3 Anhang 1
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Error! Use the Home tab to apply Überschrift 3;H3 to the text that you want to appear here. 1 EINLEITUNG......................................................................................................... 3 1.1 Gegenstand der Psychoakustik ................................................................................................................. 3 1.1.1 Auditive Kommunikation .................................................................................................................... 3 1.1.2 Akustik ................................................................................................................................................ 4 1.1.3 Psychoakustik und Psychologie ........................................................................................................... 4 1.2 Wahrnehmung ........................................................................................................................................... 5 1.2.1 Problemtypen ....................................................................................................................................... 6 1.2.2 Aufgaben der Psychoakustik ............................................................................................................... 7 2 PHYSIKALISCHE GRUNDLAGEN ..................................................................... 11 2.1 Physikalische Größen .............................................................................................................................. 11 2.1.1 Das système international d’unitées (S.I., ISO 1000, 1973) .............................................................. 11 2.1.2 Abgeleitete physikalische Größen ..................................................................................................... 11 3 ANHANG 1.......................................................................................................... 13 3.1 Audio Pegel und Amplitudenmessungen ............................................................................................... 13 3.1.1 Spannungs- und Audio Signalpegel ................................................................................................... 13 3.1.2 Amplitude Measurements, Root Mean Square Value, VRMS .......................................................... 13 1 Error! Use the Home tab to apply Überschrift 3;H3 to the text that you want to appear here. 2 Error! Use the Home tab to apply Überschrift 3;H3 to the text that you want to appear here. 1 Einleitung 1.1 Gegenstand der Psychoakustik 1.1.1 Auditive Kommunikation Immer dann, wenn ein oder mehrere Lebewesen Signale aufnehmen und verarbeiten, sprechen wir von Kommunikation (Meyer-Eppler, 1969). Diese Signale sind stets physikalisch, chemisch oder biologisch nachweisbar. Nach S.S. Stevens (1950) liegt Kommunikation bereits dann vor, wenn ein Organismus auf Disturbanzen in der Umwelt diskriminativ reagiert, d.h. wenn ein Reiz aus der Umwelt auf ein Lebewesen einwirkt und dieses daraufhin irgendetwas tut („communication is the discriminatory resonse of an organism to a stimulus“). Damit haben die Signale Zeichen übertragen. Die Reaktionen auf einen Reiz müssen nicht immer direkt von außen beobachtbar sein. Eine Botschaft, die jedoch zu keinerlei Antwort führt, ist keine Kommunikation. Bei der hohen Empfindlichkeit der menschlichen Sinnesorgane genügen oft sehr geringe Signalstärken, etwa wenige Photonen zur Reizung der Netzhaut, wenige Mikron (1µ = 10-6m) einer mechanischen Bewegung, um überschwellig wirksam zu werden. Vergegenwärtigen wir uns die Situation beim Hören, so bestehen Disturbanzen in Form der Schallwellen in der umgebenden Luft, die entsprechende Bewegungen des Trommelfells verursachen, die ihrerseits wesentlich kleiner als der Durchmesser eines Wasserstoffmoleküls (wenige Angström: 1Å = 10-10m) sein können. Selbst derart schwache Signale werden vom Gehör aufgenommen, verarbeitet und interpretiert wodurch sie als Informationsträger fungieren. Es kann daher angenommen werden, dass alle in der Psychoakustik anstehenden Phänomene und Probleme entweder selbst Teile eines Kommunikationsprozesses sind oder damit zumindest in enger Verknüpfung stehen. Somit ist es auch gerechtfertigt, ein kommunikationstheoretisches Modell als Grundlage für weitere Überlegungen an den Beginn der Betrachtungen zu stellen (Abbildung 1). KOMMUNIKATIONSTHEORETISCHES MODELL Abbildung 1: Blockschaltbild einer einfachen Kommunikationskette. Den einfachsten Fall einer unilateralen Kommunikation bildet die Beobachtung. Die Signalquelle (der Sender) strahlt akustische, elektrische oder chemische Signale ab, die von einem oder mehreren menschlichen Beobachtern aufgenommen und interpretiert werden. Diese Aufnahme von Signalen kann entweder unmittelbar durch den Menschen oder mit Hilfe von Empfangsgeräten erfolgen. Jedes Glied der Kommunikationskette stellt, für sich selbst betrachtet, wieder ein komplexes System dar. Im Falle des menschlichen Beobachters ist es ein biologisches, bei der Schallquelle in der Form eines Lautsprechers handelt es sich um ein elektroakustisches System. Zur Übertragung der von der Quelle abgestrahlten Schallenergie dient die Luft als Medium. 3 Error! Use the Home tab to apply Überschrift 3;H3 to the text that you want to appear here. Abbildung 2: Glieder und Verbindungen einer zusammengesetzten Kommunikationskette mit den einzelnen Stadien des Informationsflusses und den psychophysiologisch abgrenzbaren Ebenen physikalischer und psychophysiologischer Aktivität Allgemein bieten sich zur Erforschung von Kommunikationsprozessen folgende drei Grundwissenschaften an (Rohracher, 1967): Physik, Psychologie und Physiologie. Das ergibt sich aus der Natur der Phänomene, die man bei der Auseinandersetzung eines Lebewesens mit seiner Umwelt beobachten kann. Daneben haben sich in den letzten Jahrzehnten eine Anzahl von Einzelwissenschaften weiterentwickelt, die die Erforschung der Gesetzmäßigkeiten zwischen den Primär-Bereichen zum Gegenstand haben. Das sind: zwischen der Physik und Physiologie die Sinnesphysiologie, zwischen der Physiologie und Psychologie die Neuropsychologie und zwischen der Physik und Psychologie die Psychophysik (Guttmann, 1972; S. 7). Im Bereich der auditiven Kommunikation (des Hörens) sind primär zwei Wissenschaften beteiligt, die Akustik und die Psychologie: 1.1.2 Akustik unter Akustik verstehen wir die Wissenschaft vom Schall, seiner Produktion, seiner Übertragung und seinen Wirkungen. Teilgebiete der Akustik umfassen die Bioakustik, die Musik Studien zur Physik der Musikinstrumente (Instrumentenakustik), die akustische Sprachproduktion und -perzeption, die psychologische Akustik, die physiologische Akustik, sowie die akustische Signalverarbeitung; ferner die Wirkung und Kontrolle von Lärm, sowie allgemein das Studium mechanischer Schwingungen und Stöße in Luft und anderen Medien, schließlich die nichtlineare Akustik und die akustische Holographie. 1.1.3 Psychoakustik und Psychologie PSYCHOLOGIE Die Psychologie ist die Wissenschaft, welche die bewussten Vorgänge und Zustände mit ihren Ursachen und Wirkungen, sowie ihre Rolle bei der Entwicklung der Persönlichkeit zu untersuchen hat (Rohracher, 1971; S.4). Die Psychologie ist insbesondere auch die Wissenschaft vom Verhalten, einschließlich des Studiums der Motivation, des Lernens, der Wahrnehmung usw. (ANSI S3.20-1973). 4 Error! Use the Home tab to apply Überschrift 3;H3 to the text that you want to appear here. PSYCHOPHYSIK Die Psychophysik ist ein Teilgebiet der Psychologie und beschäftigt sich mit den gesetzmäßigen Relationen zwischen den messbaren Gegebenheiten der physikalisch - chemischen Umwelt und deren erlebtem, psychischen Abbild (Hofstätter, 1962). PSYCHOAKUSTIK Die Psychoakustik selbst ist ein Teilgebiet der Psychophysik. Sie ist die Wissenschaft, die sich mit den psychologischen Korrelaten der physikalischen Parameter der Akustik, also des Schalls, sowie seiner Produktion, Übertragung und seinen Wirkungen, beschäftigt (ANSI S3.20-1973). Die Psychoakustik untersucht die physikalischen Einwirkungen der akustischen Signale auf das bewusste Erleben und versucht die gegenseitigen Beziehungen mathematisch zu erfassen. Dieser Systematik entsprechend ist demnach die Psycholinguistik als jene Wissenschaft, die sich mit den psychologischen Korrelaten der physikalischen Parameter des Sprechens und der Sprache beschäftigt, ein Teilgebiet der Psychoakustik. 1.2 Wahrnehmung Wir bezeichnen das bewusste Aufnehmen und Interpretieren von Signalen als Wahrnehmung (Perzeption). Dabei wandeln die Sinnesorgane (z.B. das Ohr) die physikalischchemischen Energien in Erregungen der afferenten sensorischen Nerven um. Diese Erregungen können in Form von Nervenaktionspotentialen (AP) beobachtet werden. Jede Stufe des neuronalen Systems verarbeitet die ursprünglichen Signale zu höher strukturierten Informationseinheiten. Im Zentralorgan, der Großhirnrinde (Cortex), findet dann die endgültige Verarbeitung und Einordnung in das bewusste Erleben statt. Insbesondere die Neuropsychologie hat sich der Erforschung der letztgenannten Aspekte angenommen (Guttmann, 1972). Neueste Entwicklungen auf dem Gebiete der artifiziellen neuronalen Netzwerke (ANN) lassen diese Richtung nunmehr besonders erfolgreich erscheinen. Die Untersuchung der biologischen Grundlagen des Erlebens und Verhaltens waren immer für die Psychophysik im Allgemeinen und für die Psychoakustik im besonderen von großer Bedeutung. Tatsächlich haben die Arbeiten etwa Georg von Békésy's, Wever & Bray's usw. auf dem Gebiete der Hörtheorien bahnbrechende Erfolge in der Psychoakustik gebracht, die heute noch als kräftiges Stimulans auch auf rein psychologische Fragestellungen wirken. Die klassischen Arbeiten der Begründer der Psychophysik hingegen (vgl. Weber, E. H., 1795-1878 und Fechner, G. Th., 1801-1887), fußten noch ganz auf dem einfachen Stimulus-Response-Schema (S → R). Spätestens mit J. Müller (1838), um nur einen Vertreter der neueren Richtung zu nennen, war es evident, dass der Reiz (S) und die Reaktion (R) nur die unmittelbar sichtbaren Endpunkte eines komplexen, psychophysiologischen Ablaufes sind, der aus mehreren Einzelprozessen zusammengesetzt gesehen werden kann. Müller beeinflusste mit seinem Prinzip der spezifischen Sinnesenergien, welches besagt, dass die Qualität einer Empfindung von der Art des Rezeptors und den jeweils nachgeschalteten Leitungsbahnen abhängt, möglicherweise u.a. auch die Helmholtzsche Ortstheorie des Hörens. Jedenfalls wurde das ursprüngliche S R - Modell auf S A E R erweitert; A entspricht dabei der Aktivierung im Nervensystem und E steht für die Empfindung, die eine Versuchsperson (Vp) zu einer motorischen Reaktion oder zu einem Urteil veranlässt. Mit den Methoden der modernen Neurophysiologie ist es heute leicht möglich, mindestens drei deutlich abgrenzbare Ebenen neuronaler Aktivität zu unterscheiden: (1) periphersensorisch, (2) zentral-cognitiv, (3) peripher-effektorisch. Das klassische S → R - Schema wird daher noch einmal erweitert auf: S(Stimulus) → A(sensorisch) E(cognitiv) → A(effektorisch) → R(Response). Projiziert man dieses Modell auf das Schema in Abbildung 1, so erhält man eine Kommunikationskette, in der die einzelnen Stadien des In- 5 Error! Use the Home tab to apply Überschrift 3;H3 to the text that you want to appear here. formationsflusses, abgegrenzt nach den jeweils wirksamen physikalischen und psychophysiologischen Ebenen klar erkennbar werden. Die Annahme des kommunikationstheoretischen Modells gestattet ferner die Betrachtung der bei der Wahrnehmung von akustischen Signalen ablaufenden Prozesse vom Standpunkt des externen Beobachters aus, der das Geschehen selbst durch seine Beobachtung nicht unkontrolliert beeinflussen soll. Eine Forderung, die für eine empirische Vorgangsweise unabdingbar ist und besondere Anforderungen an das experimentelle Design stellt. Auf den verschiedenen Ebenen eines wissenschaftlichen Problems ist die Abgrenzung der Zuständigkeitsbereiche der jeweils beteiligten Einzeldisziplinen oft identisch mit der Frage nach dem bestmöglichen methodischen Zugang zur Erforschung einer Fragestellung. 1.2.1 Problemtypen Generell können im Bereich der Wahrnehmungspsychologie zwei Arten von Problemtypen unterschieden werden: (1) reizorientierte und (2) verhaltensorientierte. Je nachdem wie sehr sich die spezifische Fragestellung entweder der einen oder der anderen Seite zuneigt, werden je nach unterschiedlichem Problemtypus verschiedene Fachdisziplinen in verschiedenem Ausmaß an der Lösung der Probleme beteiligt sein (Abbildung 3). Es kann präzisiert werden: die Psychoakustik untersucht die physikalischen Einwirkungen der akustischen Signale auf das bewusste Erleben und trachtet, die gegenseitigen Beziehungen mathematisch zu erfassen. Sie bedient sich dabei, auf den physikalischen Parametern der akustischen Signale aufbauend, der empirischen Ergebnisse der Sinnes- und Neurophysiologie, der Erkenntnisse der Neuropsychologie, aber auch der Fakten und Methoden der allgemeinen psychologischen Forschung, um zu einem möglichst realistischen Abbild des natürlichen Prozessablaufes zu gelangen. reizorientierte FRAGESTELLUNGEN verhaltensorientierte Cortex Hörbahn Ohr Schallquelle Raum Efferenz Cochlea Motorik Reaktion PSYCHOLOGIE Einordnung in das Bewußtsein, Gedächtnis und Erfahrung, cognitive Verarbeitung, emotionale Bewertung NEUROPSYCHOLOGIE Feature Extraction, neuronale Verarbeitung NEUROPSYCHOLOGIE Vorbereitung der Reaktion, neuronale Erregung PHYSIOLOGIE Transformation der mechanischen Schwingung PHYSIOLOGIE Betätigung der Effektoren PHYSIK der REAKTION Messung, Beobachtung und Registrierung der Reaktion PHYSIK der SCHALLQUELLE Schallproduktion, Schallausbreitung, Medium, Raumakustik, 10einl 2.cvs Abbildung 3: Problemtypen und Fachbereiche in der Psychoakustik. Die Psychoakustik soll wissenschaftliche Grundlage sein für die Kybernetik, für die Semiotik, für die Kommunikationsforschung, darüber hinaus für alle Fachwissenschaften, wie Sprachwissenschaft, Phonetik, Kommunikationstechnik, Musikwissenschaft usw., wenn sich diese Wissenschaften in entscheidendem Ausmaß die Produktion und Verarbeitung akustischer Signale durch Lebewesen zum Forschungsgegenstand gewählt haben. Die Psychoakustik bietet Grundlagen für den Kommunikationstechniker, Phonetiker, den Linguis- 6 Error! Use the Home tab to apply Überschrift 3;H3 to the text that you want to appear here. ten, den Biologen, den Techniker, den Tonmeister usw., ebenso für die Musik, den Musiker, den Komponisten und füllt damit eine wichtige und traditionelle Rolle aus. 1.2.2 Aufgaben der Psychoakustik Gelegentlich werden die Aufgaben der Psychoakustik mit dem Studium der Wahrnehmung (1) von Musik, (2) von Sprache und (3) von sonstigen, beispielsweise aus der Umwelt stammenden Schällen, bzw. deren beliebiger Kombination, umrissen. Die Akustik allein kann keinen Unterschied zwischen Signal und Hintergrund erkennen, in den an das Ohr übertragenen Schallwellen sind beide additiv enthalten. Das auditive System differenziert klar zwischen (auditiver) Figur und (Lärm-) Hintergrund, ähnlich dem visuellen System. Situationsbedingt kann ohne jegliche Änderung der physikalischen Reizparameter der Hintergrund zum Hauptsignal werden, womit dieser sogleich einer völlig anderen psychoakustischen Verarbeitungsweise unterliegt. Schubert E. (1979) wies zurecht auf die Problematik einer starren, ausschließlich den physikalischen Gegebenheiten entsprechenden Betrachtungsweise hin, die keineswegs den Anforderungen genügt, die an das auditive System gestellt werden oder den je Situation unterschiedlichen, in jedem Falle mühelos erbringbaren Leistungen entspricht. Man könnte die letzteren auf einer Skala zwischen den beiden Eckpunkten: höchste Diskriminationsleistung bei gleichzeitig unbeeinträchtigter Integrationsfähigkeit und umgekehrt sehen. Eine differenziertere Betrachtungsweise in der Psychoakustik sollte sich gerade heute auf das beziehen, was tatsächlich in den Laborexperimenten untersucht wird, welche unabhängigen Variablen einwandfrei manipuliert und sauber kontrolliert werden können, welche abhängigen Variablen und Aspekte der auditiven Wahrnehmung realiter Gegenstand des jeweiligen Experimentes sind. Diese Vorgangsweise führt zwar vorläufig weg von der unmittelbaren Praxis, mit der impliziten Gefahr unzulässig starker Simplifikation, hat jedoch den unbestreitbaren Vorteil der technischen und mathematischen Modellierbarkeit, sowie der Möglichkeit einer kumulativen Hypothesenbildung. PERZEPTIONSMODELLE – COMPUTATIONAL HEARING Die Psychoakustik hat, das soll nicht verschwiegen werden, allein für die Erforschung der sensorischen Grundfunktionen, der technischen Daten des auditiven Systems, für das physikalisch-physiologische Ausmessen des Gehörs, wie absolute Schwellen, Unterschiedsschwellen, Maskierungseffekte, Skalierung der Lautstärke, Skalierung der Tonhöhe usw. sehr lange Zeit und große Mühe aufwenden müssen. Das geschah in den letzten 70 Jahren, wobei die eingangs erwähnte Empfindlichkeit des auditiven Systems in Bezug auf die Detektierbarkeit minimaler Veränderungen der akustischen Reizparameter, nicht selten die apparativen und experimentellen Möglichkeiten einer Untersuchung entweder überstieg oder, knapp an der Leistungsgrenze des psychoakustischen Labors, Anlass zu Fehlern und Artefakten gab. Kurz gesagt, bis in die allerletzte Zeit, übertrafen die biologischen Hörsysteme generell die dem Experimentator zur Verfügung stehende Messapparatur bei weitem. Heute noch können wir nur neidvoll über die enorme Leistungsfähigkeit des Gehörs, etwa im Falle einer Cocktail -Party-Situation, staunen: der davon abgeleitete Cocktail-PartyEffekt bedeutet technisch gesehen, die saubere Trennung und situationsangepasste Zuordnung verschiedenster, räumlich bloß geringfügig verteilter, akustisch (spektral) sehr ähnlicher Schallquellen (z.B. menschliche Stimmen) vor in der Regel starkem, verdeckendem Hintergrundlärm, zum Ziele der wahlweisen Verständlichkeit der einen oder anderen Schallquelle, des einen oder des anderen Sprechers. Obwohl wir jahrzehntelange Erfahrung auf dem Gebiete des Stereo-Hörens besitzen, können wir derzeit das einfach erscheinende Problem der Im-Kopf-Lokalisation beim Hören über Kopfhörer nur für wenige Spezialfälle lösen. In der realen Hörsituation kann dagegen das Gehör ohne weiteres, trotz einer Vielzahl von gleichzeitig erklingenden, ortsfesten und beweglichen Schallquellen, z.B. zahlreiche Musikinstrumente eines Orchesters, auf der Bühne sich bewegende Sänger, jene einzig richtigen, kontinuierlich vorhandenen Kombinationen aus den interferierenden Frequenzen, 7 Error! Use the Home tab to apply Überschrift 3;H3 to the text that you want to appear here. direkten und reflektierten Laufzeiten und Phasenverhältnissen bilden, die ein sinnvolles Perzept zeitvarianter akustischer Gestalten ergeben. ANALYSE DURCH SYNTHESE In dieser für die Psychoakustik unbefriedigenden Situation bedarf es daher experimenteller Methoden, die in Bezug auf die gleichzeitige Variation und Kontrolle auch mehrerer akustischer Signale, zumindest teilweise an die Leistungsgrößen des physiologischen Systems herankommen. Ein erster Fortschritt in diesem Bemühen bahnt sich an: die moderne digitale Signalverarbeitung gestattet heute immerhin die Implementierung von Analyse- Syntheseverfahren im alltäglichen psychoakustischen Laborbetrieb, Methoden, die früher wegen des hohen Aufwandes nur ganz wenigen Auserwählten zur Verfügung stehen konnten. Ein Beispiel für die relative Mächtigkeit solcher moderner psychoakustischer Verfahren ist der methodische Ansatz Analyse-durch- Synthese, wie er auf dem Gebiet der Sprachanalyse Synthese mit größtem Erfolg betrieben wurde und wird (vgl. sprechende und verstehende Maschinen, Flanagan, 1972). Enorme Komplexität und überdurchschnittlich hohe Datenmengen, wie sie bei der Bearbeitung von Sprachsignalen und in den oben beschriebenen Beispielen anfallen, verlangen eine drastische Datenreduktion, deren wichtigste Eigenschaft die ökonomische und verlustfreie Informationsübertragung ist. Im menschlichen Organismus erfolgt diese Datenreduktion in optimaler Weise auf verschiedenen Ebenen des auditiven Systems. Es gibt viele Ansätze im Bereich der elektronischen Kommunikationstechnologie, die sich der auditiven Wahrnehmung als Modellvorlage bedienen. Dabei muss wieder festgestellt werden, dass das scheinbar mit unnützer Komplexität behaftete biologische System, unter den gegebenen Einsatzbedingungen, das ist unsere Umwelt, in einer technisch kaum zu realisierenden Weise optimal angepasst ist. Die Funktionsweise des Gehörs wird heute mit den modernsten Methoden der Elektronik und Biochemie untersucht und ständig werden wir mit neuen Ergebnissen konfrontiert, die unsere elaborierten Hörmodelle ergänzen oder sogar umwerfen. Allerdings: unverändert bleiben können nur derart allgemein formulierte Modelle, die wieder einer systemtheoretischen Erkenntnisgewinnung wenig bringen. TECHNISCHE MODELLE In der Psychoakustik bestehen prinzipiell zwei Möglichkeiten der Modellbildung mit völlig unterschiedlichen Zielsetzungen: die naturgetreue, minutiöse Nachahmung des psychophysiologischen Systems oder Prozesses und das technische Modell, welches bloß die prinzipiellen Funktionsweisen des psychophysiologischen Apparates übernimmt, dann jedoch seiner eigenen Gesetzmäßigkeit folgt und so das vom biologischen System gesteckte Ziel approximiert. Beide Alternativen bedienen sich heute mathematischer Modelle zur Simulation von Vorgängen und Zuständen in psychophysiologischen oder technischen Systemen. Die Vorteile der Simulation sind evident: die experimentellen Variablen werden völlig beherrscht, kumulative Hypothesenbildung wird erleichtert, die Verifikation oder Falsifikation von Hypothesen erfolgt binnen kürzester Zeit, die experimentellen Verfahrenstechniken werden zeitökonomisch und interaktiv, dynamische Modelle ermöglichen die In der allernächsten Zeit wird es weitere Entwicklungen auf dem Gebiet der Computertechnologie geben. Ansätze dieser Entwicklung sind u.a. im Bereich der artifiziellen neuronalen Netzwerke (ANN) weit gediehen. Damit werden wesentlich komplexere psychoakustische und wahrnehmungspsychologische Modelle sowie leistungsfähigere Algorithmen der digitalen Verarbeitung von akustischen Signalen realisieren lassen. In neueren Untersuchungen von z.B. musikalischen Signalen wird die digitale Signalverarbeitung primär als Mittel zur Extraktion von geeigne- 8 Error! Use the Home tab to apply Überschrift 3;H3 to the text that you want to appear here. ten Parametern angesehen, aus denen übergeordnete Strukturen gebildet werden können. Die Analyseergebnisse bilden eine wertvolle Sammlung von Kenntnissen, mit Hilfe derer, unter Anwendung entsprechender Kontrollstrategien, zugrunde liegende Strukturen etwa der Sprache, der Lokalisation und der Musik aufgedeckt werden können. PRODUKTIONSMODELLE – PERZEPTIONSMODELLE Eine weitere nützliche Unterscheidung soll nach Produktions- und Perzeptionsmodellen getroffen werden. Es kann angenommen werden, dass Produktionsmodelle, wie das akustische Modell der Sprachproduktion (siehe G. Fant), perzeptive Relevanz haben, wenn Produktion und Perzeption in einem psychophysiologischen System stattfindet (Abbildung 4). Abbildung 4: Die Evaluierung von Perzeptions- und Produktionsmodellen erfolgt über Analyse Resynthese – Prozeduren. Bisher haben sich, wie bereits angeführt, für die Praxis bedeutsame Fragestellungen sehr oft einem empirischen, experimentellen Zugang völlig oder teilweise entzogen, weil sie wegen der geschilderten Komplexität der großen Anzahl der miteinander verknüpften Variablen im kontrollierten Laborexperiment kaum beherrschbar waren. Unter Einsatz der vorher erwähnten Werkzeuge der Bildung dynamischer Modelle und artifizieller Netzwerke (ANN) wird die wissenschaftliche Bearbeitung auch komplexer Probleme möglich, wodurch sich insbesondere der psychoakustischen Grundlagenforschung breite Anwendungsgebiete in der Praxis eröffnen. Gerade im Bereich der Kommunikation Mensch - Maschine scheint derzeit die technische Entwicklung der Grundlagenforschung beinahe uneinholbar davonzulaufen, es werden uns heute laufend unzählige Aufgaben gestellt, deren Bearbeitung dringend notwendig wäre .... Das vorliegende Manuskript soll dem oben skizzierten Bereich der Psychoakustik einen entsprechenden Rahmen geben. Es kann notwendigerweise aus der kaum übersehbaren Fülle der empirischen Befunde in den verschiedenen Einzelwissenschaften nur die dem Autor am allerwichtigsten Erscheinenden darstellen; dies aus verständlichen Gründen, einerseits um den Rahmen einer Einführung nicht zu sprengen, andrerseits um dem Leser die übersicht zu bewahren, anstatt sich in detailreicher, wenn auch interessanter, Breite zu verlieren. LITERATURHINWEISE [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] ANSI S3.20 (1973). Psychoacoustic Terminology. American national Institute of Standards. Békésy, Georg von (1960)}: Experiments in Hearing. McGraw-Hill, New York. Békésy, Georg von (1972): Physiologie der Sinneshemmung. Goldmann, München. ISBN 344250001X. Flanagan, James L. (1972): Speech Analysis Synthesis and Perception. Springer Verlag, Berlin. Fechner, Gustav. Theodor., (1860; 1801-1887): Elemente der Psychophysik. In zwei Bänden; siehe auch: http://www.bbaw.de/bibliothek/digital/struktur/autoren/fechner/literatur.pdf Guttmann, Giselher (1972): Lehrbuch der Neuropsychologie. Verlag Hans Huber, Bern. Hoftstätter xx (1962) Hunt, Frederick Vinton (1992): Origins in Acoustics. Acoustical Society of America; New York. 9 Error! Use the Home tab to apply Überschrift 3;H3 to the text that you want to appear here. [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] Meyer-Eppler, Werner. (1969): Grundlagen und Anwendungen der Informationstheorie. Kommunikation und Kybernetik in Einzeldarstellungen; Band 1; Springer-Verlag; Berlin – Heidelberg New York. MPEG7: Information Technology – Multimedia Content Description Interface – Part 4: Audio. ISO/IEC CD 15938-4.: Müller, Johannes. (1838; 1801-1858): "Gesetz der spezifischen Sinnesenergien". Rohracher, Hubert ( ): Allgemeine Psychologie. Huber, Bern. Schubert, Earl D.( ): Stevens, S.S. (1975): Psychophysics. Introduction to ist perceptual neural and social prospects. John Wiley & Sons, New York.. [Weber Wever, Ernest Glen and Bray, C.W.(....): Action currents in the auditory nerve in response to acoustical stimulation. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 16:344-50. Wever, Ernest Glen and Bray, C.W.(....): The nature of acoustic response: The relation between sound frequency and frequency of impulses in the auditory nerve. J. Exp. Psychol. XIII:373-87. 10 Error! Use the Home tab to apply Überschrift 3;H3 to the text that you want to appear here. 2 Physikalische Grundlagen 2.1 Physikalische Größen Physikalische Größen sind stets eindeutig messbar. Sie werden formal als das Produkt von Zahlenwert und Einheit dargestellt: Größe = Zahlenwert × Einheit Der Bezugsschalldruck (p0) des Schalldruckpegels (L, engl. Sound Pressure Level, SPL) kann z.B. in verschiedenen Schreibweisen angegeben werden: a) p0 = 2 * 10-5 N/m2 (in Newton pro Quadratmeter) -5 b) p0 = 2 * 10 Pa (in Pascal) c) p0 = 0.0002 μbar (in Mikrobar) d) p0 =2 * 10-4 dyn/cm2 (in Dyn pro Quadratzentimeter) Die 4 unterschiedlichen Schreibweisen stehen für ein und dieselbe physikalische Größe, den Nullpunkt des Schalldruckpegels ( 0 dB SPL). Je nach der zur Entstehungszeit einer Literaturquelle gerade üblichen Konvention werden die einzelnen Schreibweisen vorgefunden. Trotz ihres unterschiedlichen Aussehens ist ihnen das Prinzip gemeinsam: Größe = Zahlenwert × Einheit. Es ist daher unzulässig z.B. die Einheit wegzulassen. 2.1.1 Das système international d’unitées (S.I., ISO 1000, 1973) Das S.I. basiert auf folgenden 6 Grundgrößen: Tabelle 1: die 6 physikalischen Grundgrößen nach ISO 1000 (1973). Name der Größe Symbol Dimension Mks-Einheit Abkürzung 1 Länge l L Meter m 2 Masse m M Kilogramm kg 3 Zeit t T Sekunde s 4 Stromstärke I, i QT-1 Ampère A 5 Temperatur T, θ θ Kelvin K 6 Lichtstärke I,Iν Iν Candela cd Anmerkung: die Temperatur δ, t (in °Celsius) = T (in °K)-273 2.1.2 Abgeleitete physikalische Größen In der Akustik und Psychoakustik kommen zahlreiche abgeleitete physikalische Größen zum Einsatz. Jede abgeleitete physikalische Grundgröße kann in Einheiten einer oder mehrerer SI-Basisgrößen ausgedrückt werden. Größengleichungen, auch physikalische Gleichungen genannt, beschreiben exakt das Verhältnis zwischen Größen und können in jedem Einheitensystem verwendet werden. Größengleichungen können neben verschiedenen Größen auch Konstanten beinhalten. 11 Error! Use the Home tab to apply Überschrift 3;H3 to the text that you want to appear here. Tabelle 2: einige wichtige, in der Psychoakustik gebräuchliche, abgeleitete physikalische Größen und Faktoren. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Name der Größe Wellenlänge Periode Nachhallzeit Frequenz Kreisfrequenz Kraft Dichte SCHALL - Geschwindigkeit - Schnelle - Druck - Energie - Energiedichte - Leistung - Intensität - Kennimpedanz - Absorptionsfaktor - Streuungsfaktor Lautstärkepegel Lautheitspegel Symbol l t LN f,ω ω F ρ Dimension L T T T-1 T-1 MLT-2 ML-31 Mks-Einheit Meter Sekunde Sekunde Hertz Radiant/Sekunde Newton Kilogramm/Meter3 Abkürzung m s s Hz (1/s) rad/s N (kg×m/s2 ) kg/m3 v,c v p E, W ω Pa I Zs α δ T Ls LT-1 LT-1 ML-1T-2 ML2T-2 ML-1T-2 ML2T-3 MT-3 M-2LT-1 …… …… …… …… Meter/Sekunde Meter/Sekunde Newton/Meter2 Joule Joule/Meter3 Watt Watt/Meter2 Newt-Sek./Meter2 (numerisch) (numerisch) (Phon) (Sone) m/s m/s N (Pa) J J/m3 J/s W/m2 N ×s/m2 …… …… …… …… Anmerkungen: 1 Newton/Meter2 = 1 Pascal (1 N/m2 = 1 Pa). Schall-Energiefluß = Schall – Leistung, gemessen in Watt. Schall-Energiefluß-Dichte = Schall-Intensität, gemessen in W/m2. Tabelle 3: einige Umrechnungsbeziehungen zu früher gebräuchlichen Einheiten, deren Verwendung nicht zu empfehlen ist. Größe Symbol Abk. Kraft F N Schall -Druck p Pa, -Energie t T -Leistung Pa J/s, N/m2 W Umrechnungsbeziehungen 1 N = 105 dyn = 0.102 kp 10-5N = 1 dyn = 1.02×10-6 kp 9.81 N = 1 kp = 9.81×105 dyn 1 Pa = 1N/m2 = 0.102 kp/m2 = 10 dyn/cm2 0.1 Pa = 1.02 ×10-2 kp/m2 = 1μbar = 1 dyn/cm2 9.81 Pa = 98.81 dyn/cm2 = 1kp/m2 133.32 Pa = 1 mm Hg = 1.3332 mbar 101325 Pa = 1 atm = 1.013 bar 1 arm = 760 mm Hg = 760 Torr 1 J = 1W × s = 1 N × m = 107 erg 10-7J = 1 erg = 1 dyn/cm 9.81 J = 9.81×10-7erg = 1kp ×m 1 W = 107 erg/sec 0 0.102 kp × m/sec -7 10 W = 1 erg/sec = 1.02 × 10-8 kp × m/sec 9.81 W = 9.81 × 107 erg/sec = 1 kp × m/sec 735.498 W = 1 PS (Pferdestärke) Anmerkungen: 1 Pa = 1 Pascal; die Umrechnungskonstante 9.81 steht für 9.80665; anstelle der Abkürzung sec für Sekunde ist nach S.I. generell s zu verwenden. 12 3 Anhang 1 3.1 Audio Pegel und Amplitudenmessungen 3.1.1 Spannungs- und Audio Signalpegel Tabelle 4: Commonly used Voltage and Audio Signal Levels and their reference values.Note: 0 dBm = 1 milliwatt which is equivalent to 0,7746 volts RMS into a 600 Ω load. Symbol Level Definition 0 dB dBV 0 dBV 20 log(Vx/Vref) dBm 0 dBm 10 log(Wx/Wref) dBu 0 dBu 20 log(Ux/Uref) dB SPL 0 dB SPL 20 log(px/pref) –10 dBV = 10(–10/20) 1 V = 0.316 V –7.8 dBu = 10(–7.8/20) 0.7746 V = 0.316 V 0.7746 V across 600 : 0.77462 V/600 = 1 mW +4 dBu = 10(4/10) 0.7746 V = 1.2276 V Note: dBv = dBu (dBu preferred) all voltage measurements in VRMS = = = = = Reference Unit Vref = Wref = Uref = pref = 1V 1mW 0.7746V 20µPa Tabelle 5:. Full Scale Range (dB FS) available at different digital word lengths (bits/sample). Kodierung: Bit/Abtastwert 8 16 18 28 216 218 Vollaussteuerung: N/1 48 96 108 Vollaussteuerung: dB Note: dB (FS) = 20 * lg(N) = 20 * lg(2n) = 20*0.3010*n 3.1.2 20 22 24 32 220 120 222 132 224 144 232 192 Amplitude Measurements, Root Mean Square Value, VRMS The RMS value of an alternating current is that current which will give the same heating effect as the equivalent direct current. The RMS value of y=f(x) over the range x=a to x=b is given by: RMS value 1 b 2 y dx b a a The mean or average value of a waveform between x=a to x=b is given by: AVG value 1 b 2 y dx b a a For simple tones (sinusoidal waveforms) the relationships between RMS value, AVG value, peak and peak-to-peak value are given in Tabelle 6: Spitze-Spitze- Amplitudenwerte und Umrechnungsbeziehungeen für sinusoidale Wellenformen.Error! Reference source not found.. Error! Use the Home tab to apply Title to the text that you want to appear here. 13 Audio Pegel und Amplitudenmessungen Tabelle 6: Spitze-Spitze- Amplitudenwerte und Umrechnungsbeziehungeen für sinusoidale Wellenformen. from value multiplication factor to value average RMS peak peak-to-peak average 1.0 1.11 1.57 3.14 RMS 0.9 1.0 1.414 2.828 peak 0.637 0.707 1.0 2.0 peak-to-peak 0.32 0.3535 0.5 1.0 Figure 1: Peak-to-peak, RMS and AVG values of sinusoidal waveforms. Figure 2. Peak-to-Peak, RMS and AVG values of simple waveforms. Figure 3 Peak-to-Peak, RMS and AVG values of special waveforms. 14 Preferred Frequencies and Frequency Bands 3.2 Preferred Frequencies and Frequency Bands Table 1: Table of Preferred Frequencies and Frequency Bands (see section Error! Reference source not found.) (Hz) 16 18 20 22.4 25 28 31.5 35.5 40 45 50 56 63 71 80 90 100 112 125 140 160 Octave 1/1 1/2 1/3 (Hz) x x 160 180 200 224 250 280 315 355 400 450 500 560 630 710 800 900 1000 1120 1250 1400 1600 x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x Octave 1/1 1/2 1/3 (Hz) x 1600 1800 2000 2240 2500 2800 3150 3550 4000 4500 5000 5600 6300 7100 8000 9000 10000 11200 12500 14000 16000 x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x 15 Octave 1/1 1/2 1/3 x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x Frequencies of Musical Notes 3.3 Frequencies of Musical Notes Table 2: FREQUENCIES OF THE EQUALLY TEMPERED SCALE; BASED ON THE INTERNATIONAL STANDARD A = 440 HERTZ from those of another. The particular scheme used here assigns to C0 a frequency, which corresponds roughly to the lowest audible pitch. S is the number of semitones counted from this C0 (1 semitone = 100 Cents). Musical Intervals in Cents Table 3: Intervals in Cents corresponding to certain frequency ratios Note: Cents = [1200.log10(f1/f2)] / log10(2) and x = (f1 / f2) = 2(Cents/1200)# Table 4: Intervals in Cents corresponding to certain frequency ratios Note: Cents = [1200.log10(f1/f2)] / log10(2) and x = (f1 / f2) = 2(Cents/1200) Name of interval Frequency ratio (x) Cents Unison 1:1 Minor second or semitone 1.059463:1 Semitone 16:15 Minor tone or lesser whole tone 10:9 Major second or whole tone 1.122462:1 Major tone or greater whole tone 9:8 Minor third 1.189207:1 Minor third 6:5 315.641 Major third 5:4 386.314 Major third 1.259921:1 Perfect fourth 4:3 Perfect fourth 1.334840:1 Augmented fourth 45:32 Augmented fourth 1.414214:1 600 Diminished fifth 1.414214:1 600 Diminished fifth 64:45 Perfect fifth 1.498307:1 Perfect fifth 3:2 Minor sixth 1.587401:1 Minor sixth 8:5 813.687 Major sixth 5:3 884.359 Major sixth 1.681793:1 Harmonic minor seventh 7:4 Grave minor seventh Minor seventh 16:9 1.781797:1 Minor seventh 9:5 1,017.597 Major seventh 15:8 1,088.269 Major seventh 1.887749:1 Octave 2:1 0 100 111.731 182.404 200 203.910 300 400 498.045 500 590.224 609.777 700 701.955 800 900 968.826 996.091 1,000 1,100 1,200.000 16
