Hören - mtech@uni
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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
