Musikwissenschaftliches Institut Grundlagen des Hörens Klaus Frieler Universität Hamburg Musikwissenschaftliches Institut Seminar 56.803, SoSe 08

Klaus Frieler: Grundlagen des Hörens Überblick Aufbau des Ohrs Cochlea Neuronen Die auditorische Bahn Lautheitswahrnehmung Tonhöhenwahrnehmung Klangfarbe Konsonanz-Dissonanz Klaus Frieler: Grundlagen des Hörens

Klaus Frieler: Grundlagen des Hörens Aufbau des Ohrs Ohrknorpel Ohrkanal Ohrmuschel (Pinna) Trommelfell Ovales Fenster Hammer Amboss Steigbügel Bogengänge Gehörschnecke (Cochlea) Hörnerv Eustachische Röhre Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Ohr Klaus Frieler: Grundlagen des Hörens

Aufbau des Ohrs - Signalweg Pinna (Luft) Außenschall (Luft) Trommelfell (Mech.) Gehörknöchelchen (Mech.) Cochlea (Hydr.) Basilarmembram (Mech.) Haarzellen (Elektr.- Mech.) Auditorischer Nerv (Elekt.-Chem.) Klaus Frieler: Grundlagen des Hörens

Aufbau des Ohrs - Cochlea Klaus Frieler: Grundlagen des Hörens

Klaus Frieler: Grundlagen des Hörens Cochlea Wanderwelle auf der Basilarmembran Frequenzselektivität: Hohe Frequenzen Maxima an der Basis (ovales Fenster) Niedrige Frequenzen maixma an der Spitze (Helicotrema) Äußere Haarzellen (ca. 12.000) wirken als adaptives Filter (top-down) Innere Haarzellen (ca. 3.500) im Corti‘schen Organ längs der Basilarmembran transduzieren die mech. Wanderwelle in Nervenimpulse (bottom-up) Tonotopie Klaus Frieler: Grundlagen des Hörens

Aufbau des Ohrs - Cochlea Klaus Frieler: Grundlagen des Hörens

Aufbau des Ohrs - Cochlea Klaus Frieler: Grundlagen des Hörens

Klaus Frieler: Grundlagen des Hörens Neuronen Klaus Frieler: Grundlagen des Hörens

Klaus Frieler: Grundlagen des Hörens Neuronen - Schema Dendriten Synapsen Dendriten Soma Axon Synapsen Klaus Frieler: Grundlagen des Hörens

Klaus Frieler: Grundlagen des Hörens Neuronen Nervenzellen bestehen aus Soma (Zellkörper) Axon (Ausgangsleitung) Dendriten (Eingangsleitungen) Synapsen bilden die Übergängen zwischen verschiedenen Neuronen Hauptfunktion ist die Erzeugung und Weiterleitung von elektro-chemischen Signalen (Aktionspotentiale, Spikes) Klaus Frieler: Grundlagen des Hörens

Klaus Frieler: Grundlagen des Hörens Synapsen und Spikes Synapsen benutzen Neurotransmitter Synapsen können Aktivierend oder Hemmend sein Synapsen haben bestimmte Stärken (Veränderung der Stärken = Lernen) Einkommende Signale werden im Soma addiert. Wird ein Schwellwert überschritten feuert das Neuron Messgröße: spike rates (Feuerraten) Klaus Frieler: Grundlagen des Hörens

Aktionspotential - Spike Klaus Frieler: Grundlagen des Hörens

Auditorische Neuronen Jede Hörneuron hat ein rezeptives Feld: Aktivitätsbereich in Abhängigkeit von Frequenz und Intensität Charakteristische Frequenz (CF) : Frequenz mit der niedrigsten Feuerschwelle Beste Frequenz (BF): Frequenz mit der höchsten Feuerrate bei gegebener Tonintensität Kritische Bandbreite jedes Hörneurons (Logarithmisch, ~ 1 Terz) Klaus Frieler: Grundlagen des Hörens

Auditorische Neuronen Klaus Frieler: Grundlagen des Hörens

Klaus Frieler: Grundlagen des Hörens Die Auditorische Bahn Auditorischer Cortex Medial Geniculatus Inferior Colliculus Superior Olive Cochlea Nucleus Hörnerv Klaus Frieler: Grundlagen des Hörens

Klaus Frieler: Grundlagen des Hörens Die Auditorische Bahn Klaus Frieler: Grundlagen des Hörens

Lautstärkenwahrnehmung Schalldruckpegel, Schallintensität: Physikalische Leistung einer Schallwelle (I ~ p2 ) Das menschliche Ohr kann Schallintensitäten zwischen 10-16 W/cm2 und 10-4 W/cm2 erfassen (1kHz): 12 Zehnerpotenzen! (0-120 dB) Logarithmische Skala: dezibel (p0= 20 mPa) Weber-Fechner‘sches Gesetz Ds ~ Dx/x Logarithmische Skalen in der Wahrnehmung Just Noticable Difference bei 1kHz: 0,1 – 1 dB Klaus Frieler: Grundlagen des Hörens

Lautstärkenwahrnehmung Wahrnehmung der Schallintensität ändert sich mit der Frequenz Phon-Skala: Gleiche Lautstärke von Sinustönen verschiedener Frequenz Bei 1kHz: dB = Phon Phonskala nicht distanztreu Lautheit: Sone–Skala Doppelte Sone-Wert entspricht doppelter Lautheit Klaus Frieler: Grundlagen des Hörens

Lautstärkenwahrnehmung Klaus Frieler: Grundlagen des Hörens

Klaus Frieler: Grundlagen des Hörens Verdeckung Verdeckung (Masking): Nicht-Wahrnehmbarkeit von Tönen in Gegenwart anderer Töne Mp3 und andere Audiokompressionsverfahren basieren u.a. auf Verdeckungseffekten Frequenz- und Zeitabhängig Nachverdeckung: Vorgehender stärkerer Ton verdeckt nachfolgenden schwächeren Vorverdeckung: Folgender stärkerer Ton verdeckt vorhergehenden schwächeren Ton Klaus Frieler: Grundlagen des Hörens

Klaus Frieler: Grundlagen des Hörens Tonhöhenwahrnehmung Tonhöhenwahrnehmung entsteht durch periodische Eigenschaften des Schalls Hängt prinz. von Klangfarbe (Spektrum) und Lautstärke ab EmpfundeneTonhöhe ist nicht gleich der niedrigesten, stärksten Frequenz Phänomen der Residualtöne (missing fundamental, Schouten 1940): Fehlender Grundton wird ergänzt Klaus Frieler: Grundlagen des Hörens

Klaus Frieler: Grundlagen des Hörens Tonhöhenwahrnehmung Tonotopie der Auditorischen Bahn basiert auf Tonhöhe und nicht auf Frequenz Phasenkopplung der auditorischen Nerven bis 2kHz Kein allseits akzeptiertes Modell Tonhöhenwahrnehmung: Orts/Zeittheorien Kombinationstöne sind nicht an der Tonhöhenwahrnehmung beteiligt Klaus Frieler: Grundlagen des Hörens

Klaus Frieler: Grundlagen des Hörens Tonhöhenwahrnehmung Klaus Frieler: Grundlagen des Hörens

Klaus Frieler: Grundlagen des Hörens Tonhöhenwahrnehmung Tonhöhenwahrnehmung ist kategorial Unterschiedschwelle (JND) für Tonhöhen (Sinuston, ~70 Phon, 1kHz): 5 cent (0,3%) cent(f, f0) = 1200 log2 f/f0, z. B. cent(2f, f) = 1200 (Oktave) Phänomen der Oktavidentität Revesz‘ Zweikomponententheorie der Tonhöhe: Tonigkeit und Helligkeit (pitch class, Chroma und Oktavlage), Neuronale Evidenz für Tonhöhenhelix Klaus Frieler: Grundlagen des Hörens

Klaus Frieler: Grundlagen des Hörens Tonhöhenhelix Langner (2007) Klaus Frieler: Grundlagen des Hörens

Klaus Frieler: Grundlagen des Hörens Klangfarbe Faktoren des Wahrnehmungsphänomens Klangfarbe: Gestalt des Frequenzspektrums (Obertongehalt) Zeitliche Entwicklung des Spektrums (Auftauchende, sinkende Obertöne) Ein/Ausschwingvorgänge Formanten: Feste Resonanzbereiche im Spektrum Dimensionen der Klangfarbe nicht eindeutig: Schwer systemfähig Klaus Frieler: Grundlagen des Hörens

Dimensionen der Klangfarbe Spektraler Schwerpunkt Spektrale Abweichung Spektrale Dichte Einschwingzeit Ausschwingzeit Hüllkurve Spektraler Fluss Tonhöhenstärke Einschwingsynchronizität Geräuschhaftikeit Klaus Frieler: Grundlagen des Hörens

Dimensionen der Klangfarbe Grey (1977) Klaus Frieler: Grundlagen des Hörens

Klaus Frieler: Grundlagen des Hörens Konsonanz-Dissonanz Problem der Verquickung von ästhetischen und perzeptiven Aspekten Perzeptive Aspekte: Schwebung Rauigkeit Schärfe Verschmelzung Kleine ganzzahlige Intervalle Kritische Bandbreiten Klaus Frieler: Grundlagen des Hörens