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Psychophysik (Fach) / Rasch (Lektion)

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• 3-D kino Technische Reproduktion von räumlicher Tiefe – dasstereoskopische Prinzip kommt ebenfalls im 3D­Kino zum Einsatz. in den 1950ern: Trennung der Bilder mittels Farbfilter Ab den 1980ern Trennung der Bilder durch Polarisationsfilter
• Autostereogramme Auch Autostereogramme (die optische Illusion der „Magic­Eye­Bilder“) beruhen auf der Querdisparation.Ein Bild wird horizontal mehrfach nebeneinander überlagert.Dabei ist jede Periode leicht verändert (geometrisch berechnet).Zwei nebeneinander liegende Perioden stellen die beidenRetinabilder dar, die beim echten 3D­Gucken entstehen würden.Der Betrachter muss üben,∙ die Akkomodation (Scharfstellen auf den Abstand zum Bild)∙ von der Konvergenz („Schielen“ der Augen) zu entkoppeln.Schafft er es, zwei benachbarte Perioden des Bildes getrennt auf diebeiden Retinae zu projizieren, dann sieht er dank Querdisparationeinen eindringlichen 3D­Effekt. Im Internet können Sie Algorithmen herunterladen, mit denen Sie ein beliebiges Bild periodischnebeneinander setzen können, wobei benachbarte Perioden einen horizontalen Versatz der Objekteenthalten. Dieser Versatz simuliert eine Querdisparation.Entscheidend für den Effekt ist, dass das linke und rechte Auge auf zwei benachbarte Perioden schauen. Dasmuss der Betrachter üben.
• Sehsinn – Zeitliche Auflösung Zwei aufeinander folgende Lichtreize sind unterscheidbar, wenn sie∙ bei Nacht ca. 100ms (10Hz)∙ bei Tag ca. 20ms (50Hz)Abstand haben.Der Hz­Grenzwert, ab dem die Reize als kontinuierliches Lichtwahrgenommen werden, heißt Flimmerverschmelzungsfrequenz.vgl. Film/Video:fps = frames per second = Anzahl der Bildwechsel pro SekundeAb 25 fps ergibt sich ­ zusammen mit dem Phi­Phänomen ­ der Eindruckfließender Bewegung.
• 3 Zustände der Okulomotorik ∙ Fixation∙ Sakkade∙ kontinuierliche Folgebewegung (erfordert bewegtes Objekt)
• Sakkade Die Sakkade erfolgt ballistisch: einmal in Gang gesetzt, kann ihrZielpunkt nicht mehr korrigiert werden. Die Augen bewegen sich (fast) nie kontinuierlich. Fixationen(Ruhe) und Sakkaden (Bewegung) wechseln sich ab
• Fixation Eine Fixation dauert 80­800ms (beim Lesen typisch 150­250ms).Nur während der Fixation wird eine visuelle Informationaufgenommen ­ die Sakkade ist eine „blinde“ Zeit, die bereits ca.10ms vor Ende der Fixation beginnt.
• parafoveale Wahrnehmung Die parafoveale Wahrnehmung erfasst beim Lesen ca. 14Buchstaben. Dadurch wird „vorausgelesen“, sodass die nächsteEinsprungstelle bestimmt werden kann. Schwierige Wörte werden länger oder wiederholt fixiert(Regression).Sehr kurze und bekannte Wörter (z.B. Artikel) werden gar nichtfixiert. In längere Wörter fallen mehrere Fixationen.Die Schriftgröße ist übrigens weitgehend unerheblich:
• Was ist Schall? Schall = schnelle Druckschwankungen,welche sich∙ wellenförmig longitudinal in einem Medium ausbreiten,∙ in der Luft mit ca. 340 m/s.
• Schallquellen Schallquellen versetzen die Luft in Schwingungen.Dabei geben sie aktiv Energie ab.Das Gehör verwertet die auftreffende Energie äußerst sensibel.Eine Schallwelle ändert den Luftdruck periodisch,allerdings sehr geringfügig:∙ Der mittlere atmosphärische Luftdruck beträgt~ 101 300 N/m2 (1013 hPa, Hektopascal).∙ Das Ohr nimmt bereits eine Schwankung um 2∙10 ­5 N/m2 wahr(Absolutschwelle bei 1000Hz),also 1/5.000.000.000 des atm. Luftdrucks.∙ Normal lautes Sprechen ändert den Druck um 0.05 N/m2,dies entspricht auch nur 1/2.000.000 des atm. Luftdrucks.
• Diagramm- Hörfläche Wahrnehmbare Schalldrücke variieren um den Faktor 107 Schmerzgrenze vs. Hörschwelle Auflösungvermögenfür Tonhöhen:In der Oktavezwischen 1 und 2 kHzvermag das Ohr ca.350 Tonhöhen zudifferenzieren.Die Gesamtzahl derunterscheidbaren Tönebeträgt ca. 1300­1500.Die feinste Frequenz­Differenzierung unddie sensibelsteEmpfindlichkeit fürLautheit fallen in denFrequenzbereich derSprache.
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• Dezibel Der Schalldruckpegel wird angegeben in dB (Dezibel).Schalldruckpegel L[dB] = 20 • log ( p 1 /p 0 )mit p 0 = Referenzschalldruck ~ 0,00002 Pa (2 • 10 ­5 Pa) ~ Hörschwelleund p 1 = aktueller SchalldruckLogarithmische Skala!Eine subjektiv empfundene Verdoppelung der Lautstärkedrückt sich einer Zunahme um 10dB aus
• Schall-Schwingungen Die SchwingungSchallwellen bestehen immer aus überlagerten sinusförmigenSchwingungen.Die Winkelfunktion Sinus leitet sich direkt aus einer gleichförmigen Rotation ab.Unzählige natürliche Phänomene erfolgen sinusförmig.eine Periode, sich ständig wiederholend Schwingung (hier reiner Sinuston, Stimmgabel) ⇨ SchallwelleFortbewegung der Welle mit c s (Schallgeschwindigkeit)
• Partialtöne GrundschwingungDie Saite teilt sich zusätzlich ingleich große Abschnitte.Zwischen den Abschnitten liegtjeweils ein Knoten.Die Schwingungen derTeilstücke überlagern dieGrundschwingung.Frequenz der Schwingungen istjeweils ein ganzzahligesVielfaches der Grundfrequenz. Die Schallabstrahlung eines Saiteninstruments ist arg komplex. Was letztlich den Klang ausmacht, sind dieAnteile der Teilschwingungen. Weil sie die Bestandteile des Gesamtklanges des Saite bilden, nennt man siePartialtöne. Zur Terminologie: Die Partialtöne heißen auch Obertöne (weil sie immer oberhalb der Grundfrequenz liegen)oder Harmonische (weil sie ganzzahlige, „harmonische“ Vielfache der Grundfrequenz sind).
• Addition von Partialtönen Beispiel: Eine Klangquelle mit derGrundfrequenz f erzeugt noch diePartialtöne f∙2 und f∙5.Die Partialtöne haben naturgemäßeher geringere Amplituden (a).Im Punkt ist eine Periode derGrundfrequenz durchlaufen; diePartialtöne hatten indessen mehrerevollständige Perioden.Als Schallwelle wird die Summe allerTeilschwingungen abgestrahlt.Man erkennt noch die f­Periode,jedoch ist die Wellenform durch diePartialtöne charakteristisch verformt.Diese Kurve stellt den Druckverlaufdar, der auf das Ohr trifft!
• Spektogramm Die Anteile der Partialtöne, die in einerWellenform stecken, werden imSpektrogramm veranschaulicht. Die Balken zeigen die Amplitude apro Partialton an
• Fourieranalyse Klänge bestehen aus der Überlagerung desGrundtons durch harmonische Obertöne (Partialtöne). Jede periodische Welle lässt sich mittels Fourieranalyse in diePartialtöne zerlegen  Partialtonspektrum.
• Amplitude maximale Druckdifferenz Schalldruck am Ohr
• Partialtonspektren Jedes Instrument erkennen wir an den charakteristischen Partialtönen, sozusagendem akustischen Fingerabdruck des Instruments.
• elektronische Klänge Schwingungen wie Sägezahn,Dreieck oder Rechteck kommenin der Natur praktisch nichtvor.„Typische Synthesizer­Sounds“Dennoch bestehen auch solcheSchwingungsformen aus demGemisch harmonischerPartialtöne.
• Sägezahn-Welle Summe aller Partialtöne
• Ortstheorie (Frequenz­Orts­Transformation) Die Druckschwankungenam ovalen Fenstererzeugen eineWanderwelle in derBasilarmembran.Es gibt je eine Stelle aufder Membran, die beieiner bestimmtenFrequenz maximalausschlägt. Das Frequenzgemisch wird in ein räumlich verteiltes Erregungsmuster übersetzt.Das neuronale Signal bildet somit die Amplituden der Grund­ undPartialfrequenzen ab – nicht den Druckverlauf der Schallwelle. Anregung bestimmterZellen auf derBasilarmembran je nachFrequenz.Beigemischte Partialtönebilden somit ein Musterauf der Membran.Merke: LogarithmischerZusammenhangzwischen Ort undFrequenz.
• Dimensionen des Schallereignisses Die Amplitude der Schwingung bestimmt die Lautstärke.∙ Die Frequenz der Schwingung bestimmt die Tonhöhe.∙ Die Partialtöne der Schwingung bestimmen die Klangfarbe.Für den Höreindruck ist ferner die Hüllkurve wichtig:Veränderung der Amplitude über die Zeit (Anschlag, Ausklingen,Schwebung etc.)
• Hüllkurve Die Hüllkurve beschreibt die zeitliche Veränderung der Amplitude.∙ Mitunter hat jeder Partialton eine eigene Hüllkurve!
• Ton Reine Sinusschwingung.Kaum eine natürlicheSchallquellen gibt sowasab. Sie bildet aber denelementaren Bestandteilaller Wellenformen.Z.B. Stimmgabel.
• Klang Additive Überlagerung vonGrundton und harmonischenPartialtönen.Wellenform ist periodisch.Partialtonspektrum bestimmtdie Klangfarbe.Z.B. Musikinstrumente,Vokale. Arten des Schallereignisses – KlangWellengemisch aus Grundton und Partialtönen.∙ Die Welle wiederholt sich periodisch(eine Periode = Grundfrequenz), wenn alle Partialtöneganzzahlige Vielfache der Grundfrequenz sind.∙ Bei nichtharmonischen Partialtönen geht die Periodizität verloren.➔ Übergang ins Geräuschhafte.Überlagerte Töne aus ganzzahlig­vielfachen Frequenzen werden alsKlänge gehört – nicht als „tonhafte“ Einzelschallquellen.
• Geräusch NichtperiodischeWellenform, besteht ausnicht­ganzzahligenFrequenz­Vielfachen.Z.B. jeglicher Krach,und in der Sprache dieKonsonanten. Geräusche sind nicht­periodische Schallwellen.∙ Sogar manche Musikinstrumente schwingen „unharmonisch“, dass heißt sieerzeugen nicht­ganzzahlige Vielfache der Grundfrequenz.Diese treten z.B. bei Glocken, Gongs, Pauken etc. auf.∙ Der Druckverlauf schwingt dann nicht mehr periodisch, und die Grundfrequenzwird schwerer erkennbar.∙ Der Übergang zum „Geräusch“ ist fließend.
• Shepard Ton endlos fallend Arten des Schallereignisses – KlangStruktur des Shepard­Tons. Die einzelnen Töne werden als „Klang“ einereinzigen Quelle gehört. Die Tonhöhe dieser Quelle wirkt fallend.Das Ein­ und Ausblenden der Einzeltöne wird nicht wahrgenommen.
• weißes Rauschen Gehör Das geräuschhafteste Geräusch ist das weiße Rauschen.Es enthält alle Frequenzen in zufälliger variierender Amplitude.
• Formanten Bei der Sprachwahrnehmungsind die Formantenausschlaggebend für dieUnterscheidung der Vokale.(Formanten sindcharakteristischePartialtonbereiche)
• Vokal Dreieck Die Formanten lassen sich übersichtlich in einem Diagramm anordnen, dem Vokaldreieck. Jeder Vokal bekommt hier seinen Platz. Am Beispiel u: erster Formant bei 320Hz, zweiter Formant bei700Hz. Je näher zwei Vokale beieinander liegen, desto ähnlicher sind sie.
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• akustische Lokalisation ∙ Den Raum beschreibt man mithilfe der genannten Ebenen.∙ Lokalisation beinhaltetBestimmen der Richtung (Vektor) undBestimmen der Entfernung zur Schallquelle.
• Ebenen des Raums Medianebene/Vertikalebene Horizontalebene Frontalebene
• Ortung des Schalls Für die Ortung der Schallquellevergleicht das Gehör die Signale deslinken und rechten Ohres.Diese unterscheiden sich so: ∙ Seitliche Platzierung der Ohren bewirkt Lautheitsunterschiede.(IAD interaural amplitude difference)∙ Abstand der Ohren bewirkt Laufzeitdifferenz.(ITD interaural time difference)∙ Abschattung durch Kopf sowie Form der Ohrmuscheln bewirktrichtungsabhängige Dämpfung/Anhebung bestimmterFrequenzbereich
• Phasenverschiebung bei mittelhohen Sinuswellen von ganz links Aus dem zeitlichen Abstand der peaks lässt sich der Winkel zur Schallquellebestimmen (hier maximal, also 90°, Schallweg = 21 cm, Δt = 610μs).Die Zuordnung der peaks gelingt dank großen Δp.
• akustische Lokalisation der Medianebene orn­Hinten­Oben­Lokalisation (Medianebene)... geht nicht anhand von Laufzeit­ oder Lautheitsdifferenz.Hier hilft: Die Abschattung durch den Kopf und die Resonanz imAußenohr bewirkt typische Änderungen des Frequenzspektrums.Diese werden uns nicht bewusst!
• Blauertsche Bänder angehobene Frequenzbereiche für V,H,O Häufigkeit der V­H­O­Lokalisation beiAnhebung bestimmterFrequenzenAchtung: Die Bändersind individuell soverschieden wie Kopf­und Ohrform.➔ indiv. Lernprozess➔ das Spektrum derSchallquelle mussbekannt sein
• Vorn­Hinten­Oben­Lokalisation (Medianebene) Häufigkeit der V­H­O­Lokalisation beiAnhebung bestimmterFrequenzenAchtung: Die Bändersind individuell soverschieden wie Kopf­und Ohrform.➔ indiv. Lernprozess➔ das Spektrum derSchallquelle mussbekannt sei
• Hall in geschlossenen Räumen Probleme in geschlossenen Räumen: Reflektionen und HallS = SchallquelleL = HörerDirektschall (zuerst da)Reflektionen:ZeitverzögertesEintreffen der selbenWelle ausverschiedenstenRichtungen (2,3,4,5)!
• Hallradius: Imaginärer Kreis um denHörer herum.Stünde die Schallquelleinnerhalb des Hallradius,dann wäre dasDirektsignal stärker als dieSumme der Reflektionen.Immer raumabhängig!(Größe, Form, Material) Analogie zum Horopter
• Gesetz der ersten Wellenfront (precedence effect) Für die Richtungs­Lokalisation wertet das Gehör nur das Direktsignal aus.Reflektionen werden als solche erkannt und ignoriert
• Entfernung zur Schallquelle Sofern Reflektionen vorhanden sind (im Raum, aber z.B. auch imWald), zieht das Gehör diese heran, bestimmt das Verhältniszwischen Direktschall und Reflektionen und schätzt auf dieserGrundlage den Abstand zur Schallquelle.∙ Im freien Feld (ohne Reflektionen) wertet das Gehör dieDämpfung hoher Frequenzen aus. Luft absorbiert hoheFrequenzen stärker als tiefe. Das Frequenzspektrum einerSchallquelle weicht also bei zunehmendem Abstand von demSpektrum ab, das wir kennen/erwarten.→ Lokalisation der Entfernung ist recht ungenau und wird implizitgelernt.
• Technische Reproduktion von Schall ­ Analoge Verfahren Phonograph, 1888Plattenspieler mit Tonabnehmer, ab 1926Magnetaufzeichnung,ab 1935 Umwandlung derSchalldruck­schwingungen inelektrischeSpannungs­schwankungen.
• Technische Reproduktion von Schall ­ Digitale Verfahren Abtastung (sampling)eines analogen Signals,d.h. Spannungsschwankungen(analog­digital­converterPCM = pulse code modulation)
• Stereophonie Akustische Lokalisation erfordert getrennte Signale für rechtes undlinkes Ohr (Intensität/Laufzeit/Frequenzgang).„Realistisches“ Raumhören nur durch Kunstkopf­Aufnahmeund Wiedergabe per Kopfhörer möglichNachbildung von Kopfform und Ohrmuscheln.Platzierung der Mikrofone im Gehörgang. ∙ Übliche Stereotechniken verwenden Lautstärkeunterschiedeund/oder Laufzeitdifferenzen.∙ Der „Stereoeffekt“ entsteht durch geschicktes Mischen(und ggf. Verzögern) zahlreicher Mikrofonspuren im Studio.∙ Aber Achtung: Bei Wiedergabe über Lautsprecherpaarefunktioniert die Lokalisation nur eingeschränkt.
• Tastsinn = Alle Empfindungen, die an der Hautoberfläche durch Druck,Bewegungen oder Vibration entstehen.Zu unterscheiden sind∙ taktile Wahrnehmung (passiv)∙ haptische Wahrnehmung (aktives Ergreifen) Für eine haptische Empfindung muss die eigene Bewegung (propriozeptiv)integriert werden.Rezipierte „Energie“: mechanische KraftMaßeinheit Newton (N): 1 N entspricht der Kraft, die es vermag, eine ruhendeMasse von 1kg binnen 1s auf die Geschwindigkeit von 1m/s zu beschleunigen.100gFaustformel: Wenn Sie ein Gewicht von 100g auf der Hand halten,dann übt dieses die Kraft von ~1N auf Ihre Handfläche aus.(Dies liegt an der Schwerkraft. Sie beschleunigt fallende Massenmit ~9.81m/s2.)
• Vier Typen von Mechanosensoren für ... Dauerdeformation (Eindrucktiefe)∙ Geschwindigkeit der Deformation∙ Beschleunigung der Deformation∙ Berührung(„Verbiegen“ der Haarwurzeln)
• Taktile Empfindlichkeit Absolutschwellen (Bsp.):∙ Statischer Druck wird ab ~3 Pa registriert.∙ Vibration von 100­300Hz wird bei einer Δ Eindrucktiefe von 1­2μm registriert.Die räumliche Diskrimination ist in den Körperregionenunterschiedlich ausgeprägt:∙ Die Zweipunktschwelle gibt an, wie weit zwei Stimuli voneinander entfernt seinmüssen, um als Einzelstimuli erkannt zu werden.Die beste Differenzierung gelingt amMund, den Fingerspitzen,im Gesicht, an den Genitalien, denFußsohlen; weniger gut an denBeinen oder auf dem Rücken.Werden die Stimuli nacheinandergegeben, verringert sich dieSchwelle übrigens deutlich, auf biszu 25% der Simultanschwelle.
• Temperatursinn Temperatur ist – physikalisch gesehen – der Wärmeinhalt einesSystems. Maßeinheit: °K (Kelvin) oder °C (Celsius).0°K = ­273.15°C (absoluter Nullpunkt)Temperatur entsteht durch ungeordnete Bewegung von Teilchen(v.a. Brownsche Molekularbewegung). Die Temperatur gibt mithindie mittlere kinetische Energie eines Teilchens an.Wärme ist jene Energie, die zwischen zwei Systemen transportiertwird, wenn diese unterschiedliche Temperatur haben.-> Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik (Entropie):Wärme wandert immer vom wärmeren zum kühleren System.
• Wärmeübertragung Wärmeleitung:direkter Kontakt Konvektion:Übertragungmittels Medium Wärmestrahlung:InfraroteelektromagnetischeWellen
• Warm und Kaltsinn Physiologisch gesehen haben wir einen Kalt­ und einen Warmsinn.∙ Die Rezeptordichte ist sehr gering: in der Handfläche z.B. nur1­3 Kaltpunkte pro cm2 und noch weniger Warmpunkte.∙ Die größte Dichte befindet sich in der Mundregion.

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