U7: Audiosignale

DefinitionAudiosignal (auch Tonsignal) ist ein elektrisches Signal, dass akustische Informationen transportiert. Verarbeitung von Audiosignalen und die Umwandlung von Schall und Audiosignalen (Mikrofonsignal) sind Ge-genstand der Tontechnik und der Signalverarbeitung.

PegelUnter Pegel versteht man die Stärke eines Audiosignals. Diese Stärke wird in Dezibel (Db) angegeben.

FrequenzUnter Frequenz versteht man die Anzahl der Schwin-gungen pro Zeiteinheit. Diese Anzahl wird in Hertz (Hz) angegeben. 1 Hz = 1 Schwingung pro Sekunde.

TonEin Ton ist eine sinusförmige Schwinung mit einer einzigen Frequenz.

KlangEin Klang setzt sich aus Grund- und Obertönen zusam-men, die sich additiv überlagern.Bei harmonischen Klängen (Instrumente, Stimmen) besitzen die Frequenzen ein ganzzähliges Verhältnis.

GeräuschEin Geräusch ergibt sich aus einem Frequenzgemisch ohne ganzzahligen Zusammenhang.

Analoge AudiosignaleDer Signalpegel entspricht direkt der Amplitude der elektrischen Spannung, welcher wiederum proportional zum Schalldruck bzw. zur Schallschnelle ist.

Digitale AudiosignaleDer technische Signalpegel ist unabhängig von der Lautstärke und wird vom Datenübertragungsgerät bestimmt.

TonsignaltypenGemäß Psychoakustik sind Töne der Sprache und Musik in den meisten Fällen komplexe Töne, die als Summe mit einer endlichen Zahl von sinusförmigen Teiltönen beschrieben werden können. Man unterscheidet:

Harmonisch Komplexe Töne- Physikalische Unterscheidung kaum möglich- Sind Periodisch und Grundton entspricht der

hauptsächlich wahrgenommenen Tonhöhe.- Weiteres Kriterium kann durch additiven

Tonhöhenvergleich mit Sinustönen verifiziert werden.

Angenähert harmonisch komplexe Töne- Töne, deren höhere Frequenzanteile in einem nicht

genau ganzzahligen Bezug zur Grundfrequent stehen- Weisen einen nicht zu vernachlässigenden Anteil an

Inharmonizität auf.

11.1.2.3 Ton, Klang und Geräusch

Gemäß Abschnitt 11.1.2.1 handelt es sich bei Tönen um reine Sinus-schwingungen, die unnatürlich und ungewohnt klingen. Ein Klang ent-steht, indem einem Grundton mit einer Frequenz f weitere sinusförmige Schwingungen überlagert werden. Sind die Frequenzen dieser Obertöne ganzzahlige Vielfache 2 x f, 3 x f, 4 x f, … der Frequenz des Grundtones, spricht man von einem harmonischen Klang. Die Amplituden der Obertöne nehmen hierbei mit zunehmender Frequenz immer weiter ab.

Musikinstrumente und auch mensch-liche Stimmen besitzen charakte-ristische Obertonreihen. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von der Klangfarbe des Instruments oder der Stimme. Der Screenshot zeigt das Frequenzspektrum eines Klaviers:

Unsere Ohren bzw. unser Gehirn kann unterschiedliche Klangfarben sehr gut unterscheiden. So genügt selbst die schlechte Klangqualität des Telefons, um die Stimme des Gesprächspartners zu identifizieren. Menschen mit extrem gutem Gehör können Obertöne bis zu 200 kHz in Klängen identifizieren.

Geräusche entstehen durch Überlagerung nichtperiodischer Druckschwankungen unterschied-licher Frequenzen. Es ergibt sich ein Frequenzgemisch ohne erkennbare

Ordnung. Beispiele hierfür sind plät-scherndes Wasser, Schritte, Blätter im Wind oder das Knallen einer Tür. Für die Audiotechnik wichtig ist ein als Weißes Rauschen bezeichnetes Geräusch, bei dem alle Frequenzen des Hörbereichs mit gleicher Amplitude vorkommen. Weißes Rauschen dient zur Untersu-chung des Übertragungsverhaltens von Audio komponenten wie Verstärker oder Mikrofone. Untersucht wird dabei der Frequenzgang der Audiokomponente. Durch die Analyse der Frequenzen am Ausgang der mit Weißem Rauschen beaufschlagten Audiokomponente kann festgestellt werden, welche Frequenzen gedämpft und welche verstärkt worden sind. Sehr gute – aber auch teure – Geräte weisen einen nahezu linearen Frequenzgang auf, bei dem alle Fre-quenzen gleichermaßen verstärkt oder gedämpft werden.

0,6

Sp

ann

un

g in

mV

Zeit t in ms

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,7 0,8 0,9

Grundton (f)

2. Oberton (3 f)1. Oberton (2 f)

3. Oberton (4 f)

Klang

1,0

Frequenz f in Hz

Sp

ann

un

g in

mV

10 100 1 k 10 k 100 k

Grundton (1000 Hz)1. Oberton (2000 Hz)

2. Oberton (3000 Hz)3. Oberton (4000 Hz)

Klangspektrum

Zeit- und Frequenz-verhalten eines (sehr einfachen) Klanges

Die rote Kurve ergibt sich durch Addition der vier Töne zu jedem Zeitpunkt.

Natürliche Klänge (Stimmen, Instru-mente) besitzen sehr komplexe Oberton-reihen, und verleihen dem Kng hierdurch seine charakteris ti-sche Klangfarbe (sie-he Screenshot links).

Audiotechnik

783

Frequenzspektrum eines Klanges

Gering Harmonisch komplexe TöneSind Tonsignale, deren Teil-Tonfrequenzen erheblich vom harmonischen Muster abweichen. Dazu gehören alle Klänge, welche durch Ausschlagen von Glocken, Stäben oder Röhren entstehen. (Glockenspiele, Xylophone, Pauken, Trommeln und Marimbaphone)

Das Menschliche Hören- Menschliches Ohr dient als Schallempfänger- Ankommende Schallwellen gelangen über äußeren

Gehörgang zum Tromelfell.- Trommelfell = dünne und sehr empfindliche

Membran, die durch Schalldruck in Schwingung versetzt wird.

- Diese Schwingun wird im Mittelohr über die drei Gehörknöchel Hammer, Amboss und Steigbügel an das Innenohr weitergeleitet.

- Da Trommelfell ca. 16 x größer als Steigbügel und die Gehörknöchel eine Hebelwirkung erzielen: Übertragung des Schalls vom Außen- zum Innenohr führt zur Verstärkung des Schalldrucks um etwa faktor 60.

Hörempfindungsorgan: SchneckeSitzt im Innenohr. Enthält härchenförmige Sinneszellen, die durch Schalldruck verbogen werden und diese Informationen über den Schneckennerv an das Gehirn weiterleiten. Das Gehirn ermittelt dann:

Lautstärke über die Anzahl an erregten SinneszellenJe mehr Sinneszellen bewegt werden, desto Lauter

Tonhöhe über den Ort der SinneszellenTief: äußere Schnecke Hoch: innere Schnecke

Schallrichtung aus der zeitlichen Verzögerung zwischen dem linken und rechten Ohr (räumliches Hörempfinden)

780

Wen

n S

ie e

inen

Ste

in in

ein

en S

ee

wer

fen

, dan

n w

erd

en W

asse

rmo

lekü

le

in S

chw

ing

un

g v

erse

tzt

un

d d

iese

S

chw

ing

un

g b

reit

et s

ich

wel

len

förm

ig

in a

lle R

ich

tun

gen

au

s.B

ei S

chal

l han

del

t es

sic

h u

m e

inen

ve

rgle

ich

bar

en V

org

ang

: Au

ch h

ier

wer

-d

en M

ater

iete

ilch

en, z

. B. L

uft

mo

lekü

le,

in S

chw

ing

un

g v

erse

tzt

un

d d

ie h

ier-

du

rch

en

tste

hen

de

Bew

egu

ng

bre

itet

si

ch in

Fo

rm v

on

Sch

allw

elle

n a

us.

D

as m

ensc

hlic

he

Oh

r d

ien

t u

ns

als

Sch

alle

mp

fän

ger

. Die

an

kom

men

den

S

chal

lwel

len

gel

ang

en ü

ber

den

äu

ßer

en G

ehö

rgan

g z

um

Tro

mm

elfe

ll.

Dab

ei h

and

elt

es s

ich

um

ein

e d

ün

ne

un

d s

ehr

emp

fin

dlic

he

Mem

bra

n, d

ie

du

rch

den

Sch

alld

ruck

in S

chw

ing

un

g

vers

etzt

wir

d. D

iese

Sch

win

gu

ng

wir

d

im M

ittel

oh

r ü

ber

die

dre

i Geh

örk

nö

-ch

el H

amm

er, A

mb

oss

un

d S

teig

bü

gel

an

das

Inn

eno

hr

wei

terg

elei

tet.

Da

das

Tr

om

mel

fell

etw

a 16

-mal

grö

ßer

ist

als

der

Ste

igb

üg

el u

nd

die

Geh

örk

nö

chel

zusä

tzlic

h e

ine

Heb

elw

irku

ng

erz

iele

n,

füh

rt d

ie Ü

ber

trag

un

g d

es S

chal

ls v

om

A

uß

en-

zum

Inn

eno

hr

insg

esam

t zu

r Ve

rstä

rku

ng

des

Sch

alld

ruck

es u

m e

twa

Fakt

or

60.

Das

eig

entl

ich

e O

rgan

der

Hö

rem

p-

fin

du

ng

ist

die

Sch

nec

ke im

Inn

eno

hr.

S

ie e

nth

ält

här

chen

förm

ige

Sin

nes

zel-

len

, die

du

rch

den

Sch

alld

ruck

ver

bo

gen

w

erd

en u

nd

die

se In

form

atio

n ü

ber

den

S

chn

ecke

nn

erv

an d

as G

ehir

n w

eite

r-le

iten

. Dab

ei e

rmitt

elt

das

Geh

irn

:•

Lau

tstä

rke

üb

er d

ie A

nza

hl a

n e

r-re

gte

n S

inn

esze

llen

: Je

meh

r S

inn

es-

zelle

n b

eweg

t w

erd

en, u

mso

lau

ter

emp

fin

den

wir

den

Sch

all.

•To

nh

öh

e ü

ber

den

Ort

der

Sin

nes

-ze

llen

: Tie

fe F

req

uen

zen

wer

den

im

äuß

eren

, ho

he

Freq

uen

zen

im in

ne-

ren

Teil

der

Sch

nec

ke r

egis

trie

rt.

•S

chal

lric

htu

ng

au

s d

er z

eitl

ich

en

Verz

ög

eru

ng

zw

isch

en d

em li

nke

n

un

d r

ech

ten

Oh

r (r

äum

lich

es H

ör-

emp

fin

den

).

11.1

.1

Phys

iolo

gie

des

Höre

ns

Äu

ßer

es O

hr,

Mit

tel-

oh

r u

nd

Inn

eno

hr

Ab

b.:

Der

Kö

rper

des

M

ensc

hen

, dtv

Äuße

res

Ohr

Mitt

eloh

rIn

neno

hr

Ham

mer

Trom

mel

fell

Schn

ecke

Ambo

ss

Stei

gbüg

el

Men

schl

iche

s H

ören

: Auf

bau

Ohr

Welche Aussagen sind wahr, welche falsch?

a. Die Frequenz ist ein Maß für die Höhe eines Tones.

b. Der Hörbereich des Menschen liegt zwischen 20 Hz und 20 kHz.

c. Der Frequenzbereich unterhalb von 20 Hz wird als Ultraschall bezeichnet.

d. Ein hoher Ton besitzt eine niedere Frequenz, ein tiefer Ton eine hohe Frequenz.

e. Die Höhe (Amplitude) einer Schwingung ist ein Maß für die Stärke des Tones.

f. Unser Ohr bzw. Gehirn „arbeitet“ logarithmisch.

g. Klänge bestehen aus einem Grundton plus Obertönen.

h. Obertöne über 20 kHz werden nicht wahrgenommen.

780

Wenn Sie einen Stein in einen See werfen, dann werden Wassermoleküle in Schwingung versetzt und diese Schwingung breitet sich wellenförmig in alle Richtungen aus.

Bei Schall handelt es sich um einen vergleichbaren Vorgang: Auch hier wer-den Materieteilchen, z. B. Luftmoleküle, in Schwingung versetzt und die hier-durch entstehende Bewegung breitet sich in Form von Schallwellen aus.

Das menschliche Ohr dient uns als Schallempfänger. Die ankommenden Schallwellen gelangen über den äußeren Gehörgang zum Trommelfell. Dabei handelt es sich um eine dünne und sehr empfindliche Membran, die durch den Schalldruck in Schwingung versetzt wird. Diese Schwingung wird im Mittelohr über die drei Gehörknö-chel Hammer, Amboss und Steigbügel an das Innenohr weitergeleitet. Da das Trommelfell etwa 16-mal größer ist als der Steigbügel und die Gehörknöchel

zusätzlich eine Hebelwirkung erzielen, führt die Übertragung des Schalls vom Außen- zum Innenohr insgesamt zur Verstärkung des Schalldruckes um etwa Faktor 60.

Das eigentliche Organ der Höremp-findung ist die Schnecke im Innenohr. Sie enthält härchenförmige Sinneszel-len, die durch den Schalldruck verbogen werden und diese Information über den Schneckennerv an das Gehirn weiter-leiten. Dabei ermittelt das Gehirn:• Lautstärke über die Anzahl an er-

regten Sinneszellen: Je mehr Sinnes-zellen bewegt werden, umso lauter empfinden wir den Schall.

• Tonhöhe über den Ort der Sinnes-zellen: Tiefe Frequenzen werden im äußeren, hohe Frequenzen im inne-ren Teil der Schnecke registriert.

• Schallrichtung aus der zeitlichen Verzögerung zwischen dem linken und rechten Ohr (räumliches Hör-empfinden).

11.1.1 Physiologie des Hörens

Äußeres Ohr, Mittel-ohr und Innenohr

Abb.: Der Körper des Menschen, dtv

Bennene die Bestandteile des Ohres.

12

3

4

5 6

7

8

a. Wahr

b. Wahr

c. Falsch, als Infraschall

d. Falsch, genau anders rum.

e. Wahr

f. Wahr

g. Wahr

h. Falsch, sie ergeben ein charakteristisches „Klangbild“

1. Äußeres Ohr

2. Mittelohr

3. Innenohr

4. Trommelfell

5. Hammer

6. Amboss

7. Steigbügel

8. Schnecke

Welche Aussagen sind Wahr, welche Falsch?

Benenne die Bestandteile des Ohres