Die Präsentation wird geladen. Bitte warten

Die Präsentation wird geladen. Bitte warten

Die Physik des Hörens Lehrbücher: Biophysik für Mediziner (Herausgeber S. Damjanovich, J. Fidy und J. Szöllősi) Medicina, Budapest, 2008. Adam G., Läuger.

Ähnliche Präsentationen


Präsentation zum Thema: "Die Physik des Hörens Lehrbücher: Biophysik für Mediziner (Herausgeber S. Damjanovich, J. Fidy und J. Szöllősi) Medicina, Budapest, 2008. Adam G., Läuger."—  Präsentation transkript:

1

2 Die Physik des Hörens Lehrbücher: Biophysik für Mediziner (Herausgeber S. Damjanovich, J. Fidy und J. Szöllősi) Medicina, Budapest, Adam G., Läuger P., Stark G. Physikalische Chemie und Biophysik, Springer-Verlag, Berlin Fercher A.F. Medizinische Physik, Springer, Wien, New York Haas U. Physik für Pharmazeuten und Mediziner; Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft mbH. Suttgart Jerrentrup A. Physik für Mediziner, Original-Prüfungsfragen mit Kommentar, Schwarze Reihe, 19. Auflage, Thieme Verlag Stuttgart Maróti P., Laczkó G.: Bevezetés a biofizikába, JATEPress, Szeged 1998 (Ungarisch) P. Maróti, L. Berkes, F. Tölgyesi: Biophysics Problems. A Textbook with Answers. Akadémiai Kiadó, Budapest 1998 (Englisch). Péter Maróti Professor für Biophysik, Universität von Szeged, Ungarn.

3 Themenübersicht Schall - Grundlagen Das Ohr ist ein empfindliches Messinstrument Das Gehör: – Aufbau und Funktion des peripheren Hörorgans Der Kopf als Schallfilter – Richtungshören – Entfernungshören – Visuelles Hören – Außen- und Mittelohr 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 – Innenohr Wanderwelle-Theory von Békésy Reizverteilung an die Sinneszellen Reiztransformation and Haarzellen Kodierung – Auditorischer Pfad Psychoakustik – Tonhöhenabweichung unter Einfluß des Schallpegels – Aurale Fourieranalyse des weissen Rauschens – Zwicker´sche Nachton – Virtuelle Tonhohe und Residum – Schwebung und Rauhigkeit – Kombinationstöne Zusammenfassung Aufgaben

4 Schall - physikalisch gesehen Schall ist eine Schwingung in einem elastischen Medium Ausbreitung in Gas und Flüssigkeiten durch Longitudinalwellen und in Festkörpern auch durch Transversalwellen Kompression und Expansion des Mediums

5 Der „gute” Ton Der Ton hat nur eine einzige Frequenz bei 100 Hz. Fourier Transformation Änderung in ZeitÄnderung in Frequenz

6 Der „harmonische” Klang Die diskrete Frequenzen sind die ganzzählige Vervielfache des Grundtones. Der Klang hängt von den Verhältnissen der Amplituden der Obertone.

7 … und das Geräusch Das Frequenzspektrum ist kontinuierlich und besteht nicht aus diskreten Linien. Weißes Geräusch: das Spektrum ist flach, d.h. die Amplitude der Komponenten hängen von der Frequenz nicht ab.

8 Das Ohr ist ein empfindliches Druck- und Frequenzdetektor – Druckamplitude: Pa bis 100 Pa (9 Größenordnungen!) Anders gesagt: die periodische Auslenkungen der Moleküle des Mediums (z.B. Luft) beträgt von 10 pm (10  kleiner, als das Durchmesser eines H–Moleküls!) bis 0,1 mm. Das menschliche Ohr ist empfindlicher, als jeder heute verfügbarer Membrandruckmesser! – Frequenzbereich: 16 Hz bis Hz Gehör am empfindlichsten bei: 2 – 5 kHz Minimum Frequenzabstand: – 3% – im direkten Vergleich: 0.2 % – vgl. Halbton 6% Nur 6-10 Mikrosekunden Zeitunterschied zwischen Signalen an beiden Ohren – ermöglicht räumliches Hören – bei geübten Personen (Dirigenten) sogar nur 3 Mikrosekunden

9 Signalumwandlung beim Gehör TrommelfellBasilarmembranHaarzelleHörnerv mechanische Umwandlung mechano- elektrische Umwandlung elektrische- elektrische Umwandlung Reizenergie Rezeptor- potenzial Aktions- potenzial mechanische Energieelektrische Energie AußenohrMittelohrI n n e n o h r Schall

10 Die Lautstärke Schalldruck- pegel [dB] Schalldruck [  Pa] Anschauung 020Hörschwelle 20200Ganz leiser Lüfter Flüstern Sprache Hausmusik Güterzug Schmerzgrenze Der Schall wird gemessen: Intensität (Lautstärke): in dB Druck: in Pa Frequenz: in Hz

11 Das menschliche Gehörfeld. Audiogramm: Schallpegel in Abhängigkeit von der Frequenz

12 a...20-Jährige b,c...40-, 60- Jährige d...Verschiebung der Kurve durch Hörschäden durch laute Musik e...Bereich der Musik f...Bereich der Sprache g...ab hier wird es gefährlich h...Schmerzgrenze Hörschwelle Hörbereich Sprachbereich Schmerzgrenze Hörschäden dargestellt im Audiogramm

13 Aufbau und Funktion des peripheren Hörorgans Der Kopf als Schallfilter Um den Kopf herum entstehen stark von der Tonhöhe abhängige Interferenzmuster zwischen direkt einfallenden, reflektierten und gebeugten Schallwellen. z.B. oberhalb und unterhalb des Kopfes entstehen unterschiedliche Schallfelder, aufgrund der Refflektion am Boden und der Beugung am menschlichen Körper. – Versuch: Mit der linken Hand das rechte Ohr zuhalten und dann mit Daumen und Mittelfinger der rechten Hand ca. 10 cm und 60 cm vor dem rechten Ohr zuerst einmal reiben und dann etwa gleich laut schnippen, so dass Mittelfinger auf den Handballen schlägt. Ergebnis: Fingerreiben hört man nur weiter weg vom Kopf. (Die dabei entstehenden höheren Frequenzen werden nicht genug gebeugt, um zum anderen Ohr zu gelangen.) Fingerschnippen erzeugt durch das Schlagen auf den Handballen niedrigere Frequenzen, die durch Beugung zum linken Ohr gelangen, obwohl die Quelle nah am Kopf liegt.

14 Richtungshören Die Schallrichtung ist auch nur mit einem Ohr feststellbar! Unbewusste Drehungen des Kopfes ergeben Intensitätsunterschiede, durch welche die Quelle sondiert werden kann. Der Zeitunterschied des Eintreffens der Schallwelle zwischen zugewandtem zum abgewandtem Ohr beträgt höchstens 0.6 tausendstel Sekunden. Dieser Effekt spielt für das “Stereo- Empfinden“ jedoch nur eine untergeordnete Rolle! Es sind primär die Unterschiede in der Schallintensität an beiden Ohren, die das Richtungsempfinden auslösen! Die Schallintensität ist an beiden Ohren verschieden, da verschiedene Tonhöhen unterschiedlich vom Kopf abgeschattet werden. Durchmesser von einem durchschnittlichem Kopf: 22 cm. Daher treten für Töne über 1600 Hz starke Effekte auf.  Bei höheren Tönen reflektiert der Kopf den Schall immer besser, wodurch es zu einem “Druckstau“ bei dem der Quelle zugewandtem Ohr kommt! Dies entspricht einer Verstärkung der Druckamplitude um den Faktor 2! Zweiohrige Richtungsbestimmung durch Zeitverzögerung

15 Unter 600 Hz funktioniert Richtungshören mit reinen Tönen kaum noch, da in diesem Bereich nur sehr wenige richtungsabhängige Intensitätsunterschiede auftreten. Ab 1600 Hz verlaufen die Kurven vor allem auf der schallabgewandten Seite unregelmäßig! Dies wird vor allem durch die hervorstehenden Merkmale des Kopfes, wie Nase und Ohr. 600 Hz 1600 Hz

16 Entfernungshören Unbewusst benützen wir, dass hohe Frequenzen des Schalls auf dem Weg zum Ohr stärker gedämpft werden als niedrigere. Ähnlich wie beim Richtungshören bewerten wir den Frequenzbereich der Partialtöne im sensitivsten Frequenzbereich unseres Gehörs. Bis ungefähr 2 m können wir Abstände gut einschätzen! Wenn sich der Sprecher weiter weg befindet, nehmen wir das durch Refflektionen am Boden verkomplizierte Schallfeld wahr, was zu falschen Entfernungsschätzungen führt. Für größere Entfernungen, als 3 m werden diese hauptsächlich aus der Lautstärke geschlossen.

17 Das Ohr im Überblick Ohrmuschel mit Gehörgang Mittelohr Innenohr Hörnerv Auditorischer Pfad Cortex Außenohr Mittelohr Innenohr

18 Außenohr Ohrmuschel – Knorpelig, faltig – fängt Schall ein – Schallmodulation je nach Richtung Gehörgang – leichte S-Form – Orgelpfeifen-resonanz: verstärkt um Faktor 2 – Talgdrüsen – Härchen

19 Außenohr Das äußere Ohr erfüllt die Aufgabe der Schalleitung aus der Umwelt zum Trommelfell. Starke Richtungs- und Frequenzabhängigkeit Außenohr hat die akustische Funktion eines Beugungsfilters. Der von der Muschel umschlossene Trichter hat ein Volumen von 2.5 cm 3, und wird deshalb bei Frequenzen um 4.5 kHz akustisch aktiv. Der Gehörgang ist auf einer Seite mit dem Trommelfell abgeschlossen und wirkt wie eine einseitig geschlossene Pfeife. Resonanzfrequenz: zwischen 2.5 und 3 kHz Schall in diesem Bereich wird bis um das 30-fache verstärkt. Durch Beugungs- und Brechungserscheinungen kommt es zu folgender Freifeldübertragungsfunktion: Stehende Welle λ/4

20 Das Mittelohr: Anatomie und Mechanik 1. Hammer 2. Amboss 3. Steigbügel 4. Trommelfell 5. Paukenfenster 6. Ohrtrompete

21 Mittelohr Einfangen der Schallwellen am Trommelfell, Schwingungsübertragung vom Außen- zum Innenohr Wirkungsvolle Übertragung auf die Flüssigkeiten im Innenohr, Impedanzanpassung zwischen Mittel- und Innenohr Erweiterung des Dynamikbereiches des Gehörs Frequenzselektive Empfindlichkeitsänderung des Gehörs, Verstärkung besonders zwischen 1 und 3 kHz Schutzfunktion: – Druckausgleich über Ohrtrompete – Schutz des Innenohres vor zu lauten Schallen – Stapedius Reflex zur Unterdrückung der eigenen Stimme Aufgaben

22 Die Mittelohrmuskeln Trommelfellspanner (M. tensor tympani) Steigbügelmuskel (M. stapedius) Funktionen: – Schutz des Innenohres vor zu lauten Schallen – Vergrößerung des Arbeitsbereiches des Innenohres

23 Anordnung und Wirkungsweise der Mittelohrmuskeln Durch die Kontraktion des Steigbügelmuskels kommt es zu einer verstärkten Spannung des Membranbandes im ovalen Fenster, so daß Steigbügelauslenkungen gedämpft werden. Bei der Kontraktion des Trommelfellspanners wird das Trommelfell in die Paukenhöle hineingezogen und gespannt. Dadurch wird die Reflexion vergrößert und somit die Aufnahme der Schallenergie vermindert. Der Arbeitsbereich des Innenohrs wird dadurch vergrößert, da eine höhere Reizintensität abgedeckt werden kann (ohne diese Dämpfungen nur bis 40 dB)

24 Schutzfunktion der Muskeln gegen hohen Schallpegeln Bei der Reaktion auf zu laute Schallereignisse benötigen die Muskeln eine gewisse Ansprechzeit (Latenzzeit). – 35 ms bei hohen Schallpegeln – 150 ms bei niedrigen Schallpegeln Da dieser Schutz unzureichend ist, kann es zu einem Schall- oder Knalltrauma kommen.

25 Schwingungsmuster des Trommelfells Bis zu einer Frequenz von 2,4 kHz schwingt das gesamte Trommelfell einschließlich des Hammergriffs als starre konische Fläche um eine gemeinsame Drehachse. Steigt die anregende Frequenz über 2,4 kHz, so tritt ein anderes Schwingungsverhalten auf und die wirksame Trommelfelloberfläche wird kleiner.

26 Schwingungsverlauf des Trommelfells Bewundern Sie sich: was für ein feines und empfindliches mechanisches Instrument ist das Ohr mit dem Trommelfell!

27 Schwingungsübertragung vom Außen- zum Innenohr Die aus der Luft aufgenommenen Schwingungen werden vom Trommelfell über die Gehörknöchelchenkette auf das Innenohr übertragen. Hierzu setzt der am Trommelfell befestigte Hammergriff den Hammer in Bewegung, dessen Auslenkungen auf den Steigbügel übertragen werden. Der Steigbügel ist mit dem ovalen Fenster des Innenohres verbunden. Dort ist er beweglich eingepaßt und elastisch durch das Ringband abgedichtet. An dieser Stelle erfolgt die Schwingungsübertragung vom Mittel- in das Innenohr. Schallempfindungen können auch entstehen, wenn Außen- und Mittelohr umgangen werden. In diesem Fall spricht man von Knochenleitung. Ovales Fenster

28 Impedanzanpassung im Mittelohr Um Reflexionsverluste auszugleichen, ist eine Druckerhöhung am ovalen Fenster gegenüber dem Druck am Trommelfell notwendig. Dies geschieht hauptsächlich durch: – Flächenverhältnis von Trommelfell zu Steigbügelfuß (Verstärkungsfaktor: 17) – Längenverhältnisse der wirksamen Hebel der Gehörknöchelchenkette 40% anstatt 98% der Schallwellen werden reflektiert Druck am ovalen Fenster 22 mal höher Wellenwiderstandsanpassung an Übergängen

29 Hebelgesetz: F 1 · l 1 = F 2 · l 2 Dies ergibt einen Verstärkungsfaktor von V Hebel = 1.3 Der schon durch die Hebelwirkung verstärkte Druck wird zusätzlich durch das Flächenverhältniss verstärkt: V = V Fläche · V Hebel = 17 · 1,3 = 22 Impedanzanpassung im Mittelohr

30 Die Übertragungsfunktion des Mittelohres Da die Schnelligkeit der Steigbügelschwingungen im ovalen Fenster Vs(f), als auch der Schalldruck am Trommelfell PT(f) frequenzabhängig sind, ist auch die daraus gebildete Übertragungsfunktion des Mittelohres M(f) frequenzabhängig. M(f) = 20 log [Vs(f) / PT(f)] Sie weist ein Tiefpassverhalten mit der Grenzfrequenz f = 1500 Hz auf. Tiefpass-filter lä  t durch löscht aus

31 Knochenleitung In gleicher Weise wie das Trommelfell, wird auch der Schädelknochen durch die aus der Umwelt auftreffenden Schallwellen zu mechanischen Schwingungen angeregt. Diese Schwingungen des Schädelknochens werden als Knochenschall bezeichnet und übertragen sich direkt auf das Innenohr. Für die Hörempfindung im täglichen Leben spielt die Knochenleitung, außer zum Hören der eigenen Stimme, kaum eine Rolle. Alle Anteile des Knochenschalls liegen für alle Frequenzen ungefähr 50 dB unter dem Luftschall. Daher werden wir die hohen und niedrigen Frequenzen nicht mehr wahrnehmen und wir hören die Stimme im empfindlichsten Bereich, also höher.

32 Das Innenohr Aufgaben: - Reizverteilung an die Sinneszellen - Reiztransformation Nerv zum Gehirn Anfang der Cochleagänge Spitze der Schnecke Gleichgewichtsorgan (Vestibularapparat)

33 Aufbau der Schnecke Auf der Basilarmembran befindet sich das Transformationsorgan (Cortisches Organ). Hier findet der eigentliche Hörprozeß, die Umwandlung mechanischer Schwingungen in Nervenimpulse, statt. Transformationsorgan (Cortisches Organ) Die Basilarmembran verändert ihre mechanischen Eigenschaften während ihres Verlaufs vom basalen zum apicalen Ende. Auf diesem Weg nimmt die Steifigkeit ab. Gleichzeitig verbreitert sich die Basilarmembran von 1/6 mm auf 1/2 mm.

34 Ohrschnecke 1. Schneckengang 2. Vorhoftreppe 3. Paukentreppe 4. Gewundenes Ganglion 5. Gehörnervfasern Steigbügel überträgt Vibrationen auf Vorhoffenster Druckwelle bewegt sich auf Vorhoftreppe (rot) Ab der Spitze zurück über Paukentreppe zum Paukenfenster (blau) Schneckengang wird nach oben durch Reissners‘- nach unten durch Basilar-membran begrenzt.

35 Basilarmembran Eigenschaften der Basilarmembran – Abnehmende Spannung – Zunehmende Breite => größere Querschnitt / mehr Flüssigkeit Damit zur Spitze hin sinkende Resonanzfrequenz entlang der Cochlea (Passive Tonotopy) An der Spitze tiefe Frequenzen: 20 Hz An der Basis hohe Frequenzen: 20 kHz Resonanzfrequenzkarte entlang der Basilarmembran

36 Basilarmembran Durch Steigbügel übertragene Vibrationen erzeugen Druckwelle bis hin zum Paukenfenster (Schallgeschwindigkeit des Wassers) Durch Ausgleich am Paukenfenster Wanderwelle durch Druckunterschied zwischen Vorhof- und Paukentreppe (sehr viel langsamer)

37 Zusammenhang zwischen Länge der Basilarmembran, Tonheit Z und Frequenz f Ein Ton einer bestimmten Frequenz führt an einem bestimmten Ort der Basilarmembran zu einem Erregungsmaximum der Haarzellen. Dargestellt ist der Ort des Erregungsmaximums und seine Beziehung zur wahrgenommenen Tonhöhe - der Tonheit Z in Mel - und zur Frequenz f des Signals. Die Trapezform des gelben Bereichs schematisiert die entrollte Cochlea, nicht jedoch die Basilarmembran. Die Basilarmembran verbreitert sich vom ovalen Fenster zum Helicotrema hin.Cochlea

38 Schwingung der Basilarmembran: Bewegung der Wanderwellen Schnecke unter Sinustonreizung Wanderwelle pflanzt sich von der Basis zum Helicotrema auf Basilarmembran fort. Im Resonanzbereich verlangsamt sich die Welle Amplitude erreicht durch Überlagerung ihr Maximum Knapp danach – starke Dämpfung (Auslöschung) - Die hohe Frequenzauflösung ist nicht erklärbar! - Nicht nur passive Eigenschaften - Aktive Mechanismen zur Steigerung der Empfindlichkeit und Trennschärfe

39 Wanderwelle-Theory von Békésy Die Hörschnecke abgerollt Békésy György ( ) Nobel Preis 1961

40 Die Wanderwellentheorie zur Schallwahrnehmung Durch die Bewegung des Steigbügels im ovalen Fenster kommt es zu einer Flüssigkeitsverschiebung, die die Basilarmembran in Schwingung versetzt. Dadurch entstehen Wanderwellen auf der Basilarmembran, die an einer frequenzabhängigen Stelle der Basilarmembran ihr Maximum erreichen. Wanderwellen An der Stelle der Amplitudenmaxima kommt es zur Relativbewegung zwischen der Basilarmembran und der Tektorialmembran. Dies führt zu einer tangentialen Abscherung der Haarzellen.

41 Übertragungsfunktion des Innenohres Die Übertragungsfunktion des Innenohres wird durch das Verhältnis der Auslenkung der Basilarmembran zur Auslenkung des Steigbügels im ovalen Fensters beschrieben. Die Abbildung zeigt dieses Verhältnis in Abhängigkeit der Frequenz, gemessen auf einer festen Stelle der Basilarmembran.

42 Übertragungsfunktionen der Reiztransformation Jede Faser des Hörnervs, die eine innere Haarzelle auf der Basilarmembran kontaktiert, weist eine sogenannte Bestfrequenz (charakteristische Frequenz cF) auf. Die charakteristische Frequenz ist die Frequenz, bei welcher ein Sinuston eine maximale Impulsfolgefrequenz bei minimaler Amplitude hervorruft. Die Nervenfasern sind hochgradig frequenzselektiv.

43 Ort der Perzeption Sitzt auf Basilarmembran Endolymphe gefüllt Lockere Struktur steif genug zum Schwingen Das Organ von Corti Das Transformationsorgan Die mechanische Wellen werden in bioelektrische Reize umgewandelt.

44 Das Organ von Corti 1. Schneckengang 2. Vorhoftreppe 3. Paukentreppe 4. Reissners‘ Membran 5. Basilarmembran 6. Tektorische Membran 7. Stria Vascularis 8. Nervenfasern 9. Knöchernes gewundenes Lamina Das Transformationsorgan wird vergrößert

45 Das Organ von Corti – Im Detail 1. Innere Haarzellen 2. Äußere Haarzellen 3. Tunnel von Corti 4. Basilarmembran 5. Retikuläres Lamina 6. Tektorische Membran 7. Zellen Deiters‘ 8. Kutikuläre Platte 9. Hensens‘ Zellen 10. Retikuläres Lamina

46 Das Transformationsorgan Mechanische Wellen werden in bioelektrische Reize umgewandelt. Noch besser vergrößert

47 Das Organ von Corti in Schwingung Schwingende Basilarmembran Bewegt darauf liegendes Cortisches Organ Höhere Festigkeit der Tektorischen Membran biegt die äußeren Haarzellen ab Tektorische Membran Basilarmembran

48 Sensorische Haarzellen Mechanorezeptoren Besitzen fingerartige Ausstülpungen (Stereovilli) Bei Bewegung: Änderung des Potentials an der Membran Weiterleitung an die Nerven

49 Sensorische Haarzellen Innere Haarzellen  Stereovilli in Linie Äußere Haarzellen  Stereovilli in W-Form 1.Zellkern 2.Stereovilli 3.Kutikuläre Platte 4.Zuführendes Radialende 5.Seitlich ausführendes Ende 6.Ausführendes Mittende 7.Gewundenes zuführendes Ende

50 Unterschiede zwischen inneren und äußeren Haarzellen Drei mal mehr äußere, als innere Haarzellen Anschluss der Nervenzellen:  95 % der zum Gehirn führenden Nerven ist mit inneren Haarzellen verbunden  vom Gehirn kommende Nerven sind hauptsächlich mit den äußeren Haarzellen verbunden

51 Sensorischen Haarzellen Stereovilli besitzen feine Verbindungen: Seitlich in der gleichen Reihe Von Reihe zu Reihe Sog. Tip Links an deren Spitze zur nächst größeren Reihe Es gibt ca innere Haarzellen äußere Haarzellen Ca. 100 Stereovilli pro Haarzelle Zahlen nehmen im Laufe des Lebens ab

52 Haarzellen machen einen mechanisch-transduktiven Prozess Transduktion: Umsetzung einer Energieform in eine andere Haarzellen setzen mechanische Vibrationen in elektrische Membranpotentiale um An deren Basis: chemische Weiterleitung an Synapsen

53 K + dringt ein Zelle wird depolarisiert Verschließen der Kanäle Ca 2+ aktiviert Bewegungsprotein Rückstellung der Stereovilli Stereovilli werden abgebogen Haarzellen und mechanisch- transduktiver Prozess Vermutung: Tip Links sind für Kanalöffnung, bzw. Schließung verantwortlich Schneller Depolarisationszyklus (bis 100 kHz) Potenziale sinken unter Dauerton und müssen wieder hergestellt werden Hörermüdungstest

54 Veränderte Wanderwelle Transversalwelle bei sich ändernder STEIFHEIT der Membran Transversalwelle bei sich ändernder STEIFHEIT der Membran und VERSTÄRKUNG in aktiver Region

55 Der Hörnerv und Kodierung Überträgt Signale von der Cochlea zum Nucleus Cochlearis Etwa 20 Nervenfasern beginnen an jeder inneren Haarzelle Auch ohne Stimuli Entladungen: „Spontane Aktivität“ Kodierung der physikalischen Eigenschaften der Töne Tiefe Töne: Phasenkodierung Hohe Töne: Ortskodierung Lautstärke: Ratenkodierung + Ortskodierung Richtung: Zeitkodierung

56 Phasenkodierung Maximale Entladungsrate in oberer Umkehrphase

57 Kodierung von Zeitdauer und Intensität Zeitdauer der Aktivierung der Hörnervzelle entspricht der Zeitdauer des Stimulus Entladungsrate kodiert Intensität

58 Maskierung nutzen: MP3

59 Der auditorische Pfad Drei Komponenten: Das auditorische Sinnesorgan Der Hörnerv Die auditorischen Gebiete im Gehirn

60 Rechts: Tonhöhen, Melodien

61 Links: Rhythmen, zeitliche Strukturen

62 Psychoakustik Die Psychoakustik ist eine Disziplin, die den Zusammenhang zwischen den physikalischen Eigenschaften eines Schallsignals und den daraus resultierenden Empfindungen beschreibt.

63 Tonhöhenabweichung unter Einfluß des Schallpegels Die Tonhöhe eines Tones fester Frequenz kann sich ändern, wenn der Schallpegel des Tones verändert wird. lauter tiefer höher

64 Aurale Fourieranalyse des weißen Rauschens Die Amplitudenverteilung des weißen Rauschens unterliegt dem Zufall! Durch die zufällige zeitliche Verteilung der in einem Zeitintervall beteiligten Spektralanteile (Frequenzkomponenten) kann es vorkommen, dass das weiße Rauschen kurzzeitig Merkmale annehmen kann, mit deren Hilfe das Gehör mittels der auralen Fourieranalyse bestimmte Spektralkomponenten und damit Tonhöhen erkennt.

65 Zwicker‘scher Nachton Wird das Gehör entsprechend der nebenstehenden Grafik mit einem Breitbandrauschen beschallt, dessen Frequenzspektrum eine Lücke aufweist, so kann nach dem Abschalten des Geräuschs ein leiser Sinuston wahrgenommen werden. Die Tonhöhe dieses „Nachtones“ ist zeitlich konstant und entspricht einer Frequenz, die innerhalb der Frequenzlücke des Breitbandrauschens liegt.

66 Virtuelle Tonhöhe und Residuum Die virtuelle Tonhöhe entsteht, wenn von einem breitbandigen Linienspektrum nur ein höherfrequenter Teil übertragen wird. Die wahrgenommene musikalische Tonhöhe bleibt gleich, lediglich die Klangfarbe des Schallereignisses ändert sich. Die sich einstellende Tonhöhe des Residualklanges wird als virtuelle Tonhöhe bezeichnet.

67 Anpassung (Adaption) Das Gehör passt seine Empfindlichkeit an die jeweilige Schallsituation an. Somit ist es möglich Schallereignisse mit unterschiedlichen Pegeln qualitativ gleich wahrzunehmen.

68 Schwebung und Rauhigkeit Werden zwei Sinustöne mit ähnlicher Frequenz abgespielt, dann kommt es zur Schwebung, die in Form einer Amplitudenmodulation wahrgenommen wird. Überschreitet die Frequenzdifferenz zwischen beiden Tönen den Wert von ca. 15 (30) Hz, so verschwindet die Schwebungsempfindung und es tritt eine Empfindung auf, die als Rauhigkeit bezeichnet wird. Wird der Frequenzunterschied weiter gesteigert, so wird die so genannte Frequenzunterscheidungsschwelle überschritten.

69 Kombinationstöne Kombinationstöne sind zusätzliche Tonhöhenempfindungen die auftreten, wenn zwei Sinustöne unterschiedlicher Frequenzen f 1 und f 2 zusammen dargeboten werden und die Töne von hoher Intensität sind. Dabei entsprechen diesen zusätzlichen Tonhöhenempfindungen Frequenzen, die von f 1 und f 2 verschieden sind. Kombinationstöne sind im ursprünglichen Schallsignal nicht vorhanden, sondern entstehen durch eine nichtlineare Verzerrung des akustischen Signals im Ohr, insbesondere durch die Nichtlinearitäten der Übertragungsfunktion der Cochlea wo diese Töne als physikalische Schwingungen vorhanden sind.

70 Zusammenfassung Hören ist ein aktiver Prozess  Anpassung an Hörumgebung  Schutzfunktionen  Frequenzselektivität  Cochleaverstärker  Mustererkennung Der Vorgang des Hörens ist hochkomplex Erschwerte Forschung in höheren Ebenen des auditorischen Pfades durch fehlende Kenntnis der Kodierung Völlig andere Funktionsweise als ein analytischer Ansatz eines Ingenieurs Zwischen dem Sinnesorgan und der bewussten Wahrnehmung liegt ein mächtiger neuronaler Filter

71 Aufgaben 1) Schätzen Sie den Zeitunterschied zwischen Signalen an beiden menschlichen Ohren in der Funktion des Neigungswinkels! 2) Um wieviele dB erhöht sich die untere Hörschwelle bei Ausfall des Mittelohrs? Die auf das Innenohr übertragene Schallintensität vermindert sich um einen Faktor 400.

72 Aufgaben 3) Die Funktion der Knöchelchen des menschlichen Mittelohrs (Hammer, Amboß und Steigbügel) werden mit dem folgenden Model in Betracht genommen: die gesamte Masse der Gehörknöchelchen (m = 2 mg) wird mit einem kleinen Massenpunkt ersetzt, der mit einer Feder (Federkonstante k 1 = 72 N/m) zum Trommelfell und mit einer anderen Feder (Federkonstante k 2 = 7,2 N/m) zum ovalen Fester gebunden ist. Was für eine Frequenz charakterisiert das System?


Herunterladen ppt "Die Physik des Hörens Lehrbücher: Biophysik für Mediziner (Herausgeber S. Damjanovich, J. Fidy und J. Szöllősi) Medicina, Budapest, 2008. Adam G., Läuger."

Ähnliche Präsentationen


Google-Anzeigen