Gehör
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Universität für Musik und darstellende Kunst Wien, Institut für Elektroakustik Studienrichtung Tonmeister, Theorie der Tontechnik Jürg Jecklin [email protected] 2. Gehör Ueberblick Scripts Inhalt 1. Das Hörorgan 2. Die Hörempfindungen 3. Lärm, Lärmbewertung, Gehörschäden 4. Tonalität und Tonscalen Anhang A1 Demo-CD 2 „Hören“ Theorie der Tontechnik 1. Geschichte der Tontechnik 2. Gehör 3. Mikrofone 4. Schallquellen 5. Lautsprecher und Kopfhörer 6. Akustik und Raumbeschallung 7. analoge Audiotechnik 8. digitale Audiotechnik 9. Signalaufzeichnung 10. Technik der Musikaufnahme Anhang Grundlagen Tontechnik special Aufnahmen Grundlagen Lautsprecher im Raum Mhs2 Mikrofone Musikakustik Surround tt01.pdf tt02.pdf tt03.pdf tt04.pdf tt05.pdf tt06.pdf tt07.pdf tt08.pdf tt09.pdf tt10.pdf ttA.pdf ttspecial. aufnahmen ttspecial.grundlagen ttspecial. L-imraum ttspecial.mhs2 ttspecial.mikrofon ttspecial.musikakustik ttspecial.surround Materialien zur Tontechnik Computer Diverses HD-Recording Headphon Lautsprecher Manuals Mikrofone Sound absorption Surround Technik Tube Data Jecklin - Theorie der Tontechnik computer.pdf diverses.pdf hdrecording.pdf headphone.pdf lautsprecher.pdf manuals.pdf microphone.pdf soundabsorption.pdf surround.pdf technik.pdf tubedata.pdf 2. Gehör, Vers. Mai 2003 2 Jecklin - Theorie der Tontechnik 2. Gehör, Vers. Mai 2003 1 1. Das Hörorgan 1.1 Aussenohr 1.1.1 Ohrmuschel Die Ohrmuschel ist der sichtbare Teil des Höror- gans. Sie hat die Aufgabe, Schall grossflächig aufzunehmen und zum Gehörgang zu leiten. Beim Uebergang von der Ohrmuschel zum Hörkanal findet ein Filterungsprozess statt. bei dem der Frequenzbereich der menschlichen Sprache verstärkt wird. Dieser Prozess kreiert auch Richtungsinformationen durch winkelabhängige, schmalbandige Anhebungen und Absenkungen in Abhängigkeit von der Frequenz. Die individuelle Form der Ohrmuschel spielt im Zusammenhang mit dem Hörvorgang eine nicht zu unterschätzende Rolle. Der Frequenzgang des auftreffenden Schalls wird im Frequenzgebiet oberhalb von rund 1.5 kHz deutlich und individuell modifiziert. Die Veränderung des Frequenzgangs mit schmalbandigen Ueberhöhungen von bis zu 10dB und entsprechenden Absenkungen spielt eine wichtige Rolle bei der vorn-hinten-Ortung und beim einohrigen Richtungshören. 1.1.2 Gehörgang Der Gehörgang, ein Kanal von rund 3.5cm Länge und einem Durchmesser von 0,7 cm leitet den Schall zum Trommelfell. 1.1.3 Trommelfell Beim Trommelfell handelt es sich um eine konisch ins Mittelohr hineingezogene Hautmembran mit einer Fläche von 0.7cm2. Das Trommelfell wird via Gehörgang von den Schallschwingungen zum Mitschwingen angeregt. Bild 4 Frequenzgang am Ort des Trommelfells f(kHz) Jecklin - Theorie der Tontechnik 2. Gehör, Vers. Mai 2003 2 1.2 Mittelohr 1.2.1 Gehörknöchelchen (Bild 5) Es handelt sich um drei kleine KnoGehörknöchelchen chen (die kleinsten des menschlichen Trommelfell Körpers). Entsprechend ihrer Form bezeichnet man sie als Hammer, Amboss und Steigbügel. Das System die1.3 : 3 ser drei Knöchelchen überträgt die 80 mm2 ovales Fenster Schwingungen des Trommelfells auf ovales Fenster das Innenohr. Die Gehörknöchelchen Trommelfell 3 mm2 sind mit kleinen Muskeln und Sehnen im Mittelohr aufgehängt. Sie bilden einen Hebelarm mit einem Untersetzungsverhältnis von 1.3 : 3. Mit dieser Untersetzung wird die Impedanz des flüssigkeitsgefüllten Innenohrs an die der Luft angepasst. Es handelt sich gleichzeitig um einen Schutzmechanismus, denn der Hebelarm verändert sich mit der Amplitude der Trommelfellschwingung, und die Bewegung kann durch (unwillkürliches) Anspannen der Muskeln der Aufhängung gebremst werden. Hammer Der Hammer ist das erste Knöchelchen des Schwingungs-Uebertragungsmechanismus zwischen Trommelfell und Innenohr. Er ist elastisch mit dem Trommelfell verbunden. Amboss Das zweite Gehörknöchelchen überträgt die Bewegungen des Hammers zum Steigbügel Steigbügel Der Steigbügel, das dritte Gehörknöchelchen, ist mit dem ovalen Fenster des Innenohrs verbunden. Wichtig: • Die Schwingungsübertragung durch die Gehörknöchelchen ist im Frequenzgebiet zwischen 500 Hz und 4 kHz am effizientesten. • Im Mittelohr wird ein Teil der Schwingungsenergie frequenz- und amplitudenabhängig zum Trommelfell zurückreflektiert. 1.2.2 Eustachische Röhre Die eustachische Röhre verbindet das Mittelohr (eine abgeschlossene Höhle) via Rachenhöhe mit der Umwelt. Es handelt sich um einen Tubus mit einer Länge von rund 3.6 cm. Sie ist im Schädelknochen eingebettet und besteht aus mit Schleimhaut überzogenem Knorpel. Die eustachische Röhre hat folgende Aufgaben: • Druckausgleich zwischen Mittelohr und Umwelt. • Ableitung der sich im Mittelohr bildenden Flüssigkeit. Die eustachische Röhre öffnet sich wenn man kaut oder gähnt. Jecklin - Theorie der Tontechnik 2. Gehör, Vers. Mai 2003 3 1.3 Innenohr 1.3.1 ovales Fenster Eine dünne Membran in der Trennwand zwischen Mittelohr und Innenohr. Das ovale Fenster überträgt die Bewegungen der Gehörknöchelchen auf die Flüssigkeit des Innenohrs. 1.3.2 Bogengänge Es handelt sich um das Gleichgewichtsorgan, dessen Funktion mit dem Hörorgan direkt nichts zu tun hat. Die Bogengänge sind mit Flüssigkeit gefüllt, in die spezielle Haarzellen hineinragen. Wenn sich die Flüssigkeit bewegt, senden die Haarzellen Signale zum Hirn, die dann als Lageveränderung des Kopfes interpretiert werden. Bilder 6-7 1.3.3 Schnecke (Cochlea) und Basilarmembran In der Cochlea werden physikalische Schwingungen in elektrische Impulse umgewandelt. Die Cochlea ist ein mit Flüssigkeit gefüllter Schlauch von rund 3.5 cm Länge, der eingerollt im Schädelknochen eingebettet ist. Die Cochlea wird in Längsrichtung von der Basilarmembran Reissner-Membran in zwei verkoppelte Kammern unterteilt, die scala tympani Vorhoftreppe und die scala vestibuli. Am hinteren Ende der Cochlea sind die beiden Kammern verbunden. Deckmembran Schneckengang Die Schwingungen der Membran des ovalen Fensters verursaHörnerv chen eine durch die scala vestibuli und die scala tympani durchlaufende Druckwelle. Basilarmembran Corti-Organ Die Folge ist eine Deformation der Basilarmembran mit ausPaukentreppe geprägten Auslenkungsmaxima. Bei einer Anregung mit einer einzelnen Sinusschwingung knöcherne Trennwand wird der Ort der maximalen Auslenkung von der Frequenz Bild 5 Schnitt durch die Schneck bestimmt: hohe Frequenzen lenken die Basilarmembran in der Nähe des ovalen Fensters aus, tiefe Frequenzen deformieren die Basilarmembran an ihrem Ende. Im Innenohr findet also eine Frequenz - Ort Umsetzung statt. Jeder Ort auf der Basilarmembran ist einer bestimmten Frequenz zugeovales Fenster ordnet (Bild 8, 9). Basilarmembran Jeder Punkt auf der Basilarmembran kann als Bandpassfilter betrachtet werden, mit einer Mittenfrequenz, einer Bandbreite und beidseitig abfallenden Flanken. Die Bandbreite dieses Filters liegt zwischen 0.5 und 0.15 Oktave. Die Frequenzauflösung ist also begrenzt. Im Frequenzgebiet oberhalb von 500 Hz geschieht die Frequenzauflösung in einer logarithmischen Skala, darunter in konstanten Bandbreiten. Jecklin - Theorie der Tontechnik 2. Gehör, Vers. Mai 2003 4 Die Basilarmembran ist mit über zwei Millionen Haarzellen (Stereocilia) besetzt. Diese werden von den Bewegungen der Basilarmembran und der Flüssigkeit gereizt. Diese mechanischen Signale werden in elektrische Impulse umgewandelt. Bild 10 1.3.4 Hörnerv Die von den Haarzellen ausgehenden elektrischen Impulse werden vom Hörnerv zum Gehirn geleitet, wo sie verarbeitet und interpretiert werden. Knohenspirale Basilarmembran 0 8 16 24 32 mm Länge 0 160 320 480 640 0 600 1200 1800 0 3 0 0.25 6 9 1 12 2400 mel 15 18 21 24 Bark 2 4 0.125 0.5 Schneckenspitze 8 16 Hz Frequenzstufen Tonhöhenverhältnis kritische Bandbreite Frequenz ovales Fenster 1.3.5 Basilarmembran und kritische Bandbreite Bild 11 zeigt (als Folge einer Anregung) die typischen, asymmetrischen Verformungen der Basilarmembran mit einem steilen Anstieg und eine flacheren Abstieg. Von einer Verformung ist also nie ein Punkt, sondern immer ein Bereich betroffen, deren grösserer Teil oberhalb der Anregungsfrequenz liegt. Die Breite dieses Bereichs hängt von der Stärke der Anregung ab. Bei einer gleichzeitigen Anregung mit mehreren Frequenzen ist die sich einstellende “Hüllkurve” für die Empfindung massgebend. Anregungspunkt auf der Basilarmembran f Basilarmembran Bild 11 – 13 Jecklin - Theorie der Tontechnik Frequenz Hüllkurve der Vibration Resultat der Anregung mehrerer Bänder 2. Gehör, Vers. Mai 2003 5 2. Die Hörempfindungen 2.1 Tonhöhenunterscheidung Die im Bild 14 dargestellten Kurven zeigen folgendes: a) das kritische Frequenzband, das als gleich breit empfunden wird. Als Referenz für die Grössenordnung dieses Abstands dient die gestrichelt, einer Terzbreite anzeigenden Linie. b) die Frequenzauflösung für einzelne Sinustöne. c) minimale Frequenzdifferenz von zwei gleichzeitig erklingenden Tönen, die gerade noch als zwei Töne wahrgenommen werden. Diese Art der Frequenz-Ort-Umsetzung lässt sich mit der im Bild 14 gezeigten pegelabhängigen Verformung der Basilarmembran erklären. Bild 14 - 15 hoher Pegel Basilarmembran Frequenz tiefer Pegel 2.1.1 Zweitonempfinden ( Zwei Einzeltöne werden je nach Abstand als nur ein Ton, als Schwebung, als Rauhigkeit, oder dann richtig als zwei Töne empfunden. Massgebend ist die kritische Bandbreite. Bild 16 - 17) 2.1.2 Tonhöhe und Lautstärke Das Mittelohr liefert Nervensignale, die im Gehirn ausgewertet und interpretiert werden. Dabei kommt (wie bei allen Sinnesempfindungen) das WeberFechner‘sche Gesetz zum tragen (ein Reizzuwachs steht immer im gleichen Verhältnis zum bereits vorhandenen Reiz). Generell besteht zwischen physikalischem Reiz und der Empfindung ein logarithmischer Zusammenhang. Dies mit einem unteren Schwellenwert und einer Sättigung im Bereich des maximal zu verarbeitenden Reizes. Bild 18 Jecklin - Theorie der Tontechnik 2. Gehör, Vers. Mai 2003 6 2.2 Frequenzgang des Gehörs 2.2.1 Lautstärkeabhängigkeit des Frequenzgangs Der Frequenzgang des Gehörs ist abhängig von der Schallstärke. Wenn man die Frequenzgangkurven von Bild 19 umzeichnet ergeben sich die bekannten Kurven gleicher Lautstärke (nach Fletcher und Munson, Bild 20). Bild 19 2.2.1 Kurven gleicher Lautstärke (Bild 20) Lautstärkepegel (phon) Hörschwelle f(kHz) Jecklin - Theorie der Tontechnik 2. Gehör, Vers. Mai 2003 7 2.3.2 Schallstärke, Lautstärke und Lautheit Schallstärker in dB Die Schallstärke in dB ist die physikalisch messbare Stärke des Schalls. Die Angabe in dB (einer logarithmischen Verhältniszahl) bezieht sich auf den Bezugswert der Hörschwelle. 0 dB = 0,000204 dyn / cm2 Bild 21 Lautstärke in Phon Die Lautstärke in Phon entspricht im Bereich der grössten Ohrempfindlichkeit (im Bereich von 1000 Hz per Definition) der Schallstärke in dB. Im hohen und tiefen Frequenzbereich weicht die Lautstärke in Phon (entsprechend dem Frequenzgang des Gehörs) von der Schallstärke ab. Lautheit in Sone Die Angabe der Lautstärke in Phon gibt in der Praxis eine recht gute Beschreibung der Schallempfindung. Genauer ist aber die Angabe der Lautheit eines Tones mit der Einheit Sone. Der Zusammenhang zwischen Lautstärke (Einheit Phon) und Lautheit (Einheit Sone) ist in Bild 22 dargestellt. Lautheit von impulsartigen Schallvorgängen Das Lautheitsempfinden hängt nicht nur von der Stärke, sondern zusätzlich von der Art eines Schallereignisses ab. Länger dauernde Töne werden lauter empfunden als impulsartige Schallvorgänge. Dies lässt sich am Beispiel von sogenannten Tonbursts zeigen: Wegen der Trägheit der Basilarmembran führen Einschwing- und Ausschwingvorgänge zu einer “verrundeten” Auslenkung, und damit zu einem schwächeren Reiz. Zusätzlich eine Rolle spielt auch noch die Art des Signals. Bursts von reinen Tönen werden leiser empfunden als Bursts von breitbandigen Signalen. Einschwingzeit Schallsignal Tonburst Ausschwingzeit Bewegung der Basilarmembran Dauer des Tonbursts (ms) Bild 22-23 2.4 Frequenz, Tonhöhe und Tonheit Will man den Zusammenhang zwischen den physikalischen Grössen und der Gehörempfindung noch genauer darstellen, muss die Frequenz (die wegen der Art der Tonhöhenempfindung generell in einem logarithmischen Massstab aufgezeichnet wird) durch die empfundene Tonhöhe, die sogenannte “Tonheit” ersetzt werden. Die Einheit für die Tonheit ist das Mel. Bild 24 Jecklin - Theorie der Tontechnik 2. Gehör, Vers. Mai 2003 8 Gehörrichtige Darstellung von Frequenzgängen Auf dem Gebiet der Tontechnik sind einerseits Techniker, die sich mit der Entwicklung von Geräten und der Tonmesstechnik befassen, und andrerseits Musiker, und Konsumenten, die sich nur für die Hörempfindungen interessieren. Technisch sind Schallpegel übliche Darstellung und Frequenzen von Interesse, für Musiker und Konsumenten geht es aber um Lautheiten und Tonheiten. Dazu ein Beispiel (Bild 25 - 26): Lautsprecher werden messtechnisch untersucht, aber gehörsmässig beurteilt. Das Messergebnis zeigt den gehörrichtige Darstellung Schalldruckverlauf in Abhängigkeit von der Frequenz. Man “hört” aber die Lautheit in Abhängigkeit von der Tonheit. Würde man dies auch so darstellen, würde der Kurvenverlauf der gehörsmässigen Beurteilung besser entsprechen. 2.5 Hörfläche (Bild 27) Wellenlänge 2m 20m 140 Schalldruck 2 mw/m 1000'000 Schalldruck 2cm db pa 140 200 20cm h 20 100 100 2 10 80 80 0.2 0.1 60 0.02 40 0.002 20 20 0.0002 0 0 0.00002 60 g e a c f d 40 0.02 b 0.5 0.1 0.2 0.5 1 Frequenz (kHz) 2 5 10 0.1 mm 1000 120 120 Auslenkun 0.1 um 0.001 0.00001 0.0000001 - 10 pm 20 Bild 15 Eigenschaften des Gehörs (a) Hörschwelle mit 20 Jahren (b) Hörschwelle mit 40 Jahren (c) Hörschwelle mit 60 Jahren (d) Jugendlicher mit Disco-Hörschaden (e) Bereich von natürlich klingender Musik in der entsprechenden Umgebung (f) Bereich der Sprache, (g) Grenze oberhalb der bei längerdauernder Beschallung Hörschäden möglich sind (entspricht einer Schallstärke von 10mW / m2) (h) Schmerzgrenze Jecklin - Theorie der Tontechnik 2. Gehör, Vers. Mai 2003 9 2.6 Klangfarbenhören nt 2 Neben der Tonheit (Klanghöhe) und der Lautheit (Klangstärke) a ist die Klangfarbe das dritte psychoakustische Merkmal eines Klanges. Die Klangfarbe wird vom Spektrum eines Klanges bestimmt. e Beispiele für exakt wahrnehmbare und beschreibbare Klänge sind i die Vokale, deren Klangfarbe von sogenannte Formanten bestimmt wird. o Mit dem Begriff Formant bezeichnet man den oder die Teilu tonbereiche mit maximaler Stärke innerhalb eines FrequenzspektFormant 1 rums. Den im Bild 29 dargestellten Spektren kann man entnehmen, dass für jeden Vokal zwei Formantbereiche typisch sind. Die Frequenzlage der Vokalformanten wird im sogenannten Vokaldreieck dargestellt. 2.7 Verdeckungseffekt (Maskierung) Bild 30, 31, 32 Definition: Wahrnehmung des lauteren und Nicht-MehrWahrnehmung des leiseren von zwei Schallereignissen, denen ein Ohr gleichzeitig ausgesetzt ist. Das leisere Schallereignis wird dabei vom lauteren verdeckt. Praktisch wird die Hörschwelle für das leisere Ereignis angehoben (sogenannte Mithörschwelle). Massgebend ist dabei einerseits das Verhältnis der Schallpegel, andrerseits die Spektren der zwei Schallereignisse. Bei einer Erhöhung des Schallpegels wird ein verdecktes Signal plötzlich wieder hörbar. Die Mithörschwelle fällt nach tieferen Frequenzen hin steil, nach höheren Frequenzen hin flach ab. Höhere Frequenzen werden von tieferen besser verdeckt als umgekehrt. Mithörschwelle und Verdeckung bei weissem Rauschen Bild 31 zeigt die Mithörschwelle LT von Sinustönen, die durch weisses Rauschen mit verschiedener Dichte Iwr verdeckt werden. Mithörschwelle und Verdeckung bei Schmalbandrauschen Bild 32 zeigt die Mithörschwelle LT bei Verdeckung durch frequenzgruppenbreites Schmalbandrauschen mit einer Mittenfrequenz von 1 kHz Jecklin - Theorie der Tontechnik 2. Gehör, Vers. Mai 2003 10 2.8 Richtungs - und Positionshören Abhängig von der Schalleinfallsrichtung werden die beiden Ohren unterschiedlich beschallt. Die Ortung einer Schallquelle findet primär auf Grund der Unterschiede zwischen den zwei Schallsignalen am Ort der beiden Trommelfelle statt. Aber nicht aussschliesslich, denn interessanterweise ist auch einohriges Richtungshören möglich. 2.8.1 Einohriges Richtungshören Ein einfacher Versuch zeigt die Tatsache, dass auch mit nur einem aktiven Ohr Richtungshören möglich ist: Eine Schallquelle müsste mit einem rechten verschlossenen Ohr eigentlich links geortet werden. Das ist aber nicht der Fall. Die Schallquelle wird auch einohrig an ihrer wahren Position, oder allenfalls leicht nach links verschoben geortet. Dies ist allerdings nur im Frequenzgebiet oberhalb von 1,5 kHz der Fall. Kurve 1 Symmetrie ebene Kurve 2 Kurve 3 180° Bild 33, 34, 35 Ursache für diese einohrige Ortungsmöglichkeit sind frequenzselektive, sehr schmalbandige Reflexion an der Ohrmuschel, die zu Ueberhöhungen und Absenkungen von bis zu 10 dB am Ort der Trommelfelle führen. Das Frequenzmuster dieser Reflexionen ist individuell (es gibt nicht zwei Menschen mit identischen Ohrmuscheln), und zudem unterschiedlich für die linke und rechte Ohrmuschel. Diese Erscheinung spielt unter anderem eine Rolle bei der vorn/hinten- und der oben/unten-Ortung. 2.8.2 Zweiohriges Richtungshören Intensitäts- und Frequenzgangunterschiede Am Kopf wird der Schall für das einer Schallquelle zugewandte Ohr gestaut, für das abgewandte Ohr hat der Kopf eine Abschirmwirkung. Diese ist umso grösser, je weiter die Schallquelle von der Symmetrieebene des Kopfes weggedreht ist. Die Intensitätsunterschiede am Ort der beiden Ohren sind winkel- und frequenzabhängig: • Im Bereich der tiefen Töne hat das Schallsignal am Ort der beiden Ohren die gleiche Intensität, und zwar unabhängig von der Position der Schallquelle (Grund: die Wellenlänge ist gross im Verhältnis zum Kopfdurchmesser). • Im Bereich der hohen Töne ist ein für die jeweilige Frequenz typischer IntensitätsBild 36, 37, 38 unterschied vorhanden. Jecklin - Theorie der Tontechnik 2. Gehör, Vers. Mai 2003 11 Klangfarbenunterschiede Da die Intensitätsunterschiede stark frequenzabhängig sind, ergeben sich bei komplexen Klängen Klangfarbenunterschiede am Ort der beiden Orten. Bei einem bekannten Klang ist deshalb eine Ortung der Schallquelle aufgrund des Klangunterschiedes möglich. Allerdings handelt es sich dabei eigentlich nicht um eine Richtungsbestimmung durch den Gehörmechanismus, sondern um eine Richtungsinterpretation. Dieser Mechanismus spielt eine Rolle bei der vorne/hinten – Ortung Eintreffzeit-Unterschiede Wenn der Abstand Schallquelle - linkes Ohr und Schallquelle - rechtes Ohr nicht gleich gross sind (und das ist immer der Fall, wenn sich die Schallquelle nicht in der Symmetrieachse des Kopfes befindet), trifft der Schall nicht gleichzeitig am Ort der beiden Ohren ein. Der winkelabhängige Zeitunterschiedes wird vom Gehör als Richtungsinformation interpretiert. Kombination Intensitäts- und Laufzeitunterschied Beim natürlichen Hören treten Intensitäts- und Eintreffzeit-Unterschiede immer verkoppelt auf. wobei sich ihre Wirkungen summieren. Setzt man sie “entgegengesetzt” ein (beim natürlichen Hören nicht möglich), können sie sich aufheben (Bild 41). Abhängig von der Frequenz entspricht ein Zeitunterschied von 1ms einem Intensitätsunterschied von 5 bis 12dB. Bild 39, 40, 41 2.9 Positions- und Räumlichkeitesempfinden Erste Wellenfront Eine Richtungsbestimmung ist auch in sehr halligen Räumen möglich, also immer dann, wenn der Pegel des diffusen, reflektierten Schalls viel grösser ist als der des direkten Schalls von der Schallquelle. Bei impulsförmigen Schallvorgängen wird der Schall als aus der Richtung kommend empfunden, aus der die erste Wellenfront auf die Ohren auftrifft. Eine brauchbare Ortung ist aber nur möglich, wenn der diffuse Schall um 40...60 ms gegenüber dem direkten verzögert ist. Bei noch grösserer Verzögerung findet eine separate Richtungswahrnehmung statt. In einem sehr halligen Raum zum Beispiel nimmt man die erste Reflexion von der Raumrückwand getrennt wahr. Entfernungshören In der Praxis wird die Entfernung einer Schallquelle aus dem Verhältnis zwischen direktem und diffusem Schall abgeschätzt. Eine genaue Entfernungsbestimmung ist nur in einem bekannten Raum möglich. In einem unbekannten Raum (oder bei Lautsprecherwiedergabe) lässt sich ein Entfernungsunterschied zwischen zwei Schallquellen nur feststellen, wenn die Hallanteile deutlich unterschiedlich sind. Jecklin - Theorie der Tontechnik 2. Gehör, Vers. Mai 2003 12 Bei kleinem Abstand eines Zuhörers von einer Schallquelle wird die Entfernung auf eine andere Art festgestellt : Strahlt eine Schallquelle den Schall kugelförmig ab, so nimmt der Schalldruck mit dem Quadrat der Entfernung von der Schallquelle ab und zwar unabhängig von der Frequenz. Die entfernungsabhängige Abnahme der Schallschnelle ist dagegen linear und frequenzabhängig (Grund: massgebend ist die Wellenlänge). Bild 42 Das entfernungsabhängige Verhältnis der Intensitäten von Schalldruck und Schallschnelle ermöglicht eine Entfernungsbestimmung aufgrund der sich ändernden Klangfarbe. Diese Art der Entfernungsbestimmung ist nur bis zu einem Abstand von ca. 1,5 m von der Schallquelle möglich. 2.10 Projektion einer Schallquelle nach aussen Das menschliche Gehör nimmt nicht nur äusseren Schall wahr, sondern auch Schall, der im Körper selbst entsteht ( Klopfen der Blutgefässe ). Obwohl der äussere und der innere Schall gleichermassen auf den Gehörmechanismus wirken, ist man in der Lage, zwischen diesen beiden Schallarten zu unterscheiden: Von aussen kommender Schall wir nach aussen projiziert, körpereigener Schall wird im Kopf lokalisiert. Für diese unterschiedliche Wahrnehmung gibt es mehrere Gründe: Der visuelle Eindruck spielt eine Rolle. Von einer Schallquelle, die gleichzeitig visuell wahrgenommen wird, nimmt ein Hörer unbewusst an, dass sie sich nicht im Körperinnern befindet. Eine körpereigene Schallquelle wird unabhängig von der Stellung des Kopfes immer gleich wahrgenommen. Bei einer äusseren Schallquelle ändern sich die Signale der beiden Ohren schon bei einer leichten Kopfbewegung. In der Praxis wird der Kopf immer innerhalb eines Winkels von etwas 70 bewegt. Eine Schallquelle wird immer unwillkürlich angepeilt. Der Mechanismus, der diese Projektion nach aussen ermöglicht, ist sehr empfindlich. Sehr laute Geräusche werden, unabhängig von ihrer Herkunft, im Innern des Kopfes lokalisiert. 2.11 Wiedergabe von Aufnahmen mit wenigen Kanälen Bild 43 Mit dem Begriff Raumeindruck bezeichnet man die Hörempfindung, die man hat, wenn man sich mit einer oder mehreren Schallquellen in einem abgeschlossenen Raum befindet. Der Raumeindruck wird von der Halligkeit bestimmt. Bei der Wiedergabe von Musikaufnahmen hat man das Gefühl, in einen andern Raum “hineinzuhören”, bei Monowiedergabe durch ein Loch in der Wand, bei StereowieJecklin - Theorie der Tontechnik 2. Gehör, Vers. Mai 2003 13 dergabe von einer Loge aus. Einen echten Räumlichkeitseindruck kann man nur mit einer mehrkanaligen Wiedergabe (Surround Sound) simulieren. Jecklin - Theorie der Tontechnik 2. Gehör, Vers. Mai 2003 14 3. Lärm, Lärmbewertung, Gehörschäden 3.1 Wirkung von Lärm 3.1.1 Allgemeines Lärm ist kein rein physikalischer, sondern ein subjektiver Begriff. Für die Beurteilung, ob ein Schallereignis auch als Lärm empfunden wird, sind die davon Betroffenen massgebend. Entsprechend schwierig ist es. die subjektive Größe Lärm zu messen und zu bewerten. Die Belastung des Menschen durch Lärm hängt im Wesentlichen von folgenden, objektiv feststellbaren Faktoren ab: • Stärke, • Dauer, • Häufigkeit und Tageszeit des Auftretens, • Frequenzzusammensetzung. • Auffälligkeit, • Ortsüblichkeit • Art und Betriebsweise der Schall- oder • Geräuschquelle. Daneben gibt es auch noch eine Reihe von subjektiven Einflüssen, die quantitativ nicht eindeutig zu erfassen und zu bewerten sind: • Gesundheitszustand (physisch, psychisch), • Tätigkeit während der Geräuscheinwirkung, • Gewöhnung • persönliche Einstellung zum • Geräuscherzeuger. Dies alles ist in allen Einzelheiten in den VDI-Richtlinien 2058, Blatt I beschrieben. Eine objektiv bestimmbare Grösse, der im Bereich des Lärmschutzes eine ganz besondere Bedeutung zukommt, ist der sogenannte Beurteilungspegel, der die Wirkung eines Geräusches auf unser Gehör beschreibt. Die Höhe dieses Pegels hängt nicht nur von der Stärke, sondern zusätzlich von der Einwirkdauer eines Lärmereignisses ab. Es macht auch einen Unterschied, ob ein Geräusch dominierende Einzeltöne und/oder Impulse enthält. Dies ist bei der Bildung des Beurteilungspegels zusätzlich zu berücksichtigen. 3.1.2 Vorschriften Lärm ist hörbarer Müll. Zum Schutz der Menschen vor schädigendem Lärm gibt es gesetzliche Vorschriften, die in Deutschland in den folgenden Regelwerken zusammengestellt sind: • Technische Anleitung zum Schutz gegen Lärm (TALärm) vom 16.07.1968, • Unfallverhütungsvorschrift (UVV-) Lärm, (VBG 121 ) der gewerblichen Berufsgenossenschaften, Ausgabe 01.04. 1991. • Verordnung über Arbeitsstätten (Arb-StättV) vom 20.03. 1975, geändert durch Verordnung vom 01.08. 1983 (BGB1 I Seite 1057), §15, Schutz gegen Lärm. Jecklin - Theorie der Tontechnik 2. Gehör, Vers. Mai 2003 15 • VDI 2058 Blatt 1, Beurteilung von Arbeitslärm in der Nachbarschaft, September 1958 In der TALärm wird Lärm als Schall (Geräusch) definiert, “...der Nachbarn oder Dritte stören (gefährden, erheblich benachteiligen oder erheblich belästigen) kann ...”. 3.1.3 Schallmessung Schallpegel werden mit einem Schallpegelmesser gemessen. Auf dem Markt werden (bezahlbar) einfache und preiswerte Schallpegelmessgeräte angeboten. Daneben gibt es hochwertige, allen Anforderungen der internatonal genormten Messwerte-Ermittlung genügende Geräte, die selbstverständlich auch ihren Preis haben. Oft sind Schallpegelmesser Bestandteil größerer Akustik- Messanlagen Schalldruckpegel und Beurteilungspegel In der Schall-Messtechnik ist der Schalldruckpegel L (Einheit dB) die übliche Grösse zur quantitativen Erfassung und Beschreibung von Schallereignissen. Unter dem Schalldruckpegel versteht man den 20fachen Logarithmus des im Augenblick der Messung herrschenden Schalldrucks P (Einheit Newton/m2 oder Pascal. bzw. N/m2 oder Pa), ins Verhältnis gesetzt zum genormten Bezugsschalldruck p0. Es gilt: L = 20dB • lg(p/p0) Beim Wert p0 = 20 uN/m2 (entsprechend uPa) handelt es sich um den kleinsten Schalldruck, der hörbar ist. Für die Bildung des Schalldruckpegels werden von den Schalldruckwerten jeweils die Effektivwerte verwendet; Der Schalldruckpegel ist ein Mass für die Stärke eines Schallereignisses. Die Schallpegelskala beginnt bei 0dB (Hörschwelle) und reicht über die Schmerzgrenze bei etwa 120 dB (bei 1000 Hz) hinaus (Bild I), denn ein Jet-Triebwerk z.B. kann in einer Entfernung von 25 m einen Schalldruckpegel von 140 dB erzeugen. Bild 44, 45 Bewertung Die Messung des Schalldruckpegels geschieht entweder frequenzunabhängig oder frequenzbewertet. Frequenzunabhängig: linear gemessener Schalldruckpegel in db Frequenzabhängig: frequenz- bewerteter Schalldruckpegel, wobei die Art der Bewertung vom eingesetzten Bewertungsfilter abhängt. Man spricht dann von db(A), db(B), db© oder db(D) Bekanntlich ist die Empfindlichkeit des menschlichen Gehörs pegel- und frequenzabhängig. Dies kann man den durch subjektiven Hörvergleiche ermittelten Kurven gleicher Lautstärke (Einheit Phon) entnehmen. Seit den Dreissigerjahren hat man versucht, mit Hilfe bestimmter Filter eine möglichst gute Annäherung zwischen den mit einem Schallpegelmesser objektiv ermittelten Schalldruckpegeln und den Lautstärkepegeln zu realisieren. Zuerst gab es die sogenannten Ohrkurvenfilter, dann die Bewertungsfilter A, B und Jecklin - Theorie der Tontechnik 2. Gehör, Vers. Mai 2003 16 C. Da die Eigenschaften unseres Hörorgans komplex sind, lassen sie sich nicht durch einfache Filternetzwerke vollständig nachbilden. Im Bereich der Lärm-Messtechnik verwendet man heute praktisch nur noch die Frequenzbewertung A, und zwar unabhängig von der Höhe des jeweiligen Schallpegels. Die ABewertung ist also nicht mehr auf Geräusche mit niedrigen Pegeln beschränkt. Die so gemessenen Schallpegel LA (in dB(A)) bilden die Grundlage für die Bestimmung des Beurteilungspegels Lr. Die relativen Frequenzgänge der Bewertungskurven A. B und C sowie auch der D-Kurve (Frequenzbewertung für die Messung von Flugzeuglärm) sind in Bild 45 dargestellt. Die entsprechenden Pegelkorrekturen sind in der Tabelle 1 zu sehen. Dauertöne und impulsartiger Schall Die in der Praxis auftretenden Geräusche haben selten einen konstanten Pegel. In der Regel schwanken die Pegel mehr oder weniger stark. Oft haben sie einen Impulscharakter. z.B. in Kesselschmieden oder bei Explosionen. Das Ablesen eines für derartige Schallvorgänge repräsentativen Messwertes am Schallpegelmesser ist wegen der schwankenden Anzeige nicht möglich. Schallpegelmesser müssen daher in der Lage sein, neben dem im Augenblick der Messung herrschenden Momentaner des Schalldruckpegels auch den Mittelungspegel Lm zu bestimmen (Mittelwertbildung gemäss DIN 45641). Neben der Frequenzbewertung (A, B, C und D) spielt bei der Messung von Schalldruckpegeln die sogenannte Anzeige-Dynamik, die Zeitkonstante des Effektivwertes eine wichtige Rolle. Der zu messende Schalldruckpegel wird einer Zeitbewertung unterzogen. Genormt sind 3 verschiedene Zeitbewertungen: S (SLOW’) F (FAST) I (IMPULSE). Den mit der Zeitbewertung FAST und der Frequenzbewertung A gemessenen Mittelungspegel Lm = LAFm bezeichnet man auch als A-bewerteten, energieäquivalenten Dauerschallpegel Leq. Dieser sagt folgendes aus: Ein während einer bestimmten Zeit vorhandenes, schwankendes Geräusch mit einem Mittelungspegel Lm = Leq hat die gleiche (energieäquivalente) Wirkung auf unser Gehör hat, wie ein während der gleichen Zeit herrschender Dauerschall gleichen Pegels. Aus dem objektiv gemessenen erhält man den Beurteilungspegel Lr durch Berücksichtigung bestimmter Zu- und Abschläge für Fremdgeräusche, Ruhezeiten, Einzeltöne und Impulse (Details VDI 2058, Blatt I und DIN 45645, Teil 1). So wird der komplizierten Zusammenhang zwischen den messbaren Schallgrößen und ihren physiologischen und psychologischen Auswirkungen beim einzelnen Menschen näherungsweise Rechnung getragen. Beurteilungspegel Der Beurteilungspegel Lr ist ein Maß für die durchschnittliche Geräuschimission während der sogenannten Beurteilungszeit Tr. Er wird wie folgt angegeben: Lr = Leq + KI + KT (dB) mit KI Impulszuschlag (je nach Auffälligkeit) KT Tonzuschlag +3dB(A) oder +6dB(A) Jecklin - Theorie der Tontechnik 2. Gehör, Vers. Mai 2003 17 Beurteilungszeit Die Beurteilungszeit Tr ist das Zeitintervall, das der Berechnung des Beurteilungspegels zugrunde liegt. Für Geräuschimissionen am Arbeitsplatz beträgt Tr für eine normale Arbeitsschicht 8 Stunden. Für andere Geräuschimissionen (z. B. Verkehrsgeräusche) werden andere Zeiten angesetzt. (Details im Papier “Richtlinie für den Lärmschutz an Straßen RLS-90”, DIN 45645, Teil 1, Abschnitt 4.3.2). 3.2 Zustand des Gehörs Das bisher in diesem Kapitel gesagte gilt natürlich nur für den Hörvorgang eines intakten Gehörs. Nun sind aber heute Hörschäden (meist Verursacht durch zu lautes Musikhören mit Kopfhörern oder in Diskos nahezu normal. Der Zustand des Gehörs wird mit sogenannten Audiogrammen ermittelt. normales Audiogramm Die Hörschwelle liegt im normalen Bereich und zwar für die Luft- wie auch die Knochenleitung. Defekte im Innenohr (Bild 41 ) Die Hörschwelle ist deutlich abgesenkt mit einem zusätzlichen massiven Einbruch bei 4.5 kHz. Dies gilt für die Luft- wie auch für die Knochenleitung. Defekte im Mittelohr Die Hörschwelle für die Knochenleitung zeigt, dass das Innenohr intakt ist. Die um 50 dB abgesenkte Hörschwelle für die Luftleitung zeigt, dass die Schwingungsübertragung vom Trommelfell zum Innenohr geschädigt ist. Kombinierte Defekte Sowohl das Innenohr, wie auch das Mittelohr sind geschädigt. Das Audiogramm zeigt die kombinierte Wirkung beider Schädigungen. Jecklin - Theorie der Tontechnik 2. Gehör, Vers. Mai 2003 18 4. Tonalität und Tonscalen 4.1 Obertöne und Quintenstapel Bei den konventionellen Musikinstrumenten dient entweder eine schwingende Saite oder einer pulsierende Luftsäule der Schwingungs- und Klangerzeugung. Saiten und Luftsäulen schwingen einerseits als ganzes, andrerseits aber auch mehrfach unterteilt. Neben einer Grundschwingung entstehen so immer auch Oberschwingungen mit der doppelten, dreifachen, vierfachen, etc. Frequenz der Grundschwingung. Diese werden als sogenannte Obertöne von unserem Gehör nicht einzeln wahrgenommen. Sie verschmelzen mit dem Grundton zu einem Klang. Dies ist der Fall, weil alle diese Töne in einem harmonischen Verhältnis zueinander stehen, und die Intensität der Obertöne geringer ist als die des Grundtones. 4.2 Frequenzverhältnisse und Konsonanz Intervall Unisono Oktave Quinte Quarte grosse Terz grosse Sexte kleine Terz kleine Sexte Sekunde Frequ.-Verhältnis 1:1 2:1 3:2 4:3 5:4 5:3 6:5 8:5 9:8 grösste Zahl 1 2 3 4 5 5 6 8 9 Es gilt: • Je grösser die Zahl in der dritten Spalte der Tabelle, desto kleiner die Konsonanz des Intervalls. Die Quinte als Ausgangs-Intervall für die Bildung einer Tonscala Der zweite Oberton mit der dreifachen Frequenz des Grundtones liegt um eine Duodezime höher als der Grundton. Setzt man ihn eine Oktave Tiefer, dann erhält man das Intervall einer Quinte mit dem Frequenzverhältnis 3 : 2 (halbierte dreifache Frequenz des Grundtones). Dieses Intervall eignet sich zur Bildung von Tonscalen. Der Quintenstapel Werden Quinten aufeinander gestapelt“, durchlaufen sie den sogenannten Quintenzirkel. Nach 12 Quinten ist man bei der siebten Oktav des Ausgangstones angelangt. Werden nun alle durch Werden die durch die Quintenstapelung entstandenen Töne durch entsprechende gradzahlige Frequenzteilung in den Bereich einer einzigen Oktav heruntergesetzt, ergibt sich eine aus 12 Tönen bestehende Scala. F C G B D Es A E Gis Cis H Fis Durch die Auswahl einzelner Töne aus diesem Quintenzirkel sind folgende musikalisch brauchbare Tonleitern entstanden: die alte griechische Scala: C - F - G die pentatonische Skala C - D - F - G – A (chinesisch, alt-schottisch, Asien, Afrika) die Siebentonscala C - D - E - Fis - G – A – H (Syntho-lydisch) Jecklin - Theorie der Tontechnik 2. Gehör, Vers. Mai 2003 19 Universelle 12-Ton-Scala Die 12 Tönen des Quintenstapels bilden auch den Ausgangspunkt für eine universelle 12Ton-Scala. Problem: • Mit 12 gestapelten Quinten gelangt man nicht genau zur 7. Oktav. Die 12. Quinte liegt ein wenig höher als die 7. Oktav. Dies lässt sich rechnerisch zeigen: Nach 12 Quinten erreicht man eine Frequenz, die um den Faktor 3/2)12 höher liegt als die Ausgangsfrequenz. Nach 7 Oktaven erreicht man eine Frequenz, die um den Faktor 27 höher liegt als die Ausgangsfrequenz. Fazit: Es gibt keinen geschlossenen Quintenkreis, sondern nur eine endlose Quinten-Spirale. Das pythagoräische Komma • • 12 Quinten entsprechen einem Zahlenwert von 3/2)12 = 129.7463 7 Oktaven entsprechen einem Zahlenwert von 2 7 = 128 Die Zahlendifferenz von 1,7463 wird pythagoräisches Komma genannt. Dieses Komma ist die Ursache für die bekannten Probleme mit den Tonscalen und der Stimmung der Musikinstrumente. 4.3 Mögliche Tonscalen und Stimmungen 4.3.1 Reine Stimmung Alle Intervalle sind im Bezug auf C und die direkt benachbarten Töne so rein wie möglich. Note C Verhältnis zu C zu vorangehendem Ton 9/8 D E 1 9/8 10/9 16/15 F 5/4 9/8 G A H C 4/3 3/2 5/3 15/8 10/9 9/8 2 16/1 Merkmal dieser Stimmung: • es gibt zwei unterschiedliche Ganztöne mit dem Frequenzverhältnissen 9/8 und 10/9. • Die Scala ist nicht universell, sondern nur in jeweilen einer Tonart brauchbar. 4.3.2 temperierte Stimmung • Die Oktav wird rein gestimmt. Das pythagoräische Komma wird gleichmässig auf alle 12 Quinten des Quintenzirkels (und damit auf alle Halbtonintervalle der 12Ton-Scala) verteilt: Die Quinten werden zu klein, und damit unrein und nicht voll-zusammenklingend gestimmt. • Es tritt eine Schwebung auf. Die Verteilung des Kommas auf die 12 Halbtöne kann nun entweder so geschehen, dass die Stimmung gleichschwebend oder proportional-schwebend ausgeführt wird. Die temperierte Stimmung ist universell. Ohne sie wäre die Entwicklung der Musik seit Bach anders verlaufen. Jecklin - Theorie der Tontechnik 2. Gehör, Vers. Mai 2003 20 4.3.3 mitteltönige Stimmung • • • Die ersten vier Schritte des Quintenzirkels führen zum E, zur Terz (C-G-D-A-E). Bei der mitteltönigen Stimmung werden nun die Quinten C-G, G-D. D-A und A-E so gestimmt, dass das Intervall C-E rein ist. In diesem Fall wird das Intervall Gis - Es deutlich unrein. Man nennt es die WolfQuinte (quinte-de-loup). Die Tonscala ist nicht universell verwendbar! Jecklin - Theorie der Tontechnik 2. Gehör, Vers. Mai 2003 21 4.3.4 Frequenzverhältnisse (rein, mitteltönig und temperiert) Note reine Stimmung C-Scala C Cis Des Cx D Ebb Dis Es E Fb Eis F Fis Gb Fx G Abb Gis As Gx A Hbb Ais B H Ces His c‘ 1.000 1.125 1.250 1.333 1.500 1.667 1.875 2.000 Harmonie im Bezug auf: C G D 1.000 1.031 0.985 1.125 1.125 1.125 1.250 1.266 1.375 1.312 1.406 1.500 1.500 1.687 1.687 1.757 1.875 2.000 2.062 1.969 Jecklin - Theorie der Tontechnik F 1.00 1-167 1.333 1.500 1.667 1.833 2.000 A 1.042 1.146 1-250 1.458 1.667 1.875 2.083 mitteltönig temperiert (gleichschwebend) 1.000 1.045 1.070 1.092 1.118 1.145 1.168 1.196 1.250 1.280 1.306 1.337 1.398 1.431 1.460 1.495 1.531 1.563 1.600 1.633 1.672 1.712 1.747 1.789 1.869 1.914 1.953 2.000 1.000 1.059 1.122 1.189 1.260 1.335 1.414 1.498 1.587 1.682 1.782 1.888 2.000 2. Gehör, Vers. Mai 2003 22 4.4 Möglichkeiten für erweiterte Tonsysteme 4.4.1 Viertelton-Scala Manchmal verwendet wird auch das Viertelton-Systeme. Für diese Scala gibt es aber keine „natürliche“ Rechtfertigung. Es handelt sich um eine abstrakte Konstruktion (es wurden einfach die Halbtöne der temperierten Scala halbiert), die keinen Bezug zur empfundenen Tonalität hat. 4.4.2 Erweiterte Scala auf der Basis des Quintenstapels Folgende Scalen-Konstruktionen sind möglich: • die heute übliche 12/Ton-Scala, konstruiert aus 12 gestapelten Quinten, entsprechend 7 Oktaven mit einer Abweichung (pythagoräisches Komma) von1/4 Halbton • eine 41/Ton-Scala, konstruiert aus 41 Quinten, entsprechend 24 Oktaven und einem Komma von 1/5 Halbton • eine 53/Ton-Scala, aufgebaut aus 53 Quinten, entsprechend 31 Oktaven und eine Komma von 1/23 Halbton • eine 306/Ton-Scala, konstruiert aus 306 Quinten, entsprechend179 Oktaven und einem Komma von 1/60 Halbton Jecklin - Theorie der Tontechnik 2. Gehör, Vers. Mai 2003 23 Anhang A1 Demo-CD 2 „Hören“ 1. Lautstärke dB-Stufen und Lautheitsempfinden Signal: Breitbandrauschen (1) 10 x 6-dB-Stufen mit 1 Wiederholung (2) 15 x 3-dB-Stufen (3) 20 x 1-dB-Stufen (4) Zeitintegration der Lautheitsempfindung Der Pegel eines breitbandigen Rauschsignal-Bursts wird in mehreren Sequenzen in 8 identischen Stufen reduziert. Die Sequenzen unterscheiden sich nur in der Dauer der Bursts. • Je nach Burst-Dauer ist eine unterschiedliche Anzahl von Lautheitsstufen hörbar. (5) Frequenzabhängigkeit der Lautheitsempfindung Zuerst erklingt ein Pegelton. Dessen Lautstärke wird so eingestellt, dass der Pegelton gerade noch hörbar ist. Es folgt eine Reihe von Testtönen (sinus) mit unterschiedlicher Frequenz, und in 10 Pegelstufen mit jeweilen um 5 dB reduziertem Pegel. Die Sequenz wird einmal wiederholt. • Je nach Tonhöhe ist eine unterschiedliche Anzahl von Stufen hörbar. (6) kritische Bandbreite und Lautstärke Referenzsignal: Schmalbandiges Rauschen mit einer Mittenfrequenz von 1000 Hz und einer Bandbreite von 15% (930 Hz - 1075 Hz) als Referenz. Testsignals, dessen Bandbreite in 7 Stufen um je 15% vergrössert wird, bei gleichzeitiger Verringerung der Amplitude für konstante Leistung des Signals. 7 Paare Referenzsignal - Testsignal mit gleicher Leistung aber unterschiedlicher Bandbreite. Die Sequenz wird einmal wiederholt. • Wenn die Bandbreite des Testsignals die sogenannte kritische Bandbreite übersteigt, wird die empfundene Lautheit trotz gleicher Schall-Leistung grösser. 2. Tonhöhe und Konsonanz (7) Lautstärkeabhängigkeit der Tonheit Pegelton 200 Hz, dessen Lautstärke so eingestellt wird, dass er gerade noch hörbar ist. Tonbursts mit 200 Hz, 500 Hz, 1000 Hz, 3000 Hz, 4000 Hz und einer Dauer von 500 ms, die paarweise nacheinander erklingen. Der Pegel des jeweilen zweiten Tones ist 30 dB höher als der des ersten Tones (und 5 dB höher als der Pegel des Pegeltones). Es erklingen 6 Tonpaare verschiedener Frequenz. • Bei Tönen im Frequenzgebiet unterhalb von 1000 Hz nimmt die wahrgenommene Tonhöhe mit zunehmender Lautstärke ab. Bei Tönen im Frequenzgebiet oberhalb von 1000 Hz nimmt die Tonhöhe mit zunehmender Lautstärke zu (8) Tondauerabhängigkeit der Tonheit drei Kurztöne mit zunehmender Dauer. • Bei kurzer Dauer wird ein Klick gehört, der mit zunehmenden Dauer zum Ton mit erkennbarer Tonheit wird. Jürg Jecklin - Theorie der Tontechnik / Aufnahmeanalyse Demo-CD 2 ”Hören“ 24 (9) Verdeckung und Tonheitsempfinden Sinusburst 1000 Hz mit einer Dauer von 500 ms, abwechselnd mit dem gleichen, aber mit einem Tiefpass-Rauschen (Filter 900 Hz) verdeckten Sinusburst. 1 mal wiederholt • Der von einem leicht tiefer liegenden Rauschen verdeckte Tonburst wird höher wahrgenommen als der unverdeckte. (10) Aus- und Einblenden von Obertönen eines Klanges Komplexer Klang mit 20 Harmonischen. Die ersten 10 Obertöne werden der Reihe nach aus-, und dann wieder eingeblendet. • Beim Einblenden der Obertöne werden diese nicht mehr als Klangkomponenten, sondern diskret hörbar. (11) diatonische Skalen logarithmisch und linear diatonische 8-Ton-Skala mit logarithmischer, diatonische Skala mit linearer Abstufung. Beispiele einmal wiederholt • Beispiele zeigen die „gehörsmässige Begründung" der logarithmischen Skala (12) Chromatische Skala, logarithmisch und linear wie Demo (18), aber mit zwei chromatischen 12-Ton-Skalen. Beispiele einmal wiederholt • Beispiele zeigen die „gehörsmässige Begründung“ der logarithmischen Skala (13) Oktavabstimmung Ein 500 Hz-Ton wechselt ab mit Tönen, deren Frequenz in Stufen von 5 Hz von 985 Hz bis 1035 Hz zunimmt. • Der theoretisch reinen Oktav entspricht die Stufe 4 (1000Hz). Als rein empfunden wird aber (meistens) die Stufe 6 mit dem Frequenzpaar 500 Hz - 1010 Hz (14) gestreckte und komprimierte Tonskalen drei Versionen einer in hoher Tonlage gespielten Melodie mit Begleitung in tiefer Tonlage. 1. Beispiel: Melodie H-Dur, Begleitung C-Dur 2. Beispiel: Melodie Cis-Dur, Begleitung C-Dur 3. Beispiel: Melodie und Begleitung in C-Dur • Beispiel 1 ist akzeptabel (?), Beispiel 2 aber nicht. Richtig ist Beispiel 3 3. Schwebung (15) "Einton-Schwebung" Zwei Sinustöne mit Frequenzen von 1000 Hz und 1004Hz. • Zu hören ist eine Schwebung von 4Hz. (16) Schwebung bei Zweiklängen 1. Intervall das leicht grösser ist als eine Oktave (1000 Hz und 2004 Hz) 2. Intervall das leicht grösser ist als eine Quinte (1000 Hz und 1502 Hz) 3. Intervall das leicht grösser ist als eine Quart (1000 Hz und 1334.67 Hz) • in allen drei Fällen ist eine Schwebung zu hören 4. Verdeckungseffekt (17) Asymmetrie der Verdeckung maskierender Tonburst, abwechselnd mit einer Kombination von maskierendem Tonburst und einem Testtonburst. Bursts 200 ms mit anschliessender Pause von 100 ms. Der Pegel des Testbursts wird in 10 Stufen um jeweilen 5 dB reduziert. Ablauf: maskierender Burst 1200 Hz, Testtonburst 2000 Hz - maskierender Ton 2000 Hz, Testton 1200 Hz • Ein höherer Ton wird von einem tieferen verdeckt, ein tieferer Ton wird von einem höheren nicht verdeckt. Jürg Jecklin - Theorie der Tontechnik / Aufnahmeanalyse Demo-CD 2 ”Hören“ 25 (18) Rückwärts-Verdeckung Referenz: Sinustonbursts 2000 Hz mit einer Dauer von 10ms in 10 Pegelstufen von jeweilen -4 dB. Testsignal: Gleiche Folge von Sinustonbursts, aber mit anschliessenden SchmalbandRauschbursts(1900- 2100 Hz). Die Pause zwischen Sinusbursts und Rauschburst wird in 4 Stufen von 250 ms auf 100 ms, 20 ms und 0 ms reduziert. Die Sequenz wird einmal wiederholt • Der Sinuston wird nicht verdeckt (19) Vorwärts-Verdeckung Referenz: Sinustonbursts 2000 Hz mit einer Dauer von 10ms in 10 Pegelstufen von jeweilen -4 dB. Testsignal: Gleiche Folge von Sinustonbursts, aber mit vorangehendem SchmalbandRauschbursts (1900-2100 Hz). Die Pause zwischen Rauschburst und Sinusbursts wird in 4 Stufen von 250 ms auf 100 ms, 20 ms und 0 ms reduziert. • Der Sinuston wird pegel- und pausenabhängig verdeckt. (20) Verdeckung und Impuse-Wahrnehmungsschwelle Kombination von Tonburst 200 Hz sinus mit einer Dauer von 125 ms, gefolgt von einem Schmalband-Rauschbursts (1875 Hz - 2125 Hz, Dauer 125 ms). Die Kombination wird wiederholt, und zwar mit gleichbleibendem Pegel des Rauschbursts und, nach jeweilen 4 Folgen, mit einem um 1 dB reduziertem Pegel des Tonbursts. • Von einem gewissen Pegel an wird der Sinuston kontinuierlich wahrgenommen. 5. Klänge (21) Oberton-Zusammensetzung und Klang Klang von zwei musikalischen Klängen bei stufenweiser Addition von Obertönen • Entstehen eines Klanges (22) Virtueller Stimm-Ton von Klängen (virtual pitch) Signal: Klang mit einem Grundton von 200 Hz und 10 Harmonischen (9 Obertöne). Mit einem zugemischten Rauschsignal mit einer oberen Grenzfrequenz von 300 Hz und einem Pegel von -10 dB wird verhindert, dass ein eventuell in der Wiedergabeanlage entstehender Differenzton (Verzerrung) den Höreindruck verfälscht. Ablauf: Zuerst wird der Grundton,dann der erste, zweite, etc. Oberton entfernt. • Der Stimm-Ton ändert sich nicht. Die Funktion des nicht vorhandenen Grundtons übernimmt ein "virtueller" Grundton. 6. Verschiebung der virtuellen Stimm-Tonhöhe (23) harmonischer Dreiklang harmonischer Dreiklang mit fehlenden Grundtönen. Ablauf: Die Obertönewerden in gleichen Schritten nach oben verschoben werden bis der Dreiklang wieder harmonisch klingt. • Bei zwei Oberton-Kombinationen wird ein virtueller Grundton wahrgenommen. (24) Dreiklang Dreiklang mit den Frequenzen 800 Hz, 1000 Hz und 1200 Hz, anschliessend Dreiklang mit den Frequenzen 850 Hz, 1050 Hz und 1250 Hz. • Der Stimm-Ton wird von den virtuellen Grundtönen mit den Frequenzen 200 Hz und 210 Hz bestimmt. (25) Maskierung der virtuellen Stimm-Tonhöhe) Signal: Westminster-Melodie, gespielt mit jeweilen zwei aufeinanderfolgenden Tönen mit gleicher Tonhöhe. Der erste Ton ist ein Sinuston, der zweite ein komplexer Klang. Die Sinustöne sind mit Tiefpassrauschen verdeckt. • unverdeckt ändert sich der Stimm-Ton der komplexen Klänge nicht. verdeckt ist die Sinuston-Melodie ist weiterhin hörbar. Jürg Jecklin - Theorie der Tontechnik / Aufnahmeanalyse Demo-CD 2 ”Hören“ 26 (26) Virtuelle Stimm-Tonhöhe mit zufälligen Obertönen Westminster-Melodie, gespielt mit fehlendem Grundton und drei unterschiedlichen ObertonZusammensetzungen. 1. Beispiel:Obertöne 2 bis 6 2. Beispiel: Obertöne 5 bis 9 3. Beispiel: Obertöne 8 bis 12 • Die Melodie ist bei allen drei Bespielen erkennbar. (27) Virtuelle Stimm-Tonhöhe bei analytischem Hören und beim "Klanghören Signal: verdeckendes Rauschen und (abwechselnd) Zweitonkomplex mit den Frequenz 800 Hz und 1000 Hz, gefolgt von einem Zweitonkomplex mit den Frequenzen 750 Hz und 1000 Hz. • Beim analytischen Hören hat man das Gefühl, das der untere der zwei Töne tiefe wird (was ja auch der Fall ist). Beim Klanghören. bei dem man auf Grund der Obertöne einen virtuellen Grundton wahrnimmt, wird dieser Grundton höher. (28 ) Tonhöhenempfindung bei wiederholten Impustönen. 1. diatonische Skala über 5 Oktaven, gespielt mit einer Anzahl von Impulsen. Die Pause zwischen den Impulsen wird mit ansteigender Tonhöhe kürzer (15 ms - 0.48 ms) 2. diatonische Skala über 4 Oktaven, gespielt mit einer Anzahl von Impulsen. Die Pause zwischen den Impulsen haben eine Poisson-Verteilung mit Werten zwischen 15 ms und 0.95 ms. 3. diatonische Skala über 4 Oktaven, gespielt mit Bursts von weissem Rauschen mit KammfilterEffekt und Pausen zwischen 15 ms und 0.95 ms Dauer zwischen den Echos. • Unterschiedliche Deutlichkeit der Tonhöhenempfindung Unreine und falsche Stimmungen (29) Bachchoral (Referenz) (30) Melodie- und Obertonskala auseinandergezogen Basis: Frequenzverhältnis der Oktav nicht 2 : 1, sondern 2.1 : 1 • die unreine Skala wird vom Gehör "zurechtgerückt" (31) Melodieskala auseinandergezogen, Obertöne normal • Beispiel klingt deutlich unrein (32) Skala der Grundtöne normal, Skala für die Obertöne auseinandergezogen. • Beispiel klingt verwirrend und unnatürlich 7. K-Verzerrungen , Intermodulation, Kombinationstöne (33) Klirrverzerrung K2 Sinuston 440 Hz mit K2 und folgendem 880 Hz-Ton • der 880 Hz-Ton macht den Verzerrungsanteil deutlich (34) Klirrverzerrung K3 Sinuston 700 Hz mit K3 und folgendem 1kHz- Sinuston • der 1000 Hz-Ton macht den Verzerrungsanteil deutlich (35) Intermodulationsverzerrungen 2 Sinustöne mit 700 Hz und 1000 Hz mit symmetrischer Kompression, abwechseln mit 400 HzSuchton. • der kubische Interferenzton bei 400 Hz ist hörbar. Der Suchton verdeutlicht die Wahrnehmung. Jürg Jecklin - Theorie der Tontechnik / Aufnahmeanalyse Demo-CD 2 ”Hören“ 27 (36) Hörbarkeit der Phasenlage der K2-Frequenz Sinuston 440 Hz mit zugefügtem 880 Hz-Sinuston. Testsignal 1: Die Phasenlage des 880 Hz-Tones (K2, Oktav) variiert zwischen 90° und -90° Testsignal 2: quadratisch verzerrtes Sinussignal mit sich ändernder Phasenlage des 880 Hz-K2Tones • Beim „zusammensetzten“ Signal ist die Aenderung der Phasenlage nicht hörbar. • Beim verzerrten Sinus-Signal ist die Aenderung der Phasenlage deutlich hörbar. Kombinationstöne (37) Kombinationston 2 Sinustöne mit Frequenzen von 1000Hz und 1200Hz, und 804 Hz-Suchton • Man nimmt einen Kombinationston (Frequenz 800 Hz) wahr. Kombinationston und Suchton nimmt man kombiniert als Schwebung wahr. (38) Kombinationston bei variierendem Frequenzverhältnis Sinuston 1000 Hz und Sinuston, dessen Frequenz zwischen 1200 Hz und 1600 Hz variiert. • Die Tonhöhe des kubischen Differenztons bewegt sich entgegengesetzt zum variablen oberen Ton. Ein ebenfalls hörbar werdender quadratischer Differenzton bewegt sich in der gleichen Richtung wie der obere Ton, zeitweilig wird noch ein Differenzton 4ter Ordnung hörbar 8. binaurales Hören (Kopfhörerwiedergabe) (39) Schwebung 1. Sinustöne 1000 Hz und 1004 Hz gleichzeitig links und rechts. 2. linkes Ohr 250 Hz sinus, rechtes Ohr 251 Hz sinus. • Werden beide Ohren mit zwei Signalen mit leicht unterschiedlicher Frequenz beschallt, wird eine Schwebung hörbar. • Wird ein Ohr mit einem der zwei Töne beschallt, das andere Ohr mit dem andern, ist keine Schwebung hörbar. (40) Phasenunterschiede links/rechts 1. Sinuston 500Hz. Die Interaurale Phasenlage variiert zwischen +-45° 2. Sinuston 2000Hz. Die Interaurale Phasenlage variiert zwischen +-45° • Bei 500 Hz wirkt sich die Phasenlage gehörsmässig aus, bei 2000 Hz wirkt sich die Phasenlage gehörsmässig nicht aus. (41) Unterschiedliche Eintreffzeit links/rechts Klicksignale mit variierten Unterschieden der Eintreffzeit im linken und rechten Kanal (Variation +-5 ms). Der Pegel des Klicksignals ist in beiden Kanälen immer gleich gross. • Richtungsinterpretation der Eintreffzeitunterschiede am Ort der beiden Ohren. (42) Unterschiedliche Intensität links/rechts Signale: Variierte interaurale Intensitäts-Differenz eines Sinustones mit einer Frequenz von 250 Hz. (Variation +- 32 dB) Variierte interaurale Intensitäts-Differenz eines Sinustones mit einer Frequenz von 4000 Hz. Variation +- 32 dB • Richtungsinterpretation der interauralen Intensitäts-Differenz (43) Binaurale Verdeckung: Test- und Verdeckungssignal links Referenzsignal: Sinusbursts mit einer Frequenzvon 500 Hz im linken Kanal. Pegel nimmt in 10 Stufen ab (1. Stufe 10dB, weitere Stufen 3 dB) Testsignal: gleiches Signal aber mit zusätzlichem Verdeckungsrauschen. • es findet eine Verdeckung statt. Jürg Jecklin - Theorie der Tontechnik / Aufnahmeanalyse Demo-CD 2 ”Hören“ 28 (44) Binaurale Verdeckung Testsignal links, Verdeckungssignal links und rechts. • Das Verdeckungsrauschen wird nicht am gleichen Ort lokalisiert wie die Sinusbursts, sondern im Kopf. Die Sinusbursts sind abgesetzt und deutlicher hörbar. (45) Binaurale Verdeckung Test- und Verdeckungssignal links und rechts • deutlichere Verdeckung als bei (44) und (45) (46) Binaurale Verdeckung Test- und Verdeckungssignal links und rechts, interaurale Phasenlage 180° (rechts verpolt) • Sinus- und Verdeckungssignal werden örtlich unterschiedlich wahrgenommen. Das Sinussignal ist deutlich wahrnehmbar. (47) akustische Illusion Tonsequenz mit unterschiedlichen Tönen im linken und rechten Kanal • Rechtshänder nehmen den höheren Ton im rechten Ohr wahr, den tiefen Ton im linken. Dies unabhängig von der Zuordnung der Kopfhörerseiten (ein Wechsel der Kopfhörerseiten ändert nichts an dieser Wahrnehmung). • Linkshänder nehmen individuell den höheren Ton entweder im rechten oder im linken Ohr wahr. 9. zweikanaliges Hören (Lautsprecher, Stereoaufstellung) (48) Phasendifferenz links/rechts 0 / 30° / 60° / 90° / 180° (49) Pegeldifferenz links/rechts 0 / 3dB / 7.5dB / 15dB / 90dB 10. akustische Phänomene und Gehörtäuschungen (50) Intervallabhängige Melodie- und Rythmus-Muster Signal: Sinuston mit einer Frequenz von 2000 Hz und Sinuston mit einer sich zwischen 1000 Hz und 4000 Hz ändernden Frequenz. • Wenn die zwei Töne frequenzmässig nahe beieinander liegen, nimmt man einen "galoppierenden" Rhythmus wahr. Liegen die zwei Töne weiter aneinander werden sie isoliert wahrgenommen. Drehzyklische Tonhöhenempfindung (akustische "Endlos-Treppen") (51) Effektsignal nach Shepard (52) Effektsignal nach Risset 11. Räumlichkeit und Hall (53) Aufnahme nachhallarm (54) mit Hall vom Konzerthaus Wien (55) mit Hall vom Salle de Musique la Chaux-de-Fonds (56) mit Hall von der Siemens-Villa Berlin (57) mit Hall von der Jesus-Christus-Kirche Berlin (58) mit Hall von der St. Peterskirche, Neuss Jürg Jecklin - Theorie der Tontechnik / Aufnahmeanalyse Demo-CD 2 ”Hören“ 29 12. Mikrofone und Mikrofonanordnungen Mikrofone (59) B+K 4006 (60) B+K 4011 (61) Schoeps CMC54 (62) Neumann U87 (63) 130 (64) Demo Richtcharakteristik Niere (65) Demo Nahbesprechungseffekt (66) genutzter Nahbesprechungseffekt Mikrofonanordnungen (67) A-B (68) ORTF (69) X-Y (67) M-S (71) NOS (72) KF 13. elektrische Signale (73) Sinus, 400Hz, 1kHz (74) Sinus Sweep 1kHz-Pegelton und sweep 25Hz - 315Hz (80) Oktavrauschen 250Hz, 500Hz, 1kHz, 2kHz, 4kHz, 8kHz (76) Sinus sweep 1kHz-Pegelton, warble 315Hz - 20kHz (81) Terzrauschen 250Hz, 315Hz, 400Hz, 500Hz, 630Hz, 800Hz, 1kHz, 1.25kHz, 1,6kHz 2kHz, 2.5kHz, 3.15kHz 4kHz (77) white noise (82) Sinus, Dreieck, Sägezahn, Rechteck (78) pink noise (83) Klänge Sinus 400Hz, dito mit 2. und 4. Harmonischen, dito mit 3. und 5. Harmonischem (75) warble tone 400Hz (Sinus) (79) IEC – noise 14. Einohriges Richtungshören (mono, Kanal links) (84) Sinus-Sweep 40 Hz – 10 kHz Test: 1 Ohr wird mit Finger verschlossen • Im tiefen Bereich wird das Signal auf der Seite des offenen Ohres geortet. Ab etwa 1500 Hz wird das Signal zunehmend vorn geortet. Jürg Jecklin - Theorie der Tontechnik / Aufnahmeanalyse Demo-CD 2 ”Hören“
