3 Anhang 1

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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
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2
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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
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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
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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-
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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-
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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
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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-
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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
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[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
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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
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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
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