Schnecke
Hörnerv
Eustachisches Rohr (Druckausgleich)
2 Medientechnik WS 2012-13 © Manfred Jackel Universität Koblenz-Landau
Einfangen des Schalles (Trichter) Formgebung unterstützt Richtungshören durch Resonanzbildung
Ohrmuschel Auricula auris
Knorpel: Cartilago auriculae
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/de/b/bc/Ohr2.jpg
Äußerer Gehörgang
http://flexicon.doccheck.com/upload/8/8d/Auricula_Explorer_002.swf
3 Medientechnik WS 2012-13 © Manfred Jackel Universität Koblenz-Landau
Crus Schenkel Concha Muschel Fossa Graben Helix gr Kurve, Windung Tragos gr. Ziege
Das Mittelohr besteht aus dem Trommelfell der luftgefüllten Paukenhöhle, den Gehörknöchelchen, Hammer, Amboss und
Steigbügel) Mittelohrmuskeln (Trommelfellspanner,
Steigbügelmuskel
4 Medientechnik WS 2012-13 © Manfred Jackel Universität Koblenz-Landau
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Schwingungsübertragung vom Außen- zum Innenohr
Impedanzanpassung zwischen Mittel- und 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.
Labyrinth im Felsenbein bestehend aus Schnecke (Cochlea) und Bogenäangen
(Gleichgewichtsorgan)
Scala vestibuli / Vorhofgang
Scala media
Scala tympani / Paukengang 6
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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.
7 Medientechnik WS 2012-13 © 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 am ovalen Fenster
Scala media
8
Medientechnik WS 2012-13 © 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
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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
10 Medientechnik WS 2012-13 © Manfred Jackel Universität Koblenz-Landau
Unterhalb 800 Hz kann das Ohr Phasendifferenzen zur Lokalisation nutzen Wellenlänge > 2*Ohrabstand
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http://www.sinnesphysiologie.de/hvsinne/hoeren/oliv.htm
12 Medientechnik WS 2012-13 © Manfred Jackel Universität Koblenz-Landau
Hörfähigkeit: Mensch: 16 Hz-20.000 Hz größte Empfindlichkeit 1.000-3.000 (5.000) Hz
20Hz-16.000 Hz
C A 1000Hz 5000Hz
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Fortschreitende ebene Schallwelle
p Druck
v Schnelle
constvp=
Hermann von Helmholtz 1821-1894
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Schallgeschwindigkeit 325 m/s (-10° C) 350 m/s (30° C) abhängig von Temperatur, CO2 (Blasinstrumente)
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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
16
0,00001
0,0001
0,001
0,01
0,1
1
10
100
Hörb
arke
its-
schw
elle
Unte
rhalt
ung
Sehr
laut
Schm
erz-
Gren
zeSchalldruck
Logarithmische Skalierung
Verzehnfachung
Medientechnik WS 2012-13 © Manfred Jackel Universität Koblenz-Landau 17
020406080
100120
Hörb
arke
its-
schw
elle
Unte
rhalt
ung
Sehr
laut
Schm
erz-
Gren
ze
Schalldruck
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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)
18
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Rechenregeln:
log(xy)=log(x)+log(y) log(x/y) = log(x)-log(y) log(xy) = y log(x) log(1)=0 Log(1/x)=-log(x)
19
Alexander Graham Bell 1847-1922 Taubstummenlehrer Erfinder Telefon, Audiometer Grammophon, Flugzeuge, Boote
Telefon 1875
2
20 0
10lg 20lgpp pL dB dBp p
= = Pa 10*2 50
−=p
0 0 dB pp p L= ⇒ =Hörschwelle
Medientechnik WS 2012-13 © Manfred Jackel Universität Koblenz-Landau 20
deziBel: dimensionslose Größe (Größenvergleich)
Pa 10*2 50
−=p
( )520 lg
2*1020 l
0
g 0,5 474
,1
dB
pL −=
= +
≈
( )520 lg
2*1020 lg 0,5 7134
100
dB
pL −=
= +
≈
Normallaut Schmerzgrenze
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( )lg 2 0,30102
1lg 0,301022
=
= −
dBppLp
0
lg20=
Pa 10*2 50
−=pVerdoppelung des Schalldrucks bedeutet Anhebung des Schalldruckpegels um 6dB
100 dB Schalldruck
? 5
5
5 5
100 20lg2*10
5 lg *102
10 *1022 Pa
−=
=
=
=
p
p
p
p
20
0
220lg
20lg 20lg 2
6
p
p
pLp
pp
L dB
=
= +
= +
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22
phon Maß der subjektiven Lautstärke bei 1000 Hz identisch mit Schalldruckpegel
Beispiel: Schalldruckpegel von 60 dB bei 3000 Hz wird 70 phon laut empfunden
Normalhörender 20-jähriger
60-Jährige: Hörvermögen über 10 kHz um 25 dB vermindert. Hörschwelle nahe an Lästigkeitsgrenze!
Handbuch der Tonstudiotechnik Akustik & musik. Aufführungspraxis
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Normalhörender 20-jähriger
Sone-Verdoppelung alle 10 Phon
Nichtlinear unterhalb 1 Sone
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Definition: Lautstärke von 40 Phon = 1 Sone Doppelt so laut: 2 Sone Halb so laut: ½ Sone. Subjektive Wahrnehmung.
Geschwindigkeit der schwingenden Luftteilchen
Schallgeschwindigkeit Ausbreitungs- geschwindigkeit der Schallwelle
Faustregel:
400kwertSchalldruc
km/h 0,9 m/s 25,0~max ==v
m/s 10*5,2~ 4−=normalv
m/s 10*5~ 8min
−=v
Schmerzgrenze
Normallautstärke
Hörschwelle
Nahbesprechungseffekt In der Nähe der Schallquelle haben Schnelle und Schalldruck unterschiedliche Phase
Frequenzen 16,5 Hz C2 Orgel 33 Hz C1 Kontrabaß 66 Hz C Violoncello 131 Hz c Bratsche 262 Hz c‘ Geige 524 Hz c‘‘ Tenor max 1047 Hz c‘‘‘ Sopran max 2093 Hz c4 Geige max 4185 Hz c5 Piccolo-Flöte
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( ) ( )sin sin 2f x x x π= = +
Periodische Funktion
( ) ( )2sin 2
x ftf t ft
ππ
=
= hat Periode 1/f, denn 21sin 2 sin 2f t ft
ffπ
π π
+ = + f
50 Hz Sinus ( ) ( )sin 2 *50*f t tπ=
0 π2Substitution
x
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Klangfarbe (Timbre) Wird durch das Spektrum, Einschwingverhalten, Formanten, Spieltechnik, bestimmt
Formanten: Maxima im Spektrum eines Klanges = klangformende Frequenzen F1, F2, F3, …
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Violinklang: a mit Vibrato Pizzicato (Ton h)
( ) ( ) ( ) ( )( )1 * sin 2 sin 2 *2 sin 2 *4 sin 2 *64 ft ft ft ftπ π π π+ + +
Wie klingt:
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männlich weiblich
Vokal-Formant-Zentren deutscher Vokal
IPA 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
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Video Der Klang der menschlichen Stimme Stephan Mueller
i
u
a
Vokaldreieck Zungenlage
Medientechnik WS 2012-13 © Manfred Jackel Universität Koblenz-Landau 30
Video Overtone Analyzer
Vorlesung „Medientechnik WS2012/13 Dr. Manfred Jackel Studiengang Computervisualistik Universität Koblenz-Landau Campus Koblenz Postfach 201602 56016 Koblenz
© Manfred Jackel E-Mail: [email protected] WWW: www.uni-koblenz.de/~jkl mtech.uni-koblenz.de
Literatur zu diesem Kapitel Stephan Frings: Zyklusvorlesung "Sinnesphysiologie - vom Ionenkanal zum Verhalten„,Universität Heidelberg http://www.sinnesphysiologie.de/hvsinne/hvsensin.htm
Hyperlinks zu diesem Kapitel http://www.dasp.uni-wuppertal.de/ars_auditus/index.html OHCs Ashmore Lab ABC der Hals-Nasen-Ohrenheilkunde im Gehörratgeber
http://www.sinnesphysiologie.de/hvsinne/hvsensin.htm
Grafik-Quellen www.wikipedia.de http://www.dasp.uni-wuppertal.de/ars_auditus/Brockhaus
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