Medien - mtech@uni
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MedienTechnik Medientyp Audio Schnecke Hörnerv Eustachisches Rohr (Druckausgleich) MedienTechnik Äußeres Ohr Ohrmuschel Auricula auris Knorpel: Cartilago auriculae Äußerer Gehörgang Einfangen 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, Hammer, Amboss und Steigbügel) Mittelohrmuskeln (Trommelfellspanner, Steigbügelmuskel Aufgaben des Mittelohres Q Q Q Q Q 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 Aufgaben des Mittelohres Q Q Q Q Q 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 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 (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 insgesamt) geben Signal an Hörnerv Position der Haarzelle entspricht Frequenz, 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 insgesamt) geben Signal an Hörnerv Position der Haarzelle entspricht Frequenz, hohe vorne am ovalen Fenster Scala vestibuli / Vorhofgang Scala media MedienTechnik Lokalisation von Schallquellen 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 Phasendifferenz Unterhalb 800 Hz kann das Ohr Phasendifferenzen zur Lokalisation nutzen Wellenlänge > 2*Ohrabstand MedienTechnik Laufzeitdifferenz http://www.sinnesphysiologie.de/hvsinne/hoeren/oliv.htm 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° 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 laut 0,01 Unterhaltung 0,1 Hörbarkeitsschwelle Schalldruck 0,001 Verzehnfachung 0,0001 0,00001 SchmerzGrenze Sehr laut 10 Unterhaltung 100 SchmerzGrenze Hörbarkeitsschwelle 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, Boote p2 p Lp = 10lg 2 dB = 20lg 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 + 7 ) ≈ 134 dB Telefon 1875 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 Pa 100 dB Schalldruck ? Akustische Grundbegriffe Medien- LautstärkeTechnik Wahrnehmung Lautheit in Sone 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 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! Beispiel: Schalldruckpegel von 60 dB bei 3000 Hz wird 70 phon laut empfunden Handbuch der Tonstudiotechnik Akustik & musik. Aufführungspraxis Normalhörender 20-jähriger Schallgeschwindigkeit Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schallwelle Akustische Grundbegriffe MedienTechnik Schmerzgrenze Schallschnelle 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 In der Nähe der Schallquelle haben Schnelle und Schalldruck unterschiedliche Phase 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 MedienTechnik Akustische Grundbegriffe Frequenzdarstellung reiner Sinus-Schwingungen 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 ⎞⎞ = + π sin 2 ft ⎜ ⎟ ⎟⎟ ⎜ ⎟ f ⎠⎠ f ⎝ ⎠ Akustische Grundbegriffe MedienTechnik Klangfarbe (Timbre) Wird durch das Spektrum, Einschwingverhalten, Formanten, Spieltechnik, bestimmt Formanten: Maxima im Spektrum eines Klanges = klangformende Frequenzen F1, F2, F3, … Akustische Grundbegriffe MedienTechnik 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) Akustische Grundbegriffe MedienTechnik Vokal-Formant-Zentren deutscher 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 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 Akustische Grundbegriffe MedienTechnik i u a Vokaldreieck Zungenlage MedienTechnik Vorlesung „Medientechnik SS2010“ 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
