnitt des Mittelohres und der entrollten Cochlea Bei einer sinusförmigen Trommelfellschwingung prägt sich an einem Ort der cochleären Trennwand eine Resonanz aus Vor allem an diesem Ort findet der Druckausgleich zwischen der Ober- und Unterseite der Trennwand statt Die Auslenkung der Mittelohrknöchelchen und Fenstermembranen der Cochlea ist zur Veranschaulichung gestrichelt und stark vergrößert dargestellt Die örtliche Verteilung der Resonanzen bewirkt eine Frequenz-Orts- Transformation der Cochlea, wodurch eine direkte Zuordnung einzelner Frequenzanteile zu Orten auf der Cochlea möglich wird Diese Frequenzverteilung wird in Bark gemessen Multimediale Informationsverarbeitung: Psychoakustische Wahrnehmung 12

7 Frequenzanalysator in der Schnecke Multimediale Informationsverarbeitung: Psychoakustische Wahrnehmung 13 Frequenz-Orts-Transformation der Cochlea Δz = 01 Bark, N sek = 251 Multimediale Informationsverarbeitung: Psychoakustische Wahrnehmung 14

8 Schnitt durch die Cochlea Multimediale Informationsverarbeitung: Psychoakustische Wahrnehmung 15 Querschnitt der entrollten Cochlea Der um die Schneckenachse gewundene Kanal wird durch die Reissnersche Membran und die Basilarmembran in drei Kammern geteilt Die Basilarmembran mit dem aufsitzenden Cortischen Organ, das die Sensoren beinhaltet, bildet zusammen mit der darüberliegenden Tektorialmembran die cochleäre Trennwand Die Reissnersche Membran isoliert die unterschiedlichen Lymphflüssigkeiten von Scala vestibuli und Scala media und hat praktisch keine hydromechanische Bedeutung Multimediale Informationsverarbeitung: Psychoakustische Wahrnehmung 16

9 Querschnitt des Cortischen Organs 3400 innere Haarzellen (IHZs) in einer Reihe entlang der Cochlea 3 bis 4 weitere Reihen von etwa äußeren Haarzellen (ÄHZs) IHZs wirken als Sensoren (mit Nervenfasern verbunden) jede Faser mit genau mit 1 IHZ und jede IHZ an bis zu 20 Fasern ÄHZs wirken als Motoren (von ca 1000 Nervenfasern gesteuert) Multimediale Informationsverarbeitung: Psychoakustische Wahrnehmung 17 Querschnitt des Corti schen Organs Multimediale Informationsverarbeitung: Psychoakustische Wahrnehmung 18

10 Motorik der äußeren Haarzelle (rockende Haarzelle) Produzent: Ear Lab, UCL Aufnahme: BBC 1987 Mikroskopaufnahme einer ÄHZ, mit Einspeisung eines Liedes Multimediale Informationsverarbeitung: Psychoakustische Wahrnehmung 19 Querschnitt des Cortischen Organs Eine transversale Schwingung (in Pfeilrichtung) der cochleären Trennwand hat eine Scherbewegung zwischen der Basilarmembran und der Tektorialmembran im Bereich des Cortischen Organs zur Folge Die Tektorialmembran und die der Schneckenachse zugewandte Seite der Basilarmembran rotieren dabei jeweils um eine Achse längs ihrer Aufhängung Eine entsprechende Rotation der relativ steifen Pfeilerzellen bewirkt die Scherung der Haarbündel der äußeren Haarzellen zwischen Retikular- und Tektorialmembran Die Flüssigkeitsgeschwindigkeit am Haarbündel der inneren Haarzellen ist das mechanische Reizsignal der Sensoren Durch Kontraktion der äußeren Haarzellen wird die gestrichelt dargestellte, von einer Schwingung des ovalen Fensters hervorgerufene Auslenkung der Basilarmembran verstärkt Diese Kontraktion bewirkt auch eine Verschiebung der inneren Haarzelle, so daß sich die Relativgeschwindigkeit des Haarbündels gegenüber der umgebenden Flüssigkeit erhöht Multimediale Informationsverarbeitung: Psychoakustische Wahrnehmung 20

11 Schemazeichnung des Cortischen Organs Basilarmembran mit inneren und Äußeren Haarzellen Multimediale Informationsverarbeitung: Psychoakustische Wahrnehmung 21 Das Corti sche Organ Multimediale Informationsverarbeitung: Psychoakustische Wahrnehmung 22

12 Schemaszeichnung von inneren Haarzellen Haarzelle im Corti schen Organ Multimediale Informationsverarbeitung: Psychoakustische Wahrnehmung 23 Innere Haarzelle Elektronen-Mikroskopie-Aufnahme von inneren Haarzellen Multimediale Informationsverarbeitung: Psychoakustische Wahrnehmung 24

13 Weiterleitung der IHZ-Impulse an das Gehirn Multimediale Informationsverarbeitung: Psychoakustische Wahrnehmung 25 Vereinfachte Darstellung der aufsteigenden Hörbahn Die aufsteigende Hörbahn des Hörnervs, die von den IHZs einer Cochlea ausgeht Die nicht gezeigte Verknüpfung der neuronalen Signale der rechten und linken Cochlea erfolgt bereits in den ersten Verarbeitungsstufen des Olivenkomplexes, die auf die Spiralganglienzellen folgen Am Ausgang des Olivenkomplexes sind unterschiedliche Signaltypen identifizierbar, in denen bestimmte Merkmale des Reizsignals von den Spiralganglien codiert sind und parallel zu höher gelegenen Nerven weitergeführt werden Die Höhrbahn endet im auditorischen Cortex, der eine tonotope (nach Tonfrequenzen geordnete) Organisation aufweist und spezialisierte rezeptive Felder beispielsweise für amplituden- oder frequenzmodulierte Schallsignale besitzt Es gibt auch noch eine absteigende Hörbahn, die zu den ÄHZ führt und diese steuert (noch kaum erforscht) Multimediale Informationsverarbeitung: Psychoakustische Wahrnehmung 26

14 Hören und Wahrnehmung was hören wir? Lautstärke [W/m²] sehr laut laut leise sehr leise f [Hz] Multimediale Informationsverarbeitung: Psychoakustische Wahrnehmung 27 Hören und Wahrnehmung was hören wir? Lautstärke [W/m²] Ruhe-Hörschwelle sehr laut laut leise sehr leise f [Hz] Unsere Wahrnehmung ist begrenzt und frequenzabhängig! Multimediale Informationsverarbeitung: Psychoakustische Wahrnehmung 28

15 Subjektive Hörschwelle (Fletcher-Munson) 1 1 Standard sound pressure level at 1 khz: I 0 = Watt/m 2 (0 Phon) Multimediale Informationsverarbeitung: Psychoakustische Wahrnehmung 29 Hören und Wahrnehmung was hören wir? Lautstärke [W/m²] sehr laut laut leise sehr leise f [Hz] Gleichzeitige Töne: Zweiklang ist hörbar Multimediale Informationsverarbeitung: Psychoakustische Wahrnehmung 30

16 Hören und Wahrnehmung was hören wir? Lautstärke [W/m²] sehr laut laut leise sehr leise f [Hz] Gleichzeitige Töne: Laute und leise Töne! Multimediale Informationsverarbeitung: Psychoakustische Wahrnehmung 31 Hören und Wahrnehmung was hören wir? Lautstärke [W/m²] Maskier-Hörschwelle sehr laut laut leise sehr leise f [Hz] Gleichzeitige Töne: Laute Töne unterdrücken leise Töne! Multimediale Informationsverarbeitung: Psychoakustische Wahrnehmung 32

17 Maskierung mit Schmalbandrauschen narrowband random noise mean frequencies250 Hz, 1 khz, and 4 khz related bandwidth100hz, 160 Hz and 700 Hz respectively i e, width depends on frequency Multimediale Informationsverarbeitung: Psychoakustische Wahrnehmung 33 Amplitudenabhängiges Maskierungsverhalten narrowband random noise i e, width depends on amplitude Multimediale Informationsverarbeitung: Psychoakustische Wahrnehmung 34

18 Maskierung mit Sinuston Comparison: Sine waves vs random noise (used before) depends on frequency i e, similar to narrowband random noise Multimediale Informationsverarbeitung: Psychoakustische Wahrnehmung 35 Maskierung im Zeitbereich after and before the event depends on (to some extent) amplitude Multimediale Informationsverarbeitung: Psychoakustische Wahrnehmung 36

19 Kompression: MPEG Audio (MP3) MP3: Abkürzung für MPEG 1 Layer 3 MPEG: Normungsgremium für Video und Audio (Moving Pictures Expert Group) MP3 nutzt die Hörwahrnehmung (Maskierung) aus, speichert nur notwendige Information: 1 zerlege Musik in einzelne Tonbereiche (Frequenzbänder) 2 in jedem Frequenzband, betrachte Maskierschwellen 3 entferne die unhörbaren Bereiche (Quantisierung) Daten werden zusammengedrückt (komprimiert) Bitrate für MP3: 128 kbit/sek (Kompressionsfaktor 10) Statt 16 Bit im Mittel nur noch 16 Bit pro Abtastwert! Multimediale Informationsverarbeitung: Psychoakustische Wahrnehmung 37 Kompression: Frequenzzerlegung Zerlegung der Tonhöhen in Frequenzbänder Multimediale Informationsverarbeitung: Psychoakustische Wahrnehmung 38

20 Kompression: Quantisierung Rote Bereiche sind unter der Schwelle Wegwerfen! (Quantisieren) Multimediale Informationsverarbeitung: Psychoakustische Wahrnehmung 39 Kompression: Quantisierung Rote Stufen stellen Quantisierstufen dar (Störsignal) Daten werden mit diesen Stufen komprimiert Multimediale Informationsverarbeitung: Psychoakustische Wahrnehmung 40

21 Kompressionseffekte Audio Coding with masking Coding by using the masking effects (irrelevance reduction) temporal and frequency masking with advanced audio coder AAC (Uni Hannover) Original stereo signal at 141 Mbit/s (2 x 16Bit x Hz) near CD-Quality at 64 kbit/s with AAC masked difference signal (irrelevance) at 64 kbit/s Multimediale Informationsverarbeitung: Psychoakustische Wahrnehmung 41