Allgemeine Psychologie A (Subject) / Physikalische und physiologische Grundlagen des auditiven Systems (Lesson)

Physikalische und physiologische Grundlagen des auditiven Systems

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• Physikalische Grundlagen: Fortpflanzung einer Schalldruckwelle Objektschwingung → Luftdruckschwankung → Membranschwingung → Signalwandlung → Kortex Wird eine Stimmgabel angeschlagen so beginnt sie zu schwingen. Dabei dehnt sie sich aus und wieder zusammen, wodurch die Luftmoleküle gestaucht bzw. gezerrt werden und ein Über bzw. Unterdruck entsteht. Die Druckschwankungen erreichen zeitlich versetzt unser Ohr, es entsteht eine Wahrnehmung. Dabei bleiben die Luftmoleküle immer an Ort und Stelle, stoßen aber weitere Luftmoleküle an bis unser Trommelfell zum Schwingen gebracht wird. Schall legt in der Luft eine Strecke von 340 Meter/Sekunde zurück. Der zeitliche Versatz kommt dadurch zustande, dass Zeit benötigt wird um die Energie von Molekül zu Molekül weiter zu geben.
• Physikalische Grundlagen: Reine Töne Amplitude und Lautstärke: je größer die Amplitude (stärkere Luftdruckveränderung), desto lauter Frequenz und Tonhöhe: je höher die Frequenz (physikalisch) desto höher der Ton (perzeptuell)
• Physikalische Grundlagen: Schalldruckpegel Schalldruckpegel in dB: Blätterrauschen 20dB, normales Gespräch 60dB, Raketenstart in der Nähe 180 dB Berechnung des Schalldruckpegels:
• Physikalische Grundlagen: Beziehung zwischen Schalldruck und Lautheit Die Sone Skala ist eine Methode der direkten Größeneinschätzung 1 sone = 40dB (sound pressure level) und 1000Hz Sinuston eine erhöhung des Schalldruckpegels um 10dB führt fast zu einer Verdopplung der wahrgenommenen Lautstärke
• Physikalische Grundlagen: Musikalische Tonhöhe & Tonigkeit Musikalische Tonhöhe perzeptuelle Erfahrung, dass die Tonhöhe ansteigt wenn die Frequenz um einen konstanten Faktor erhöht wird. Beispiel Klavier: bei jedem Halbtonschritt erhöht sich die Frequenz um den Faktor 21/12. Tonigkeit (Chroma) gleiche Noten, also mit einem Abstand von einer Oktave und einer Verdopplung der Frequenz, klingen ttrotz unterschiedlicher Frequenzen ähnlich. Sie haben die gleiche Tonigkeit.
• Physikalische Grundlagen: Hörschwellenkurve Hörschwelle: Lautstärke, an der man gerade beginnt einen Ton wahrzunehmen Hörfläche: wahrnehmbarer Bereich aller Töne Das auditive System reagiert über seine Hörfläche hinweg unterschiedlich sensitiv auf bestimmte Frequenzen. So kann ein Ton mit niedrige Frequenz nicht hörbar sein, während ein Ton der gleichen Lautstärke mit höherer Frequenz wahrnehmbar ist. Dies gilt nicht nur im Bereich der Hörschwelle. Wird in einem Gespräch die Tonhöhe variiert erscheinen manche Frequenzen als lauter oder leiser, während das Schalldruckmessgerät einen konstanten Wert messen würde. Solche Kurven gleicher Lautheit nennt man Isophone. Frequenzen zwischen 1000Hz - 7000Hz werden als am lautesten empfunden. Das bedeutet, dass hier die Hörschwelle und die Fühlschwelle am niedrigsten ist.
• Physikalische Grundlagen: Definitionen Phase: Zeitliche Verschiebung zweier Sinusschwingungen Phasenspektrum: Haben zwei Klänge das gleiche Amplitudensprektrum aber unterschiedliche Phasenspektren  nimmt das menschl. Gehirn dennoch den gleichen Klang war. Reiner Ton: Schallereignis, dass nur eine Frequenz des Hörbereichs enthält. Reine Töne gibt es im alltäglichen Leben praktisch nicht. Oberton: Ton dessen Frequenz ein ganzzahliges Vielfaches eines Grundtons ist. Klang: Superposition (= Überlagerung) endlich vieler Töne und deren Obertöne Geräusch: Superposition von unendlich vielen Sinusschwingungen. Frequenz: Anzahl der Schwingungen pro Sekunde, Angabe in Hz. Im Prinzip gibt dies die Tonhöhe an. Phon-Skala: Ein reiner Ton beliebiger Frequenz hat x Phon, wenn er genauso laut klingt wie ein 1000 Hz Ton mit x dB Schalldruckpegel. Der Hörbereich des Menschen liegt ca. zwischen 20 Hz - 20000 Hz; der von Fledermäusen geht bis ca. 100.000 Hz (Ultraschall)
• Additive Klangerzeugung/ Fouriersynthese Ein Klang besteht aus einer Überlagerung einer Grundfrequenz und mehreren Frequenzen die ein ganzzahliges Vielfaches der Grundfrequenz bilden (Obertöne). Grundfrequenz = Grundton = 1.Harmonische Obertöne = Partialtöne = Teiltöne = x.Harmonische Das Fourierspektrum stellt dei Anzahl und Frequenz der Harmonischen sowie deren Amplitude dar. Die wahrgenommene Tonhöhe des Klanges wird durch die Grundfrequenz bestimmt. Ein- und Auschwingzeit: Wird nur der Mittelwert einen Klanges (sustain) gespielt oder der Klang rückwärts gespielt, so fällt die Identifizierung des Musikinstrumentes sehr schwer. Beispiel: wir nehmen bei Klängen von unterschiedlichen Musikinstrumenten die gleiche Tonhöhe wahr aufgrund der identischen Grundfrequenz; dennoch klingen die Klqnge sehr unterschiedlich. Das liegt vorallem an der unterschiedlichen Anzahl, Verteilung und der relativen Amplitude der Obertöne. Die Klangfarbe wird auch noch von weiteren Faktoren beeinflusst, z.B. der Ein- und Ausschwingzeit.
• Physiologische Grundlagen des auditiven Systems: Das äußere Ohr Ohrmuschel (Pinna): wichtig bei vertikaler Schalllokalisation Äußerer Gehörgang: ca. 3cm lang. Er erzeugt Resonanz und verstärkt somit Frequenzen im Bereich von 2 - 5 KHz Funktionen: Schutz und Temperierung von Trommelfell und Mittelohr durch Gehörgang und Ohrenschmalz
• Physiologische Grundlagen: Das Mittelohr Schwingungen des Trommelfells werden über die drei Gehörknöchelchen auf eine Membran am ovalen Fenster übertragen, die diese dann in die Cholea (Schnecke) weiterleitet. am ovalen Fenster erfolgt eine Übertragung von Druckschwankungen vom Medium Luft in eine wässriges Medium (mit viel höherer Dichte). Ohne die Gehörknöchelchen würde nur ca. 3% der Druckschwankungen übertragen werden Funktionen der Gehörknöchelchen Die Gehörknöchelchen konzentrieren Schwingungen des Trommelfells auf die Steigbügelfußplatte (Druckverstärkung 1:17) Zusätzliche Hebelwirkung der Gehörknöchelchen (Druckverstärkung 1:1,3) bei Patienten mit geschädigten Gehörknöchelchen muss der Schalldruck um den Faktor 10 bis 50 erhöht werden, um das Hörvermögen eines Gesunden zu erreichen.
• Physiologische Grundlagen: Das Innenohr Cochlea (Hörschnecke): zylinderförmige, gewundene, knöcherne Struktur, Durchmesser ca. 2mm, Länge ca. 35 mm Die Cochlea ist durch eine Trennwand in zwei Abteilungen (Skalen) getrennt: die Scala vestibuli und die Scala tympani. in der cochlearen Trennwand sitzt das Corti'sche Organ welches die Druckschwankungen weiterverarbeitet. Querschnitt durch das Corti'sche Organ: Das Corti'sche Organ sitzt auf der Basilarmembran auf. Es beinhaltet zwei unterschiedliche Rezeptortypen mit Stereozilien: die inneren Haarzellen und die äußeren Haarzellen (an der Tektorialmembran verankert). Die Tektorialmembran erstreckt sich über die die Haarzellen.
• Physiologische Grundlagen: Auslenkung der Stereozilien Durch die Steigbügelbewegung auf das ovale Fenster kommt es zu einer Druckveränderung in der cochlearen Flüssigkeit. Dadurch wiederum wird die cochleare Trennwand bzw. die Basiliarmembran in eine auf- und abbewegen versetzt. Es kommt zu einer Relativbewegung des corti'schen Organs und zu eine Vor- und Zurückbewegung der Tektorialmembran Durch die Auslenkung der Stereozilien der inneren Haarzellen kommt es zu einer Bewegung gegen die umgebende Flüssigkeit und zur Berührung der Tektorialmembram
• Physiologische Grundlagen: Haarzellen und Transduktion Das Auslenken der Stereozilien erzeugen Potentialveränderungen in den Haarzellen und somit eine Signalweiterleitung in den Hörnerv (dies trifft auf die innere Haarzellen zu, die Funktion der äußeren Haarzellen folgt noch). Pro Basilarmembran ca. 3500 innere und 12.000 äußere Haarzellen (?) 90% aller afferenten Fasern des Hörnervs erhalten Input von den inneren Haarzellen. Jedde innere Haarzelle projeziert auf ca. 10 - 30  Neurone des Hörnervs, es findet also eine starke Divergenz statt. Eine Auslenkung von ca. 100 Picometer ist ausreichend um ein Signal zu erzeugen
• Physiologische Grundlagen: Auslenkung der Basilarmembran Die Bewegung der Basilarmembran kann man sich als eine Wanderwelle vorstellen. Der Ort der höchsten Auslenkung ist abhängig von der Frequenz des Klanges. Bei einer hohen Frequenz liegt er nahe der Basis, bei tiefen Frequenzen in Richtung des Apex)

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