Grundfragen und Methoden Begriffe psychoakustische Parameter Inhalt Was ist Psychoakustik? Grundfragen und Methoden Begriffe psychoakustische Parameter die Hörfläche Verdeckung Wahrnehmung von Tonhöhe, Lautheit, Tempo, Rhythmus Frequenzgruppen Isophone Rhythmus

Literaturempfehlungen Békésy, Georg von (1960): Experiments in hearing O‘Shaughnessy, Douglas (1987): Speech Communication - human and machine Terhardt, Ernst (1998): Akustische Kommunikation Zwicker, Eberhard / Fastl, Hugo (1990): Psychoacoustics: facts and models

Teilgebiet der Psychophysik Gegenstandsbereich: Psychoakustik Teilgebiet der Psychophysik Gegenstandsbereich: Zusammenhänge zwischen physikalischen Schallfeldgrößen (Schallereignisse) und menschlicher Wahrnehmung von Schall (Hörereignis) physikalische Größen psychoakustische Größen Frequenz Tonhöhe Pegel Lautheit Dauer wahrgenommene Dauer Anwendungsgebiete Schallwirkungsforschung, Lärmwirkungsforschung, Audiologie Telekommunikation, Audiokompression, Geräuschdesign Sprachgütebeurteilung, Raumakustik, Tonstudiotechnik Umwelt, Gesundheitsschutz Lärmschutzmaßnahmen: Arbeitsplatz, Autobahn ... Im Sprachbereich: Beziehungen zwischen Schallstruktur und Hörschaden Bewertung der Gefährlichkeit von Schallereignissen (Knalle) Unterhaltungsindustrie: binaurales Hören Quellenlokalisation (Surroundsound, ...)

Grundfragen der Psychoakustik Wie funktioniert die ...? Wahrnehmung der Tonhöhe Wahrnehmung der Lautheit Wahrnehmung der Dauer (Tempo) Wahrnehmung von Klangveränderungen Wahrnehmung von Rhythmus räumliche Wahrnehmung Weil man festgestellt hat, dass die akustischen Größen und die wahrgenommenen Größen nicht immer übereinstimmen, hat man versucht, die Zusammenhänge mathematisch zu beschreiben. Mitte des 19. Jh. – Physiker G. T. Fencher – Psychophysik physikalische Meßwerte und subjektives Empfinden

Methoden der Psychoakustik Tests, bei denen subjektive Urteile von Versuchspersonen erhoben werden klassische: Einregelungsmethode (method of adjustment) Größenschätzung (magnitude estimation) Paarvergleich adaptive: Forced-Choice-Methoden (2-AFC, 3-AFC, 4-AFC) Békésy-Tracking Art der zu verwendeten Methode ist abhängig von der Fragestellung Vor- und Nachteile der verschiedenen Methoden je nach Art der Aufgabe (was soll herausgefunden werden) gibt es verschiedene Methoden unterschiedlich hoher Zeitaufwand Unterschied klassisch/adaptiv: Der Verlauf eines adaptiven Tests wird von den Urteilen der vpn beeinflusst. Bei klassischen Methoden nicht. Urteile vieler Personen werden statistisch ausgewertet und erst dadurch valide Größenschätzung absolute Beurteilung eines Merkmals Vorteil: geringerer Zeitaufwand Nachteil: vpn ist unsicher bei der Bewertung, weil keine direkte Vergleichbarkeit Vollständiger Paarvergleich direkter Vergleich von je 2 Stimuli Nachteil: hoher Zeitaufwand, nur relativer Vergleich, keine absolute Beurteilung Individualtest Kombination aus Größenschätzung und Paarvergleich alle Stimuli auf Screen dargestellt, beliebig anhören und vergleich durch Vpn Bewertung durch Anordnung oben-unten (bsp.) um Vorteile zu nutzen und Nachteile zu vermeiden

Begriffe Schall = Schwingungen eines Mediums (Luft, Wasser ...) = rhythmisch abwechselnde Verdichtung und Verdünnung Frequenz, Amplitude, Phase Schalldruck - Schalldruckpegel Schallschnelle - Schallschnellepegel Schallintensität - Schallintensitätspegel Schallleistung - Schallleistungspegel

Auslenkung Geschwindigkeit Beschleunigung (Schnelle) Schalldruck)

Ton = einzelne, „reine“ Sinusschwingung mit best. Frequenz Begriffe Ton = einzelne, „reine“ Sinusschwingung mit best. Frequenz Klang = Tongemisch, bestehend aus Grundton und Obertönen (Harmonische) mit periodischen Eigenschaften Geräusch = beliebige Kombination aus Frequenzen und Lautstärken, nicht periodisch Reine Töne kommen in der Natur nicht vor Beispiele Sprache besteht aus Klängen (Vokale, Sonoranten) und Geräuschen (Frikative, Plosive)

Psychoakustische Parameter Lautheit [sone] Schärfe [acum] Tonhöhe [mel] oder [bark] oder [ERB] Rauigkeit [asper] Schwankungsstärke [vacil] Tonhaltigkeit Impulshaftigkeit

Bedeutende Psychoakustiker Hermann von Helmholtz: 1863: Die Lehre von den Tonempfindungen erstmals Unterscheidung zwischen Pänomen (=Reizgröße) und Wahrnehmung (Empfindungsgröße) Georg von Békésy Eberhard Zwicker Jens Blauert und viele andere ...

Hörfläche Schalle mit Frequenzen unter 16 Hz = Infraschall Schalle mit Frequenzen über 20kHz = Ultraschall p = Druck in Pascal L = Schalldruckpegel (Sound pressure Level) I = Lautstärke in phone (Intensity) N = Lautheit in Sone

Schmerzschwelle und Grenzwert für Gefährdung von der Frequenz abhängige Lautstärke eines Tons, oberhalb derer unmittelbare Gehörschäden auftreten Grenzwert für Gefährdung liegt unterhalb der Schmerzschwelle längere Einwirkung von Schallpegeln oberhalb dieses Grenzwertes führen zu temporären oder permanten Gehörschäden (Lärmschwerhörigkeit)

Ruhehörschwelle = absolute Hörschwelle Wahrnehmbarkeit eines (Test-) Schalles ohne Anwesenheit anderer Schalle Schalldruckpegel eines Sinustons, der in Abhängigkeit von seiner Frequenz gerade noch wahrgenommen wird Ermittlung: durch pendelndes Einregeln

Ruhehörschwelle

Ruhehörschwelle in Abhängigkeit vom Alter

Weitere Hörschwellen (engl. threshold) Mithörschwelle Wahrnehmbarkeit eines (Test-) Schalles bei Anwesenheit bzw. unter dem Einfluss anderer Schalle (Störschall, Maskierer) Differentielle Wahrnehmbarkeitsschwelle (Unterschiedsschwelle, just noticeable difference) mindestens notwendige Änderung eines Reizes, damit eine Änderung wahrgenommen werden kann

Beispiele für Lautstärkepegel Beispiele dB Ruhehörschwelle 0 Blätterrascheln (in der Ferne), ruhiges Atmen 10 Flüstern 20 Ruhiges Zimmer 20-30 Gesetzl. Grenzwert für Nachtgeräusche in Wohngebieten 35 Gespräch 40-60 Gesetzl. Grenzwert für Taggeräusche in Wohngebieten 45 TV (normal laut), Stressgrenze 60 Staubsauger in 1m Abstand, Haushalts-, Bürolärm 70 Hauptverkehrsstraße (5m Abstand) 80 Autohupen, LKW-Fahrgeräusche, Schnarchen 90 Stereoanlage mit Lautsprechern 70-100 Discomusik, Presslufthammer, Motorrad, Kreissäge 100 Rockkonzert, Walkmen (laut), Kettensäge, Flugzeug (nah) 110-120 Schmerzschwelle, Düsenflugzeug 130 Gewehrschuss, Raketenstart 140 Ohrfeige direkt aufs Ohr 170 Dauerbeschallung führt ab 85 dB zu Hörschäden (Gehörschutz im Gewerbe vorgeschrieben) Bei 190 dB: innere Verletzungen, Hautverbrennungen, tödlich

Akustische Täuschungen es ist möglich, Töne zu hören, die nicht als Schall vorhanden sind genaue Untersuchung von Täuschungen kann zur Erkenntnisgewinnung beitragen, wie das menschliche Gehör Schallsignale verarbeitet Bsp: Shepard-Skala Stereofonie Synästhesie visuelle Beeinflussung (z.B. McGurk-Effekt) Tinnitus

Psychoakustische Phänomene Schwebungen Schwankungen der Amplitude, die dann auftreten, wenn der Frequenzabstand zwischen 2 Tönen < 20 Hz beträgt Differenzfrequenz zwischen den beiden Tönen bestimmt die Frequenz der Amplitudenschwankungen ist keine akustische Täuschung, weil die Amplitudenschwankungen im akustischen Signal nachweisbar sind Verdeckung laute Töne verdecken leise zählt zu den akustischen Täuschungen Schwebung: Differenzfrequenz zwischen den beiden Tönen bestimmt die Frequenz der Amplitudenschwankungen ist keine akustische Täuschung, weil diese Amp-schwankungen im akustischen Signal vorhanden sind

zeitliche Verdeckung (temporal masking) Verdeckung (Masking) zeitliche Verdeckung (temporal masking) Simultanverdeckung Vorverdeckung Nachverdeckung verdeckender Ton = Maskierer

Verdeckung in Abhängigkeit von der Lautstärke

Wahrnehmung der Tonhöhe bei reinen Tönen relativ nah an der realen Frequenz Messung über Verhältnistonhöhe doppelte Tonhöhe = wievielfache Frequenz ? bis etwa 1 kHz linear, danach überproportionaler Anstieg der Frequenz notwendig bei komplexen Tönen (Klängen) und Geräuschen schwierig zu bestimmen komplexe Töne: meist der Abstand zwischen den enthaltenen Tönen (=Grundfrequenz), aber abhängig von der Lautstärke (bandbegrenztes) Rauschen: nahe der Grenzfrequenz (cut-off-frequency)

Zusammenhang Frequenz - Tonheit

Vergleich von Tonhöhenskalen alle Skalen außer der Frequenz sind linear !!!  also ist die Frequenzskala nicht so gut geeignet, um Effekte, die im Innenohr produziert werden, zu beschreiben auch die logarithmische Skalierung ist nicht im gesamten Bereich übereinstimmend

Frequenzgruppen und Tonheit Frequenzgruppe (critical band) ist der Frequenzbereich (=Band), innerhalb dessen das Gehör ein Merkmal zusammenfasst Intensität, Klang, Richtung Aneinanderreihung von Frequenzgruppen  gehörgerechte Frequenzskala = Tonheit Menschen hören 24 Frequenzgruppen (s. Barkskala) Einheiten für die Tonheit (=wahrgenommene Tonhöhe): Mel Bark  doppelter Wert = doppelt so hoher Ton (gilt für die Frequenz in Hz nicht) Bark – nach dem Dresdner Akustiker Barkhausen jede Frequenzgruppe braucht eine unterschiedlich lange Zeit zum Einschwingen erst danach steht der Schalleindruck zur Verfügung sehr kurze Signale und Änderungen werden nicht wahrgenommen bei minimaler Bandbreite 100Hz = 10ms maximale Zeit Bandbreiten: bis 500 Hz = 100 Hz darüber = 1 Terz = Faktor 1,19

Wahrnehmung von Lautheit ebenso wie bei der Tonhöhe gilt: Intensität ≠ Lautheit kann nicht aus der geraden wahrnehmbaren Intensitätsänderung konstruiert werden ist abhängig vom spektralen und zeitlichen Eigenschaften des Signals verschiedene Modelle zur Berechnung basieren auf experimenteller Ermittlung, z.B. Größenschätzung z.B. spezifische Lautheit nach Zwicker Gesamtlautheit eines Schalls ist die Summe der spezifischen Lautheiten in jedem einzelnen Frequenzband Einheit der spezifischen Lautheit: sone

Isophone – Kurven gleicher Lautheit p = Druck in Pascal L = Schalldruckpegel (Sound pressure Level) I = Lautstärke in phone (Intensity) N = Lautheit in Sone für reine Töne im freien Schallfeld Phon 100 80 60 40 20 3 Sone 64 16 4 1 0,15 0

Dämpfung/Verstärkung zum Ausgleich der Schallfeldeigenschaften damit ein Schall im diffusen Schallfeld gleich laut wirkt wie im freien Schallfeld, muss er entsprechend der dargestellten Funktion gedämpft/verstärkt werden

Spezifische Lautheit nach Zwicker

Wahrnehmung der Dauer

Wahrnehmung der Dauer nur geringer Unterschied zwischen objektiver und subjektiver Dauer Immerhin proportional

Wahrnehmng von Tempo und Rhythmus Annahme: Bursts in gleichen Abständen erzeugen die Wahrnehmung eines gleichförmigen Rhythmus  falsch gilt nur für sehr kurze Bursts mit steilen Hüllkurven Schalle mit graduellem Intensitätsanstieg verschieben den Zeitpunkt der Wahrnehmung eines Rhythmusereignisses (temporal shift) abhängig von Dauer und Signalform in Sprache: jede (betonte) Silbe erzeugt ein Rhythmusereignis lautheitsbasiertes Rhythmusmodell nach Zwicker Abweichung der Dauerwahrnehmung vom Signal nur bei < 100ms sehr kurze werden länger wahrgenommen

1. Teil: Je steiler der Anstieg (Hüllkurve), desto früher der REZ Je flacher, desto später 2. Teil Abhängigkeit vom vorherigen Impuls (steil-flach) + (Dauer)

Lautheitsbasiertes Rhythmusmodell nach Zwicker Bedingungen für Rhythmusereignis: mind. 43% der Maximalamplitude mind. 120 ms Abstand zum vorherigen / nächsten RE mind. 12% Änderung ggü. Benachbartem Minimum Probleme: welches, wenn mehrere dicht folgen? Glättung der Lautheitskurve? Maximalamplitude von IP, Satz, Äußerung? bei leiser Sprache (z.B. Trauer) sind Frikative so laut wie Vokale  pro Silbe ein REZ stimmt dann nicht mehr

Beispiel

Psychoakustische Phänomene Zusammenfassung Psychoakustische Phänomene Zusammenhang Akustik – Wahrnehmung Wahrnehmung von Tonhöhe, Lautheit, Dauer Schärfe, Rauhigkeit, Schwankungsstärke  für Töne und Rauschen schon recht gut erforscht aber: nicht direkt auf Sprache übertragbar Tonhöhe, Lautheit schon gut erklärt besonders Rhythmus und Klangwahrnehmung sind noch wenig erforscht