Akustik - mtech@uni
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Vorlesung Medientechnik Universität Koblenz-Landau SS2011 Schnecke Hörnerv Eustachisches Rohr (Druckausgleich) Medientechnik 2011 © Manfred Jackel Universität Koblenz-Landau 2 Ohrmuschel Auricula auris Knorpel: Cartilago auriculae Äußerer Gehörgang Einfangen des Schalles (Trichter) Formgebung unterstützt Richtungshören durch Resonanzbildung http://upload.wikimedia.org/wikipedia/de/b/bc/Ohr2.jpg http://flexicon.doccheck.com/upload/8/8d/Auricula_Explorer_002.swf Medientechnik 2011 © Manfred Jackel Universität Koblenz-Landau 3 Das Mittelohr besteht aus dem Trommelfell der luftgefüllten Paukenhöhle, den Gehörknöchelchen, Hammer, Amboss und Steigbügel) Mittelohrmuskeln (Trommelfellspanner, Steigbügelmuskel Aufgaben des Mittelohres Schwingungsübertragung vom Außen- zum Innenohr Impedanzanpassung zwischen Mittel- und Innenohr Erweiterung des Dynamikbereiches des Gehörs frequenzselektive Empfindlichkeitsänderung des Gehörs Schutz des Innenohres vor zu lauten Schallen Medientechnik 2011 © Manfred Jackel Universität Koblenz-Landau 4 Schwingungsübertragung vom Außenzum Innenohr Impedanzanpassung zwischen Mittelund Innenohr Impedanz: Schallwellenwiderstand. In der flüssigkeitsgefüllten Schnecke höher als in Luft, Reflektionsverluste an der Grenzfläche werden gemindert. Druckerhöhung Faktor 22. Erweiterung des Dynamikbereiches des Gehörs durch die Muskelspannung frequenzselektive Empfindlichkeitsänderung des Gehörs durch die Muskelspannung Schutz des Innenohres vor zu lauten Schallen Muskelkontraktion bei großem Pegel, dadurch SChallreflektion am Trommelfell und Schutz des Innenohres. Medientechnik 2011 © Manfred Jackel Universität Koblenz-Landau 5 Labyrinth im Felsenbein bestehend aus Schnecke (Cochlea) und Bogenäangen (Gleichgewichtsorgan) Scala vestibuli / Vorhofgang Scala media Scala tympani / Paukengang6 Medientechnik 2011 © Manfred Jackel Universität Koblenz-Landau 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 ist frequenzabhängig (Stimmung der Basilarmembran). Haarzellen im Corti-Organ geben Reiz an Hörnerv weiter. Medientechnik 2011 © Manfred Jackel Universität Koblenz-Landau 7 3 Reihen äußere Haarzellen verstärken die Amplitude der Wanderwelle 1 Reihe innerer Haarzellen (3500 insgesamt) geben Signal an Hörnerv Position der Haarzelle entspricht Frequenz, hohe vorne am ovalen Fenster Scala media 8 Medientechnik 2011 © Manfred Jackel Universität Koblenz-Landau 3 Reihen äußere Haarzellen verstärken die Amplitude der Wanderwelle 1 Reihe innerer Haarzellen (3500 insgesamt) geben Signal an Hörnerv Position der Haarzelle entspricht Frequenz, hohe vorne a, ovalen Fenster Scala media 9 Medientechnik 2011 © Manfred Jackel Universität Koblenz-Landau Lokalisitation = Richtung und Entfernung bestimmen oben – unten: vor allem über Reflexionen der Ohrmuschel links –rechts: Laufzeitunterschiede & Lautstärke Abstand der beiden Trommelfelle ca. 21,5 cm Laufzeitunterschied bis zu 0,63ms vorne – hinten Ohrmuschel Medientechnik 2011 © Manfred Jackel Universität Koblenz-Landau 10 Unterhalb 800 Hz kann das Ohr Phasendifferenzen zur Lokalisation nutzen Wellenlänge > 2*Ohrabstand Medientechnik 2011 © Manfred Jackel Universität Koblenz-Landau 11 http://www.sinnesphysiologie.de/hvsinne/hoeren/oliv.htm Medientechnik 2011 © Manfred Jackel Universität Koblenz-Landau 12 20Hz-16.000 Hz C A 1000Hz 5000Hz Hörfähigkeit: Mensch: 16 Hz-20.000 Hz größte Empfindlichkeit 1.000-3.000 (5.000) Hz Medientechnik 2011 © Manfred Jackel Universität Koblenz-Landau 13 Fortschreitende ebene Schallwelle Hermann von Helmholtz 1821-1894 p Druck v Schnelle p = const v Medientechnik 2011 © Manfred Jackel Universität Koblenz-Landau 14 Schallgeschwindigkeit 325 m/s (-10° C) 350 m/s (30° C) abhängig von Temperatur, CO2 (Blasinstrumente) Medientechnik 2011 © Manfred Jackel Universität Koblenz-Landau 15 Druck = Kraft /Fläche Phys. Formelzeichen p=F/A Si Maßeinheit Pascal Pa = [N/m2] Normale Luftdruck; 105 Pa (1000 hPa) Schalldruck=Schallwechseldruck=Änderung des Normaldruckes HörbarKeitsschwelle 2*10-5 Pa bei 1000Hz Normallautstärke 0,1 Pa Schmerzgrenze 100 Pa Medientechnik 2011 © Manfred Jackel Universität Koblenz-Landau 16 Schalldruck 0,01 0,001 0,0001 0,00001 Sehr laut 0,1 Unterhaltung SchmerzGrenze 1 Hörbarkeitsschwelle 10 Sehr laut 100 Unterhaltung Logarithmische Skalierung SchmerzHörbarkeitsGrenze schwelle 120 100 80 60 40 20 0 Schalldruck Verzehnfachung Medientechnik 2011 © Manfred Jackel Universität Koblenz-Landau 17 Logarithmus ist die Umkehrfuntion des Potenzierens a=bx dann ist x =logba b=2, dann Zweier-Logarithmus Logarithmus Dualis a=2x dann ist x = ld(a) b=e (Eulersche Zahl) Natürlicher Logarithmus a=ex dann x=ln(a) b=10 Zehnerlogarithmus a=10x dann x=lg(a) Medientechnik 2011 © Manfred Jackel Universität Koblenz-Landau 18 Rechenregeln: log(xy)=log(x)+log(y) log(x/y) = log(x)-log(y) log(xy) = y log(x) Medientechnik 2011 © Manfred Jackel Universität Koblenz-Landau 19 deziBel: dimensionslose Größe (Größenvergleich) p2 p = Lp 10lg = dB 20lg dB 2 p0 p0 p0 = 2 *10 −5 Pa Telefon 1875 Alexander Graham Bell 1847-1922 Taubstummenlehrer Erfinder Telefon, Audiometer Grammophon, Flugzeuge, Boote Hörschwelle p = p0 ⇒ L p = 0 dB Medientechnik 2011 © Manfred Jackel Universität Koblenz-Landau 20 p0 = 2 *10 −5 Pa Normallaut 0,1 Lp = 20 lg 2*10−5 20 ( lg 0,5 + 4 ) ≈ 74 dB Schmerzgrenze 100 Lp = 20 lg 2*10−5 = 20 ( lg 0,5 + 7 ) ≈ 134 dB Medientechnik 2011 © Manfred Jackel Universität Koblenz-Landau p L p = 20 lg dB p0 p0 = 2 *10 −5 Pa Verdoppelung des Schalldrucks bedeutet Anhebung des Schalldruckpegels um 6dB 2p L2 p = 20lg p 0 p 20lg + 20lg 2 p 0 = Lp + 6dB p 100 = 20 lg −5 2*10 p 5 5 = lg *10 2 p 5 10 = *105 2 p = 2 Pa 100 dB Schalldruck ? 22 Medientechnik 2011 © Manfred Jackel Universität Koblenz-Landau Definition: Lautstärke von 40 Phon = 1 Sone Doppelt so laut: 2 Sone Halb so laut: ½ Sone. Subjektive Wahrnehmung. Sone-Verdoppelung alle 10 Phon Nichtlinear unterhalb 1 Sone Normalhörender 20-jähriger Medientechnik 2011 © Manfred Jackel Universität Koblenz-Landau 23 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! Beispiel: Schalldruckpegel von 60 dB bei 3000 Hz wird 70 phon laut empfunden Handbuch der Tonstudiotechnik Akustik & musik. Aufführungspraxis Normalhörender 20-jähriger Medientechnik 2011 © Manfred Jackel Universität Koblenz-Landau 24 Schallgeschwindigkeit Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schallwelle Schallschnelle Schmerzgrenze Geschwindigkeit 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 Faustregel: Schalldruckwert 400 Frequenzen 16,5 Hz 33 Hz 66 Hz 131 Hz 262 Hz 524 Hz 1047 Hz 2093 Hz 4185 Hz C2 C1 C c c‘ c‘‘ c‘‘‘ c4 c5 Orgel Kontrabaß Violoncello Bratsche Geige Tenor max Sopran max Geige max Piccolo-Flöte In der Nähe der Schallquelle haben Schnelle und Schalldruck unterschiedliche Phase Medientechnik 2011 © Manfred Jackel Universität Koblenz-Landau 25 Akustische Grundbegriffe Frequenzdarstellung reiner Sinus-Schwingungen x Periodische Funktion f= = x sin ( x + 2π ) ( x ) sin Substitution x = 2π ft f ( t ) = sin ( 2π ft ) 50 Hz Sinus 2π 0 1 hat Periode 1/f, denn sin 2π f t + = sin 2π ft + f 2π f f f ( t ) = sin ( 2π *50* t ) Medientechnik 2011 © Manfred Jackel Universität Koblenz-Landau 26 Formanten: Maxima im Spektrum eines Klanges = klangformende Frequenzen F1, F2, F3, … Klangfarbe (Timbre) Wird durch das Spektrum, Einschwingverhalten, Formanten, Spieltechnik, bestimmt Medientechnik 2011 © Manfred Jackel Universität Koblenz-Landau 27 Akustische Grundbegriffe Wie klingt: 1 * ( sin ( 2π ft ) + sin ( 2π ft * 2 ) + sin ( 2π ft * 4 ) + sin ( 2π ft *6 ) ) 4 Violinklang: a mit Vibrato Pizzicato (Ton h) Vokal-Formant-Zentren deutscher IPA Formant Vokal 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 1400 Hz 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 Medientechnik 2011 © Manfred Jackel Universität Koblenz-Landau 29 Vokaldreieck Zungenlage i u a Medientechnik 2011 © Manfred Jackel Universität Koblenz-Landau 30 Vorlesung „Medientechnik SS2011“ 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 http://www.sinnesphysiologie.de/hvsinne/hvsensin.ht m Hyperlinks zu diesem Kapitel © Manfred Jackel E-Mail: [email protected] WWW: 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_auditus/ ABC der Hals-Nasen-Ohrenheilkunde im Gehörratgeber Brockhaus http://www.sinnesphysiologie.de/hvsinne/hvsensin.htm Medientechnik 2011 © Manfred Jackel Universität Koblenz-Landau 31
