Hören - mtech@uni

MedienTechnik
Medientyp Audio
S h
Schnecke
k
Hörnerv
Eustachisches
Rohr
(Druckausgleich)
MedienTechnik
Äußeres Ohr
Ohrmuschel
Auricula auris
Knorpel:
Cartilago
g auriculae
Äußerer Gehörgang
Einfangen
Ei
f
d
des
Schalles (Trichter)
Q Formgebung
unterstützt
Richtungshören durch
Resonanzbildung
Q
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/de/b/bc/Ohr2.jpg
http://flexicon.doccheck.com/upload/8/8d/Auricula_Explorer_002.swf
MedienTechnik
Mittelohr (auris media)
Das Mittelohr besteht aus
Q
Q
Q
Q
dem Trommelfell
der luftgefüllten Paukenhöhle,
den Gehörknöchelchen
Gehörknöchelchen, Hammer,
Hammer Amboss und
Steigbügel)
Mittelohrmuskeln (Trommelfellspanner,
Steigbügelmuskel
Aufgaben des Mittelohres
Q
Q
Q
Q
Q
Schwingungsübertragung vom AußenAußen zum
Innenohr
Impedanzanpassung zwischen Mittel- und
Innenohr
Erweiterung des Dynamikbereiches des Gehörs
frequenzselektive Empfindlichkeitsänderung des
Gehörs
Schutz des Innenohres vor zu lauten Schallen
MedienTechnik
Aufgaben des Mittelohres
Q
Q
Q
Q
Q
Schwingungsübertragung vom Außen
Außenzum Innenohr
Impedanzanpassung zwischen Mittelund Innenohr
Impedanz: Schallwellenwiderstand. In der
flüssigkeitsgefüllten Schnecke höher als
in Luft, Reflektionsverluste an der
Grenzfläche werden gemindert
gemindert.
Druckerhöhung Faktor 22.
Erweiterung des Dynamikbereiches des
Gehörs
durch die Muskelspannung
frequenzselektive
Empfindlichkeitsänderung
p
g des Gehörs
durch die Muskelspannung
Schutz des Innenohres vor zu lauten
Schallen
M k lk t kti
Muskelkontraktion
b
beii großem
ß
P
Pegel,
l
dadurch SChallreflektion am Trommelfell
und Schutz des Innenohres.
MedienTechnik
Das Innenohr
Labyrinth im Felsenbein
bestehend aus
Schnecke (Cochlea) und
Bogenäangen (Gleichgewichtsorgan)
Scala vestibuli / Vorhofgang
Scala media
Scala tympani / Paukengang
MedienTechnik
Hörvorgang
Steigbügel am ovalen Fenster setzt die
Perilymphe des Vorhofganges in Bewegung
bzw. ändert den Druck. Durch das
Helicotrema überträgt sich die Bewegung in
den Paukengang.
•
Dies setzt die Basilarmembran
in Schwingung (Wanderwellen).
Das Maximum
der Amplitude
Scala vestibuli
/ Vorhofgang
ist frequenzabhängig
q
gg
(Stimmung der
Basilarmembran).
Haarzellen im Corti-Organ
geben Reiz an Hörnerv weiter.
MedienTechnik
Hörvorgang
3 Reihen äußere Haarzellen verstärken
die Amplitude der Wanderwelle
1 Reihe innerer Haarzellen (3500
i
insgesamt)
) geben
b Si
Signall an H
Hörnerv
Position der Haarzelle entspricht
Frequenz,
q
, hohe vorne a,, ovalen
Fenster
Scala vestibuli / Vorhofgang
Scala media
MedienTechnik
Hörvorgang
3 Reihen äußere Haarzellen verstärken
die Amplitude der Wanderwelle
1 Reihe innerer Haarzellen (3500
i
insgesamt)
) geben
b Si
Signall an H
Hörnerv
Position der Haarzelle entspricht
Frequenz,
q
, hohe vorne am ovalen
Fenster
Scala vestibuli / Vorhofgang
Scala media
Mittel- und Innenohr
MedienTechnik
20Hz-16.000 Hz
C A 1000Hz 5000Hz
Hörfähigkeit:
Mensch: 16 Hz-20.000 Hz
größte Empfindlichkeit
1.000-3.000 (5.000) Hz
Akustische Grundbegriffe
MedienTechnik
Fortschreitende
ebene Schallwelle
speaker-sound.swf
p Druck
Hermann von
Helmholtz
1821-1894
v Schnelle
p
= const
v
Akustische Grundbegriffe
MedienTechnik
speaker-sound.swf
Akustische Grundbegriffe
MedienTechnik
Schalldruck
(Schallwechseldruck)
Schallwellen
Longitudinalwellen
Schallgeschwindigkeit
325 m/s (-10°
( 10 C)
350 m/s (30° C)
abhängig von
Temperatur, CO2
(Blasinstrumente)
Maßeinheit Pa
Pascal = Kraft/Fläche [N/m2]
Luftdruck 105 Pa (1000 hPa)
Hörbarkeitsschwelle
2*10-5 Pa bei 1000Hz
Normal-Lautstärke
0,1 Pa
Schmerzgrenze
100 Pa
www.dasp.uni-wuppertal.de/ars_auditus/akustik/akustik1.htm
Akustische Grundbegriffe
MedienTechnik
Sehr laaut
0,01
Unterhaltunng
0,1
HörbarkeittsH
schwellee
Schalldruck
0,001
Verzehnfachung
0,0001
0,00001
Schm
merzGreenze
Sehhr laut
10
Unterhaaltung
100
SchmerrzGrenzee Hörbarkkeitsschwelle
120
100
80
60
40
20
0
Logarithmische
Skalierung
1
Schalldruck
MedienTechnik
Akustische Grundbegriffe
Definition Schalldruckpegel
Alexander Graham
Bell 1847-1922
Taubstummenlehrer
Erfinder
Telefon,
Audiometer
Grammophon,
Flugzeuge
Flugzeuge,
Boote
p2
p
Lp = 10lg
g 2 dB = 20lg
g dB
p0
p0
p0 = 2 *10 −5 Pa
Normallaut
Hörschwelle
0,1
L p = 20 lg
2*10−5
= 20 ( lg 0,5 + 4 )
p = p0 ⇒ L p = 0 dB
≈ 74 dB
Schmerzgrenze
100
L p = 20 lg
2*10−5
= 20 ( lg 0,5
0 5 + 7)
≈ 134 dB
T l f 1875
Telefon
Akustische Grundbegriffe
MedienTechnik
Definition
Schalldruckpegel
Verdoppelung
des Schalldrucks
bedeutet
Anhebung des
Schalldruckpegels
um 6dB
⎛ 2p ⎞
L2 p = 20lg ⎜
⎟
p
⎝ 0⎠
⎛ p ⎞
= 20lg ⎜
⎟ + 20lg 2
⎝ p0 ⎠
= Lp + 6dB
p
L p = 20 lg dB
p0
p0 = 2 *10 −5 Pa
deziBel: dimensionslose Größe (Größenvergleich)
p
100 = 20 lg
−5
2*10
⎛p
5⎞
5 = lg ⎜ *10 ⎟
⎝2
⎠
p
5
10 = *105
2
p=2
100 dB
Schalldruck
?
Akustische Grundbegriffe
Medien- LautstärkeTechnik Wahrnehmung
L th it in
Lautheit
i Sone
S
Definition:
Lautstärke von 40 Phon = 1 Sone
Doppelt so laut: 2 Sone
Halb so laut: ½ Sone.
Subjektive
j
Wahrnehmung.
g
Sone-Verdoppelung
alle 10 Phon
Nichtlinear
unterhalb 1 Sone
Normalhörender 20-jähriger
Akustische Grundbegriffe
Medien- LautstärkeTechnik Wahrnehmung
Linien gleicher Lautstärkewahrnehmung
hängt auch von
Frequenz ab
phon Maß der subjektiven
Lautstärke
bei 1000 Hz identisch mit
Schalldruckpegel
60-Jährige:
Hörvermögen über
10 kHz um 25 dB
vermindert.
Hörschwelle nahe
an Lästigkeitsgrenze!
Lästigkeitsgren e!
Beispiel: Schalldruckpegel
von 60 dB bei 3000 Hz
wird 70 phon laut empfunden
Handbuch der Tonstudiotechnik
Akustik & musik. Aufführungspraxis
Normalhörender 20-jähriger
Schallgeschwindigkeit
Ausbreitungsgeschwindigkeit
gesc
dg e
der Schallwelle
Akustische Grundbegriffe
MedienTechnik
Schmerzgrenze
Schallschnelle
Geschwindigkeit
g
der schwingenden
Luftteilchen
v~max = 0,25 m/s = 0,9 km/h
−4
Normallautstärke v~normal = 2,5 *10 m/s
Hörschwelle
v~min = 5 *10 −8 m/s
Nahbesprechungseffekt
In der Nähe der Schallquelle haben Schnelle
und Schalldruck unterschiedliche Phase
Faustregel:
Schalldruckwert
400
Frequenzen
16,5 Hz
33 Hz
66 H
Hz
131 Hz
262 Hz
524 Hz
1047 Hz
2093 Hz
4185 Hz
C2
C1
C
c
c‘
c‘‘
c‘‘‘
c4
c5
Orgel
Kontrabaß
Vi l
Violoncello
ll
Bratsche
Geige
Tenor max
Sopran max
Geige max
Piccolo-Flöte
MedienTechnik
Akustische Grundbegriffe
Frequenzdarstellung
q
g reiner Sinus-Schwingungen
g g
x
Periodische Funktion
f ( x ) = sin x = sin ( x + 2π )
Substitution x = 2π ft
f ( t ) = sin ( 2π ft )
50 Hz Sinus
f ( t ) = sin ( 2π *50* t )
2π
0
⎛
⎛
⎝
⎝
hat Periode 1/f, denn sin ⎜ 2π f ⎜ t +
⎛
2π f ⎞
1 ⎞⎞
sin
2
ft
=
+
π
⎜
⎟
⎟⎟
⎜
⎟
f ⎠⎠
f
⎝
⎠
Akustische Grundbegriffe
MedienTechnik
Klangfarbe (Timbre)
Wird durch das
S kt
Spektrum,
Einschwingverhalten,
Formanten Spieltechnik,
Formanten,
Spieltechnik
bestimmt
Formanten:
Maxima im Spektrum
eines Klanges
= klangformende Frequenzen
F1, F2, F3, …
Akustische Grundbegriffe
MedienTechnik
Wie klingt:
1 * ( sin ( 2π fft ) + sin ( 2π ft
f * 2 ) + sin ( 2π ft
f * 4 ) + sin ( 2π ft
f *6 ) )
4
Violinklang: a mit Vibrato
Pizzicato (Ton h)
Akustische Grundbegriffe
MedienTechnik
Vokal-Formant-Zentren
deutscher
de
tscher IPA
Vokal
Formant
f1
Formant f2
U
u
320 Hz
800 Hz
O
o
500 Hz
1000 Hz
å
aː
700 Hz
1150 Hz
A
a
1000 Hz
H
1400 Hz
H
ö
ø
500 Hz
1500 Hz
ü
y
320 Hz
1650 Hz
ä
ɛ
700 Hz
1800 Hz
E
e
500 Hz
2300 Hz
I
i
320 Hz
3200 Hz
männlich
weiblich
Akustische Grundbegriffe
MedienTechnik
i
u
a
Vokaldreieck
Zungenlage
Tonlehre
MedienTechnik
Frequenzverhältnis
Prime
Sekunde
T
Terz
Quarte
Quinte
Sexte
Septime
Oktave
1
9/8
5/4
4/3
3/2
5/3
15/8
2
c
9/8 d
10/9 e
16/15 f
9/8 g
10/9 a
9/8 h
16/15 c‘
1
1
1/2
1
1
1
1/2
24
27
30
32
36
40
45
48
24
27
30
32
36
40
45
12 Töne innerhalb einer Oktave
Verhältnis
V
hält i
zur Prime
Verhältnis
V
hält i
Vorgänger
48
Tonlehre
MedienTechnik
Terzen
5:4
große Terz
32:27 6:5
5:4
5:4
45:32
4:3
5:4
kleine Terz
Quarten
4:3
4:3
4:3
Quinten
32
3:2
40 27 3:2
40:27
32
32
3:2
Je kleiner die Verhältniszahlen, desto wohlklingender
Tonlehre
MedienTechnik
2
•2 F
3
1
1
C
Berechnung der Halbtöne
über den Quintenzirkel
G
3
2
16
B
9
D:Fis =4:5
Gr. Terz
D
6
Es
5
A
8
As
5
9
/2
4
9 40 5
=
8 27 3
5 3
E /2
3 2
16
Des
15
64
45
Ges Fis
45
32
5 3
H
4 2
Tonlehre
MedienTechnik
Pythagoräische Stimmung
Q reine Quarten und Quinten
Mitteltönige
Mitt
ltö i Stimmung
Sti
Q 8 gute, 4 schlecht Tonarten
Q Wolfsquinte
Wohltemperierte Stimmung
Q Alle Tonarten spielbar
p
Q Jede klingt anders
Gleichstufige Stimmung
Q Alle Tonarten gleich
Q verstimmt (!)
Tonlehre
MedienTechnik
Gleichschwebende Temperatur, temperierte Stimmung
Prinzip: die 12 Halbtöne einer Oktave
haben gleichen Abstand
12
2
C:Cis = Cis:D=D:Dis= ...
Quinte z.B. G:C = 1,4983
Die Stimmung
wird heute als
cent-Abstand
zur gleichstufigen
Stimmung
angegeben
1: 11 2 1
1
1: 11 2 1
1: 12 2
1 cent =100 12 2
1: 11 2 11: 11 2 11: 11 2 11: 12 2
1
teilt einen Halbton in 100 Teile
MedienTechnik
440 Hz
Reine Quinte
Periode =
ggT
660 H
Hz
MedienTechnik
Reine Quinte, 3 sec
MedienTechnik
F=440*1 4983 = 659
F=440*1,4983
659,25
25 Hz
Gleichstufige Quinte, 3 sec
Schwebung
Vergleichsfolge
rein gleich rein gleich
rein-gleich-rein-gleich
Tonlehre
MedienTechnik
c
g
d‘
a‘
a
e‘‘
h‘‘
fis‘‘‘
fis
cis‘‘‘‘
gis‘‘‘‘
dis‘‘‘‘‘
dis
ais‘‘‘‘‘
eis‘‘‘‘‘‘
hi ‘‘‘‘‘‘
his‘‘‘‘‘‘
1
3/2
(3/2)2
(3/2)3
(3/2)4
(3/2)5
(3/2)6
(3/2)7
(3/2)8
(3/2)9
(3/2)10
(3/2)11
(3/2)12=129,7z
129 7z 27
Pytagoräisches Komma
MedienTechnik
Pentatonik:
c-d-e-g-a-c
Diatonik:
c-d-e-f-g-a-h-c
d f
h
Tetrachorde:
cc-d-e-f
d e f, g-a-h-c
gahc
Chromatik:
12 Halbtöne
MedienTechnik
Vorlesung „Medientechnik WS 2006/7“
Dr. Manfred Jackel
Studiengang Computervisualistik
Universität Koblenz-Landau
Campus Koblenz
Postfach 201602
56016 Koblenz
Literatur zu diesem Kapitel
Stephan Frings: Zyklusvorlesung
"Sinnesphysiologie - vom
Ionenkanal zum
Verhalten„,Universität Heidelberg
Hyperlinks zu diesem Kapitel
© Manfred Jackel
E-Mail: [email protected]
WWW: www.uni-koblenz.de/~jkl
www uni koblenz de/~jkl
mtech.uni-koblenz.de
Grafik-Quellen
http://www.dasp.uni-wuppertal.de/ars_auditus/index.html
www.wikipedia.de
OHCs
Ashmore Lab
http://www.dasp.uni-wuppertal.de/ars
p
p
pp
_auditus/
ABC der Hals-Nasen-Ohrenheilkunde im Gehörratgeber
Brockhaus