Psychoakustik


0. Psychoakustik allgemein

1. Schallausbreitung
Schallgeschwindigkeit
Doppler-Effekt
Energieverlust
Reflexion
Wiederhall
Richtungshören
Räumliches Hören
Binaurales Hören

2. Schallstärke
Schalldruck
Lautstärke
Ruhehörschwelle, Hörfläche
Anpassung (Adaption)

3. Tonhöhe
Noch wahrnehmbare Tonhöhenänderungen
Tonhöhenabweichung durch Schallpegel
Folgetonhöhe
Interaurale Tonhöhendifferenz
Virtuelle Tonhöhe, Residuum
Interferenz
Interferenz bei ähnlichen Frequenzen

4. Maskierung
durch Lautstärke
durch Frequenz
zeitliche Maskierung

5. Gestalt

6. Abgehobenes

0. Psychoakustik allgemein

Die Psychoakustik stellt den Zusammenhang zwischen den physikalischen Eigenschaften eines Schallsignals und den daraus resultierenden Hörempfindungen her. Wir haben keine Augen und Ohren um die Welt abzubilden wie Kamera oder Mikrophon. Unsere Fernsinne dienen alleine dem Zweck der Orientierung und damit unmittelbar unserem überleben. Deshalb findet eine Filterung, eine Selektion und Bewertung der erlangten Information statt.
Grundsätzlich müssen wir unterscheiden zwischen physikalischem Reiz und der Empfindung. Während physikalische Reize mit "objektiven" Messinstrumenten gemessen werden können, ist die Empfindung nur subjektiv (von Individuen) messbar.
Es gibt auch es keine einfachen Formeln, die physikalische Größen in Durchschnittswerte menschlichen Empfindens umrechnen. Ein objektives Hörerlebnis gibt es also genauso wenig wie ein objektives Seherlebnis.
Das Gehör wird heute als signaltheoretisches Modell aufgefasst, das auf die Eingangsgröße Schallreiz mit der Ausgangsgröße Empfindung reagiert. Die funktionalen Zusammenhänge zwischen Eingangs- und Ausgangsgröße werden in Kennlinien dargestellt .
So ist die Kenntnis der übertragungsfunktionen des Gehörs in der Nachrichtentechnik wichtig, in der Medizin liefert der Vergleich zwischen der Kennlinie eines gesunden Gehörs und der eines erkrankten wichtige Rückschlüsse auf die Ursache der Erkrankung, die Entwicklung von Hörhilfen stützt sich im wesentlichen auf die Kennlinien des gesunden Gehörs und in der Lärmbekämpfung und Lärmvermeidung spielt die Psychoakustik ebenfalls eine wichtige Rolle.


1. Schallausbreitung

Schall besitzt Ausbreitungseigenschaften, die wichtige und interessante Höreffekte bewirken.

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1. 1 Schallgeschwindigkeit

Schall breitet sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit aus. Diese Geschwindigkeit ist abhängig vom Medium und der Teilchendichte. Bei normalem Luftdruck beträgt sie 340 m/s, und als Kind hat man beim Gewitter gelernt:
Man zähle die Sekunden zwischen Blitz und Donner, teile die Zahl durch drei und erhalte die Distanz zum Blitz in Kilometern.

1. 2 Doppler-Effekt

Dass sich Schall nicht sehr schnell ausbreitet, ist auch am Doppler-Effekt zu hören. Ein bewegtes Objekt sendet, wie alle anderen Objekte, Schall in Form von Luftdruckwellen aus. Da die Schallgeschwindigkeit unabhängig der Geschwindigkeit der Schallquelle ist, ist in Bewegungsrichtung des Objekts der Abstand der Luftdruckmaxima kleiner, d. h. die Wellenlänge kürzer und die Frequenz höher. Entfernt sich das Objekt, verlängert sich der Abstand, was eine tiefe Frequenz zur Folge hat.
Man stelle sich auf eine Brücke oder an den Straßenrand und lausche dem Motorengeräuschen der Autos.

1. 3 Energieverlust

Ein weiterer Effekt ist der Energieverlust bei der übertragung. Hohe Töne gehen schneller verloren, wie man beim Grummeln vorm Gewitter beobachten kann. Tonmeister beim Film verwenden diesen Effekt auch, um anzudeuten, dass ein Geräusch aus der Ferne kommen soll. Man halte ein Ohr zu und halte seine freie Hand abwechselnd neben das geschlossene und unverschlossene Ohr und reibe die Finger aneinander. Anschließend schnippe man mit den Fingernägeln. Auf welchem Ohr hört man was?
Die vom Reiben entstehenden hohen Töne hört man nur am freien Ohr, weil sie sich nicht so gut ausbreiten. Das Schnippen hingegen hört man auf beiden Ohren, da es auch aus tieferen Tönen besteht.

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1. 4 Reflexion

Eine wichtige Eigenschaft der Schallausbreitung ist die Reflexion. Der Schall trifft auf Wände und andere Gegenstände, wird geschluckt, reflektiert und kommt zeitverzögert zurück. Der Klang wird dadurch verändert. Die Raumakustik hängt also sehr stark von der Gestaltung und dem Bau des Raumes ab. Jeder Raum klingt anders.
Was Reflexionen bewirken können, zeigen griechische Amphitheater. Besucher des Theaters konnten auf allen Plätzen problemlos Gespräche verfolgen, die auf der Bühne geführt wurden. Ganz auf Reflexionen zu verzichten erschwert das Hören, wie man schon bei Unterhaltungen im Freien merken kann.
Beim Hörfunk wird viel mit reflexionsfreien Räumen gearbeitet. Die Stimme des Sprechers wird nachträglich mit leichtem Hall versehen, um sie natürlich und verstehbar zu halten.

1. 5 Wiederhall

Der Wiederhall ist auch wichtig für das eigene Sprechverhalten. Menschen die schwer hören, sprechen lauter. Man kann dieses erproben, indem man Kopfhörer aufsetzt und mit jemandem unterhält.
Wird einer Versuchsperson das gesprochene Wort über Kopfhörer zeitversetzt zurückgegeben, kann es zu starken Irritationen kommen. Beträgt die Verzögerung 100-200 ms, spricht die Versuchsperson lauter, stockend. Steigert man die Verzögerung noch mehr, hört sie ganz auf zu sprechen.

1. 6 Richtungshören

Nimmt man Geräusche wahr, so kann man ihnen mit ziemlicher Genauigkeit eine Richtung zuordnen. Die Lokalisierung einer Schallquelle ist jedoch nur möglich, wenn man beide Ohren benutzt (binaurales Hören). Technisch gesehen sind zwei Größen für das Richtungshören verantwortlich: die Laufzeitdifferenz und die Schalldruckdifferenz.
Die Laufzeitdifferenz oder besser gesagt Schallverzögerungsdifferenz, kommt daher, dass beide Ohren unterschiedlich weit von der Schallquelle entfernt sind, und da der Schall sich mit konstanter Geschwindigkeit ausbreitet, kommt das akustische Signal am "näheren" Ohr früher an als am weiter entfernten Ohr. Das menschliche Ohr kann Verzögerungen von bis zu 30 µs noch wahrnehmen. Ab 2 ms Verzögerungsdifferenz nimmt man dann zwei getrennte Geräusche wahr.
Da beide Ohren unterschiedlich weit von der Schallquelle entfernt sind kommt es nicht nur zu einer Verzögerung, sondern auch zu einer Intensitätsabnahme des Signals. Der Kopf dämpft das Signal auch, so dass daraus eine zusätzliche Intensitätsabnahme resultiert. Dabei ist es interessant, dass unterschiedliche Frequenzen unterschiedlich stark gedämpft werden. Hohe Frequenzen werden durch den Kopf wesentlich stärker gedämpft als tiefe Frequenzen.

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1. 7 Räumliches Hören

Schallabsorption, Schallschatten, Signallaufzeiten und die Richtungsempfindlichkeit des Außenohrs erlauben uns räumliches Hören. Das beinhaltet nicht nur die Information, woher der Schall kommt, sondern auch, wie groß der umgebene Raum ist und ob ein Hindernis (etwa eine Wand) in der Nähe ist.
Blinde sind in der Lage, Hindernissen auszuweichen, wenn sie reflektierte selbsterzeugte Laute hören. Diesen "Fledermaus-Effekt" kann man selbst ausprobieren: Man bewege sich mit geschlossenen Augen durch ein Zimmer und achte auf das Schnipsgeräusch, das man mit den Fingern erzeugt. Dieses funktioniert nicht bei schallabsorbierenden Wänden, wie sie im Rundfunk verwendet werden.

1. 7. 1 Binaurales Hören

Durch Auswerten der Reizinformationen, die wir an beiden Ohren empfangen, können wir Schallquellen in Raum orten. Die Genauigkeit bei Klickgeräuschen liegt bei ca. 3°. Wir nutzen dabei den Laufzeitunterschied und die Lautstärke.
Um den Laufzeitunterschied des Schallreizes zu ermitteln, müssen die Signale im Hirn miteinander verglichen werden. Berechnet man diese Zeitdifferenz, kommt man auf recht erstaunliche Ergebnisse.
Wichtig für diese Vergleiche ist die Phasenlage der Wellen. Bietet man einer Versuchsperson über Kopfhörer Töne mit leicht unterschiedlicher Frequenz dar, so hat sie das Gefühl, dass ein Ton um sie herum kreist. Die unterschiedlichen Töne verändern ihre Phase zueinander. Die Phasenunterschiede rechnet das Gehirn zurück auf die Richtung.

2. Schallstärke

2. 1. Schalldruck

Die Stärke des Schalls hängt davon ab, wie groß die Luftdruckunterschiede sind. Je stärker die Luftdruckschwankungen sind, desto stärker ist der Schall. Schall ist daher ein physikalisches Maß und hat zunächst nichts mit unserem Empfinden zu tun.
Gemessen wird Schall in der gleichen Einheit wie Druck: N/m². Druck ist definiert als die Kraft, die auf eine Fläche wirkt. Kraft wird in Newton gemessen, Fläche in Meter zum Quadrat. (1 Newton ist die Kraft, die man benötigt, um eine Masse von 1 kg in 1 Sekunde gleichmäßig aus der Ruhe auf 1 Meter pro Sekunde zu beschleunigen.)
Da es sich bei Schall um Luftdruckschwankungen handelt, wird man ihn mit der Differenz zwischen Luftdruckmaximum und -minimum berechnen.
Für den Schalldruck wird auch eine logarithmische Skala verwendet, um den großen Zahlenbereich abzudecken und die Schalldruckskala an die Empfindungsskala anzunähern. Wie Weber und Fechner herausgefunden haben, gibt es einen logarithmischen Zusammenhang zwischen physikalischer Reizstärke und physischer Empfindungsstärke.
Lautstärke, oder genauer: der Schalldruck, wird in Dezibel angegeben.
Der Name der Einheit Bel stammt vom Erfinder des Telefons, dem Amerikaner Bell. Zusammen mit der bekannten Vorsilbe "dezi-" ergibt sich das Dezibel als ein Zehntel Bel.
Das Dezibel ist keine absolute Größe, sondern ein Verhältnis. Der Schalldruckpegel mit logarithmischer Einteilung wird SPL (Schalldruckpegel, logarithmisch) genannt, die Werte werden in dB(SPL) gemessen.
Bezugswert ist hier die Hörschwelle (siehe unten), also das leiseste Schallereignis, das von einem durchschnittlichen Menschen gerade noch gehört werden kann. Das Gehör empfindet verschiedene Frequenzen jedoch unterschiedlich laut (s. u.)

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2. 2. Lautstärke

Im Gegensatz zum Schalldruck ist die Lautstärke ein Empfindungsmaß, das angibt, wie stark der Schall subjektiv empfunden wird. Dieses hängt nicht nur vom Schalldruck, sondern auch von der Frequenz ab.
Kurven, die angeben, welche Töne (mit welcher Frequenz und welchem Schalldruck) gleich laut empfunden werden, werden Isophone genannt. Einen Bereich mit der größten Hörempfindlichkeit gibt es etwa bei einer Tonhöhe von 2 kHz, ungefähr dem Frequenzbereich der Sprache. Sehr hohe und sehr tiefe Töne dagegen sind nur schwer wahrnehmbar.
Lautstärke wird gemessen in der Einheit Phon. Bei der Tonhöhe von 1000 Hz decken sich Phon und dB(SPL). Messgeräte für Lärmmessungen, etwa an einer Straße, messen die physikalische Größe, also SPL.
Um mit den Messwerten auf Gesundheitsbelastungen schließen zu können, müssen die Werte in ein Empfindungsmaß umgerechnet werden. Dieses erledigen sogenannte Akustik-Filter. Aus dB(SPL) wird dB(A). Die dB(A)-Skala ist an die Phon-Skala angelehnt.

2. 3 Ruhehörschwelle und Hörfläche

Unser Gehör kann nur akustische Ereignisse innerhalb eines bestimmten Frequenz- und Schallpegelbereiches wahrnehmen. Das bedeutet, dass Hörempfindungen beim Menschen nur von Schallereignissen ausgelöst werden, deren Frequenz im Bereich von 20 Hz bis 20 kHz liegen. Für die Hörbarkeit ist aber außerdem noch ein gewisser Mindestschalldruck erforderlich. Zeichnet man den Schalldruckpegel, der notwendig ist, einen Ton gerade noch zu hören, als Funktion der Frequenz auf, so erhält man die Ruhehörschwelle.
Erhöht man den Schalldruck, so wird man ab einem bestimmten Schalldruckpegel beim Hören der Töne Schmerz empfinden.
Trägt man diese Kurve ebenfalls in Abhängigkeit der Frequenz auf, so erhält man die Schmerzschwelle. Den Bereich zwischen Ruhehörschwelle und Schmerzschwelle bezeichnet man als Hörfläche.
Wird die Schmerzschwelle überschritten, so ist mit einer bleibenden Schädigung des Gehörs zu rechnen.
Zwischen den Werten des Schalldruckpegels im Bereich der Ruhehörschwelle und dem der Schmerzschwelle liegen 6 Zehnerpotenzen. Das bedeutet, dass der Schalldruck der Töne im Bereich der Schmerzschwelle etwa 100000 mal stärker ist als im Bereich der Ruhehörschwelle. Nur durch diesen gewaltigen Dynamikumfang ist das Gehör in der Lage, sehr leise Schalle, z.B. das Summen einer Mücke, genauso zu verarbeiten, wie das Rattern eines Presslufthammers. Der Verlauf der Hörschwelle und die Bedeutung für die Hörempfindung aus dem Verlauf der Ruhehörschwelle geht hervor, dass das Gehör nicht für alle Frequenzen die gleiche Empfindlichkeit aufweist. Je weiter die Hörschwelle zu niedrigeren Schallpegeln hin verläuft, desto empfindlicher reagiert das Gehör auf den entsprechenden Frequenzbereich. Aus der Hörschwelle lässt sich ablesen, dass im Bereich der Frequenzen zwischen 2 kHz und 5 kHz das Gehör am empfindlichsten reagiert. Dies ist an der Absenkung der Hörschwelle deutlich zu sehen. In diesem Bereich ist nur ein sehr geringer Schallpegel notwendig um eine Hörempfindung hervorzurufen.
Die wahrgenommene Lautstärke ist also nicht nur von dem Wert des Schalldrucks, sondern in gewissem Maße auch von der Frequenz abhängig.

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2. 4 Anpassung (Adaption)

Eine der wichtigsten Eigenschaften des Gehörs besteht darin, seine Empfindlichkeit an einen bestimmten, gerade herrschenden Schallpegel anzupassen (Analogie zum Auge).
Hierdurch kann sich das Gehör z.B. an verschieden hohe Wiedergabepegel einer Tonproduktion anpassen, ohne dass dabei ein wesentlicher Qualitätsunterschied zu bemerken ist, solange sich die Pegelunterschiede in bestimmten Grenzen bewegen.
Das Gehör bildet hierbei aus den einwirkenden akustischen Reizen ein subjektives Bezugssystem, das als Anpassungsniveau bezeichnet wird. An diesem subjektiv gebildeten Bezugssystem orientieren sich die vom Hörer gebildeten Urteile über den gerade einwirkenden akustischen Reiz. Die Adaption ermöglicht es daher, Schallereignisse mit niedrigem Pegel qualitativ in gleicher Weise wahrzunehmen wie Schallereignisse eines hohen Pegels. Durch die Adaption tritt aber noch ein weiterer Effekt ein. Gleichmäßige Hintergrundgeräusche werden im Bewusstsein zurückgedrängt, so dass ein gleichmäßiger Dauerton, z.B. ein Sinuston nach einiger Zeit immer leiser erscheint. Das Gehör ordnet diesen Dauerschall als unwichtiges Hintergrundgeräusch ein, und lässt es nicht mehr ins Bewusstsein vordringen.

3. Tonhöhe

Neben der Lautstärke unterscheiden wir auch Tonhöhen. Physikalisch werden Tonhöhen in Schwingungen pro Sekunde (Frequenz) gemessen, ein Maß dafür, wie schnell sich der Luftdruck ändert. Eine Schwingung dauert vom Luftdruckmaximum bis zum nächsten Luftdruckmaximum. Als Maßeinheit für Frequenz wird Hertz (Hz) benutzt, 1 000 Hz = 1 kHz (Kilohertz). Der hörbare Bereich liegt etwa zwischen 20 Hz und 20 kHz. Mit zunehmendem Alter verschiebt sich die Grenze der höchsten hörbaren Töne nach unten.
Wie bei der Schallstärke empfinden wir auch Tonhöhen logarithmisch. Den gleichen Ton der Tonleiter, nur eine Oktave höher, erhält man, indem man die Frequenz verdoppelt.
Das a' der Frequenz 440Hz. Hat als a'' eine Oktave höher die Frequenz 880Hz, das a''' 1760 Hz, etc..
Da diese logarithmische Skala an den Randbereichen nicht mehr ganz stimmt (bei hohen Tönen erscheinen Höhenabstände kleiner), werden Instrumente z.T. auch nach der menschlichen Empfindung gestimmt.
Die Tonhöhenempfindung reiner Töne ist in erster Linie von der Frequenz, d.h. der Periodendauer eines Schallsignals abhängig.
Bei der Untersuchung der Tonhöhenwahrnehmung beliebiger Schallsignale wird aber deutlich, dass der Zusammenhang zwischen der Frequenz eines Schallsignals und der resultierenden Tonhöhenempfindung kompliziert und von weiteren beteiligten Schallparametern abhängig ist. Erst durch die zusätzliche Anwendung einer auralen Fourieranalyse wird eine differenzierte schallparameterabhängige Wahrnehmung der Tonhöhe möglich.
Aus der Theorie dieser unterschiedlichen Arbeitsweisen der Tonhöhenbildung lassen sich eine Vielzahl der Phänomene, die bezüglich der Tonhöhenbildung allgemeiner Schallsignale auftreten, erklären.

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3. 1 Noch wahrnehmbare Tonhöhenänderungen (Frequenzänderungen)

Die Fähigkeit des Gehörs, Tonhöhen zu unterscheiden wird als Frequenzauflösung bezeichnet. Das menschliche Gehör ist durch eine sehr große Frequenzauflösung ausgezeichnet und kann ungefähr 620 Tonhöhen unterscheiden.
Die wahrnehmbare Frequenzänderung ist abhängig von der Frequenz des Schallereignisses. Unterhalb einer Frequenz von 500 Hz ist ein Frequenzunterschied von 1,8 Hz gerade noch hörbar. Oberhalb von 500 Hz muss die Frequenzänderung mindestens 0,35 Promille betragen, damit eine Tonhöhenänderung wahrnehmbar ist.
Mit steigender Frequenz muss der Frequenzunterschied zwischen zwei Tönen größer werden, damit ein Tonhöhenunterschied wahrgenommen werden kann.
Die Ursache hierfür liegt im Aufbau der Basilarmembran und der Verteilung der darauf befindlichen Sinneszellen.

3. 2 Tonhöhenabweichung durch Schallpegel

Die Tonhöhe eines Tones fester Frequenz kann sich ändern, wenn der Schallpegel des Tones verändert wird. Dieser Effekt ist schon im 19. Jahrhundert entdeckt und als Tonhöhenparadoxon bezeichnet worden. Bei einer Erhöhung des Schalldruckpegels lässt sich bei tiefen Tönen konstanter Frequenz eine Absenkung, bei hohen Tönen konstanter Frequenz dagegen eine Anhebung der empfundenen Tonhöhe feststellen. Töne im Frequenzbereich um 2000 Hz bleiben von diesem Phänomen nahezu unbeeinflusst
Tonhöhen-Paradoxon
ändert man den Schalldruck bei gleichbleibender Frequenz eines Tons, so empfindet man nicht nur eine änderung des Schalldrucks sondern auch eine änderung der Tonhöhe. Das paradoxe daran ist jedoch, dass wenn man den Schalldruck bei sehr tiefen Frequenzen anhebt, der Eindruck einer Absenkung der Frequenz entsteht und bei sehr hohen Frequenzen der Eindruck einer Anhebungen. Das heißt tiefe Töne wirken noch tiefer und hohe Töne wirken höher. Bei mittleren (normalen) Frequenzen (um 1 kHz) hat man diesen Eindruck nicht.

3. 3 Die Folgetonhöhe oder Zwickerscher Nachton

Die Folgetonhöhe bezeichnet einen Effekt, der eine Analogie zur visuellen Wahrnehmung der Nachbilder besitzt.
Wird das Gehör entsprechend der nebenstehenden Grafik mit einem Breitbandrauschen beschallt, dessen Frequenzspektrum eine Lücke aufweist, so kann nach dem Abschalten des Geräuschs ein leiser Sinuston wahrgenommen werden. Dieser schwillt langsam ab und ist nach einigen Sekunden wieder verschwunden. Die Tonhöhe dieses „Nachtones“ ist zeitlich konstant und entspricht einer Frequenz, die innerhalb der Frequenzlücke des Breitbandrauschens liegt. Folgetonhöhen entstehen auch nach der Beschallung mit einem Klang, wenn dessen Spektrum eine Lücke aufweist. Die Folgetonhöhe ist ein monaurales Phänomen. Beschallt man beide Ohren gleichzeitig mit Breitbandgeräuschen, die unterschiedliche Frequenzlücke aufweisen, so lassen sich auf beiden Ohren gleichzeitig unterschiedliche Folgetöne erzeugen. Diese besitzen die gleiche Tonhöhe, die auch eine monaurale Beschallung mit den verschiedenen Breitbandgeräuschen hervorgerufen hätte.
Da sich die Nachtöne nicht im Innenohr nachweisen lassen, ist anzunehmen, dass sie durch neuronale Aktivitäten hervorgerufen werden.

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3. 4 Die interaurale Tonhöhendifferenz

Als interaurale Tonhöhendifferenz bezeichnet man den Effekt, dass ein Ton konstanter Frequenz auf dem einen Ohr eine andere Tonhöhe hervorrufen kann als auf dem anderen. Wird das Ohr binaural mit einem Sinuston fester Frequenz beschallt, so nimmt man eine konstante Tonhöhe wahr. Beschallt man aber nun beide Ohren nacheinander einzeln mit diesem Ton, so lässt sich fast immer eine Abweichung der wahrgenommenen Tonhöhe zwischen beiden Ohren feststellen. Dieser Effekt weist darauf hin, dass die Tonhöhe in jedem Ohr autonom gebildet wird.
Die bewusste Wahrnehmung einzelner Harmonischer eines Klanges. Ein Klang ruft spontan eine oder mehrere Tonhöhen hervor, die aus den entsprechenden Spektralanteilen entstehen. Durch analytische Wahrnehmung kann man bewusst einzelne Spektralanteile in einem Klang heraushören.
Da dies für musikalisch ungeübte Personen oft sehr schwierig ist, wird die Aufmerksamkeit des Hörers nacheinander auf die 3., 5., und 8, Harmonische eines aus insgesamt zehn Harmonischen bestehenden Klanges der Grundfrequenz 200 Hz gelenkt. Hierzu wird der Klang abwechselnd mit einem Sinuston dargeboten, dessen Frequenz der der betreffenden Harmonischen gleich ist.

3. 5 Virtuelle Tonhöhe und Residuum

Die wahrgenommene Tonhöhe eines Klanges entspricht i.a. derjenigen der Grundschwingung, der 1. Harmonischen. Die virtuelle Tonhöhe entsteht, wenn von einem breitbandigen Linienspektrum nur ein höherfrequenter Teil übertragen wird.
Der resultierende "Restklang", der Klang aus dem die Harmonischen der tieferen Ordnungsnummern entfernt sind, wird als Residuum oder Residualklang bezeichnet. Da der Residualklang aus dem ursprünglichen Schallereignis durch das Entfernen der unteren Harmonischen entstanden ist, erwartet man , dass sich die musikalische Tonhöhe des Residuums gegenüber dem ursprünglichen Klang verändert. Dies ist aber nicht der Fall. Die wahrgenommene musikalische Tonhöhe ist gleich geblieben, lediglich die Klangfarbe des Schallereignisses hat sich geändert. Die sich einstellende Tonhöhe des Residualklanges wird als virtuelle Tonhöhe bezeichnet.
Der Effekt der virtuellen Tonhöhe kann soweit gesteigert werden, dass die Tonhöhenempfindung nur noch als Illusion auftritt. Sie wird vom Gehör aufgrund von Erfahrungen der Wahrnehmung von Sprache und Musik gebildet. Dabei bezieht es sich auf die realen Bedingungen der akustischen Informationsaufnahme.

     Beispiel: Gleichbleibende Stimmlage bei übertragung durch den Fernsprechkanal
Die Wahrnehmung der virtuellen Tonhöhe spielt eine wichtige Rolle bei der Sprachverständlichkeit beim Telefonieren und bei der Musikübertragung über Kanäle, die nur einen bestimmten Spektralanteil ungehindert passieren lassen. Da der Fernsprechkanal nur einen Frequenzbereich zwischen 300 Hz und 3400 Hz überträgt, werden die ersten zwei bis drei Harmonischen eines zu übertragenden Schallsignals unterdrückt. Dies wirkt sich aber nicht auf die Wahrnehmung der Tonhöhe aus.
Das Gehör bildet eine der realen Tonhöhe entsprechende virtuelle Tonhöhe. Es wird im Hörbeispiel demonstriert, dass sich die wahrgenommene Tonhöhe eines Musikstückes nach der übertragung durch einen Fernsprechkanal nicht ändert, obwohl die unteren Spektralanteile des ursprünglichen Schallsignals nicht übertragen werden.
Virtuelle Töne
Unter einem harmonischen Ton (oder Klang) versteht man eine überlagerungen einer Grundschwingung mit beliebig vielen Oberschwingungen. Die Tonhöhe ermittelt das Gehör dabei durch die Grundschwingung. Hat man z.B. eine Grundschwingung von 200 Hz so kann man diese mit Oberschwingungen von 400, 600, 800 und 1000 Hz (man spricht hier auch von Harmonischen) überlagern, das Ergebnis ist dann eine Veränderung der Klangfarbe und nicht eine änderung in der Tonhöhe wie man vielleicht vermuten würde. Interessant ist, dass wenn man die Grundschwingung weglässt, man trotzdem die richtige Tonhöhe erkennt. Es ändert sich, genau wie beim hinzufügen von Harmonischen, lediglich die Klangfarbe. Diese Phänomen nennt man virtuelle Töne oder Residuum.

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3. 6. 1 Interferenz (überlagerung von Schwingungen)

Reine Sinuswellen bekommen wir sehr selten dargeboten. Sogar, wenn eine Gitarrensaite angezupft wird, hören wir mehr als einen Sinuston. Auf dem Grundton sind weitere Schwingungen aufgelagert, die die Wellenform beeinflussen. Der Ton klingt nicht mehr rein, sondern bekommt einen anderen Klang, die sogenannte Klangfarbe. Anders als Sehfarben, besitzen Klangfarben keine Namen. Vielmehr werden sie nach Objekten benannt, die ihnen ähnlich klingen. Das Charakteristische an Klangfarben ist besonders am Anfang oder am Ende der Tondarbietung zu erkennen, kaum hingegen, wenn der Ton anhält.
Oberwellen sind Spezialfälle dieser überlagerten Schwingungen. Schwingt ein Klangerzeuger außer in der Grundfrequenz auch mit einer Frequenz, die ein ganzes Vielfaches der Grundfrequenz beträgt, spricht man von einer harmonischen Oberwelle. Prinzipiell kann man davon ausgehen, dass Saiten grundsätzlich auch Oberwellen abgeben, die ihnen einen besonderen Klang geben.

3. 6. 2 überlagerung von Sinusschwingungen ähnlicher Frequenz

    Schwebung und Rauhigkeit
Werden zwei Sinustöne mit ähnlichem Schallpegel und dicht benachbarter Frequenz gemeinsam dargeboten, verschmelzen sie zu einem gemeinsamen Ton.
Da aber die Frequenzen der beiden Töne unterschiedlich sind, verschieben sich die Phasen der Töne kontinuierlich gegeneinander. Im zeitlichen Verlauf des resultierenden Signals kommt es zu Verstärkungen, bzw. Abschwächungen im Pegelverlauf, so dass ein sich periodisch ändernder Lautstärkeeindruck entsteht.
Bezeichnet man die Frequenzen der beteiligten Schwingungen mit f1 und f2, so ergibt sich für die
Frequenz des resultierenden Schwingungsmusters     f = ½ (f1+f2)
Die Schwebungsfrequenz fs, also die Anzahl der
Lautstärkeschwankungen pro Sekunde ergibt sich aus     fs = f1-f2 (Frequenzdifferenz)
Schlägt man eine Stimmgabel mit 440 Hz und eine andere mit 438 Hz an, klingt es, als würde ein Ton zweimal in der Sekunde auf- und abschwellen.
überschreitet die Frequenzdifferenz zwischen beiden Tönen den Wert von ca. 15 (30) Hz, so verschwindet die Schwebungsempfindung und es tritt eine Empfindung auf, die als Rauhigkeit bezeichnet wird.
Wird der Frequenzunterschied weiter gesteigert, so wird die Frequenzunterscheidungsschwelle überschritten. Beim überschreiten dieser Schwelle beginnt das Gehör zwei einzelne Töne zu unterschieden, deren Tonhöhen den Frequenzen f1 und f2 entsprechen. Auch diese überlagerung der zwei Töne klingt noch rau, bei weiterer Vergrößerung des Frequenzabstandes verschwindet aber auch dieser Eindruck, beide Töne werden einzeln wahrgenommen. Der Gesamteindruck des Schallsignals wird als glatt und angenehm empfunden.

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4. Maskierungseffekte

Als Verdeckungs- oder Maskierungseffekt bezeichnet man die Beeinflussung der Hörbarkeit des Schalls durch die überlagerung eines oder mehrerer Störschallquellen. Ein auf das Gehör wirkender Reiz setzt gleichzeitig die Empfindlichkeit für andere Reize herab.

4. 1 Maskierung durch Lautstärke

Diese Erscheinung tritt im Alltag sehr oft auf: Ein Gespräch ist in ruhiger Umgebung ohne hohen Schallpegel leicht zu führen, ohne dass die akustische Verständlichkeit darunter leidet. Tritt nun während des Gesprächs ein Störschall (Maskierer) auf, so kann dieser den Sprachschall überdecken (maskieren) so dass das Gespräch gar nicht mehr oder nur mit Hilfe eines erheblich angehobenen Schallpegels, also mit lauterer Stimme weitergeführt werden kann.


4. 2 Maskierung durch Frequenz

Neben dem Lautstärkepegel werden die Verdeckungseigenschaften der Störschalle durch ihre spektrale Zusammensetzung bestimmt. Allgemein gilt, dass ein Schall höherer Frequenz einen tieferen Schall nur dann verdecken kann, wenn der Frequenzabstand zwischen beiden gering ist. Ein Schall tiefer Frequenz kann einen höherfrequenten Schall nur dann verdecken, wenn er einen wesentlich größeren Schallpegel besitzt.

4. 3 Zeitliche Maskierung

Bei der zeitliche Maskierung ist es charakteristisch für das Gehör, dass ein maskierender Klang der schon beendet ist (oder ein Klang, der kurz darauf beginnt), einen anderen Klang überdeckt. Die Nachmaskierung kann einen Klang bis zu 200ms verdecken. Die Vormaskierung ist relativ kurz und hat Auswirkungen bis zu 20ms vor dem überdeckenden Klang.

5. Akustische Gestalt

Bei der Gestaltwahrnehmung geht es um das Wiedererkennen von Tönen und Geräuschen. Dieselbe Stimme beispielsweise kann sehr unterschiedlich klingen. Je nach dem, ob sie durchs Telefon dringt, geflüstert wird, ob es einen großen Umgebungslärmpegel gibt - die Stimme wird sicher erkannt. Auch in der Musik ist es möglich, einzelne Instrumente herauszuhören.
Diese Leistung ist dadurch möglich, dass akustische Reize parallel verarbeitet werden. Nervenzellen reagieren selektiv auf verschiedene Reizparameter und die Struktur des zeitlichen Ablaufs des Reizes. Diese Reizparameter werden gespeichert, jedoch ist unklar, wie dieses geschieht.
Als Erkennungskriterien dienen Tempo und zeitlicher Verlauf. Spricht man eine Stimme auf ein Tonband und lässt es in halber oder doppelter Geschwindigkeit, oder gar rückwärts abspielen, ist es schwer oder unmöglich, sie wiederzuerkennen.
Im Zusammenhang mit der akustischen Gestalt gibt es auch einige interessante Effekte (siehe auch „2. 4 Adaption“):
-      Mit der Gestaltwahrnehmung verbunden ist die Fähigkeit von Menschen, zeitliche Abläufe zu reproduzieren. So benötigte der Dirigent Arturo Toscanini bei der Orchester-Aufführung "Variationen zu einem Thema von Haydn" (Opus 56a) von Brahms 1935 16 min 44s und wich 1938 und 1948 nur sechs Sekunden ab!.
- So wird man regelmäßiges Ticken nicht wahrnehmen. Nimmt man es kurzzeitig doch war, so sind es immer mindestens zwei Ticks hintereinander, niemals eines. -      Bei Maschinengeräuschen lässt sich beobachten, dass das Hörsystem versucht, einen Rhythmus oder eine Melodie daraus zu erkennen.
-      Bewohner eines Hauses am vielbefahrenen Bahndamm hören fahrplanmäßige Züge bald nicht mehr, wohl aber Güterzüge, die unregelmäßig verkehren.
-      Eine Mutter wird sich vergnügt mit einer Freundin unterhalten derweil im Nachbarzimmer die Kinder spielen. Bei der geringsten Veränderung im gestaltlosen Stimmengewirr wird sie das Gespräch sofort abbrechen und in den Nachbarraum eilen.

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6. Abgehobenes

Zur Abrundung des doch trockenen Stoffes eine Zusammenfassung von Fundstücken aus dem Internet:
„Die Psychoakustik, eine schwer definierbare Disziplin, entwickelt sich rasant entlang der fließenden Grenze zwischen Professionalität und Dilletantismus und jongliert eklektizistisch mit Konzepten von Phytagoras bis Planck.
Und weil die Abwesenheit eines Beweises kein Beweis für seine Abwesenheit ist, bietet diese Entwicklung zwar Raum für unorthodoxe Ideen, auf der anderen Seite lauert die Gefahr, auf übertreibungen, halbfertige Entwicklungen und unbewiesene Behauptungen hereinzufallen.“

     Beispiele dafür:

6. 1 Binaural Beats

Relativ gut dokumentiert ist eine Technik namens HemiSync (auch als BrainSync, HoloSync, Binaural Beats usw. bekannt), die auf Arbeiten des deutschen Forschers H. W. Dove im Jahr 1839 zurückgeht. Ihr kommerzieller Wegbereiter war Robert Monroe, der in den 60ern anfing, sich mit der Wirkung von Frequenzen auf das Bewusstsein zu beschäftigen. Die zugrundeliegende Technik lässt sich inzwischen auf jedem PC realisieren, dennoch funktionieren Binaural Beats längst nicht so simpel, wie es manche (Produzenten) gerne hätten.
Erst in Kombination mit Rauschen oder Meereswellen entfalten sie ihre volle Wirkung, darüber hinaus spielen Lautstärkeverhältnisse, die Frequenzen, ihr Verlauf über die Zeit, harmonikale Proportionen und andere Parameter eine Rolle. Studien unterstreichen ihre Wirksamkeit bei Schlafstörungen, Lernschwierigkeiten - und zum Einstimmen auf bestimmte Bewusstseinszustände. All das weckt eine Menge Begehrlichkeiten, insbesondere beim Militär, das seit Jahren mit Klängen experimentiert und enge Kontakte - nicht nur - mit dem Monroe Institut unterhält.

6. 2 Sonic Bloom

Dabei wirkt Musik nicht nur auf Menschen; sie regt auch das Pflanzenwachstum an, Hühner legen mehr Eier, Kühe geben mehr Milch und selbst Bakterien wachsen bei bestimmten Klängen besser - und sterben bei anderen ab! Das macht sich Sonic Bloom zunutze, eine Mischung aus Musik, ausgewählten Frequenzen und Pflanzendünger, die auf den Amerikaner Don Carlson zurückgeht.
Er stieß im Koreakrieg auf das Buch "Guide to Bird Songs" von Aretas Saunders, der in den Dreißigern Vogelstimmen mit den ersten audio-spektralanalytischen Messgeräten analysierte und auf interessante Regelmäßigkeiten stieß. Vögel scheinen instinktiv Töne zu trällern, die Carlson als Wachstumsfrequenzen für Pflanzen ausmachte (im Bereich von 5.000 Hz, ein Frequenzfenster, das sich auch bei Zikaden und Delphinen öffnet). Also beschallte Don Carlson Felder mit indischen Ragas, Plantagen mit den Jahreszeiten von Vivaldi und wehrlose Gemüsebeete mit ausgesuchter Barockmusik.
Mit bemerkenswertem Erfolg: Unter der wissenschaftlichen Leitung der Universität von Ottawa, steigerten Bachs Violinsonaten die Getreideernte um 66 Prozent und das E-Dur Konzert für Violine Solo ließ die Weizenerträge explodieren. Inzwischen tauschen Heerscharen von Hobbygärtnern im Internet regelmäßig Fotos von Killertomaten und Riesenkürbissen aus und ihre Erträge stürmten bereits das Guinness Buch der Rekorde.

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6. 3 Quanten-Vibrationen

ähnliches reklamiert auch der Patentantrag des Physikers Joel Starnberger. Pflanzen sollen schneller wachsen, wenn man sie mit melodiösen Quanten-Vibrationen beschallt, die bei der Zusammensetzung eines Proteins aus einzelnen Aminosäuren, übertragen in hörbare Schwingungen, entstehen. Joel Sternberger: „Jeder Ton ist ein Vielfaches der Original-Frequenzen, die beim Einbau der Aminosäuren in die Proteinketten entstehen und die Länge des Tons entspricht der Dauer dieses Vorgangs“. Hören Pflanzen diese Melodien, produzieren sie angeblich mehr von dem entsprechenden Protein. Bei einer musikalischen Düngung von nur drei Minuten täglich wuchsen Tomaten zweieinhalb schneller und sollen süßer schmecken. Außerdem sollen Pflanzenkrankheiten verhindert werden, indem Virus-Enzyme musikalisch angegangen und ausgeschaltet werden. Werden Frequenzen in Zukunft eingesetzt wie Medikamente?

6. 4 Music-Chrystal-Frequence-Analyses

Relativ neu sind die Forschungen von Dr. Elmar Langenscheidt, der mit Infrarotmessungen und Elektronenmikroskop den "spezifischen Schwingungscode verschiedener Substanzen ermittelte, um sie in hörbare Schwingungen zu übertragen". Langenscheidt ließ sich seine Methode als "Music-Chrystal-Frequence-Analyses" patentrechtlich schützen und der Musiker Michael Reimann wird im Frühjahr 2000 eine CD mit den Schwingungen von Sauerstoff, Vitamin C, Silber, Giold und Chlorophyll veröffentlichen.

6. 5

Sound Energy Research und eine Gruppe amerikanischer Forscher, die Versuchspersonen die hörbar gemachten Molekularfrequenzen verschiedener Drogen vorspielten. Zusätzlich wurden dreidimensionale Aufnahmen der entsprechenden Moleküle an die Wand projiziert - und angeblich zeigten die Testpersonen umgehend die entsprechenden physiologischen Reaktionen (was Untersuchungen eines privaten deutschen Instituts - in einem anderen Kontext - bestätigten). Andere Forscher reklamieren, aus einer individueller EEG-Messung Klänge ableiten zu können, die - über CD gehört - die Ausschüttung bestimmter Neurotransmitter stimulieren oder blockieren kann - bisher das Monopol der Pharmaindustrie.
Derart brisante Entwicklungen blieben natürlich nicht ohne Folgen: Während der internationale Informationsaustausch bis vor kurzem relativ problemlos war, schotten sich die führenden Köpfe zunehmend ab. Teils aus Angst, teils aus kommerziellen Motiven und ethischen überlegungen! Denn die Gerüchte stimulieren das Interesse der Wirtschaft, der Werbung und der Hollywood-Tycoons. Zu verführerisch der Gedanke an den ultimativen Werbespot, hypnotische Soundtrack und die Möglichkeiten der unhörbaren Verführung.

Im Westen nichts Neues, denn - so Michael Hutchison, Autor von Megabrain und Megabrain Power (Junfermann Verlag) - trainieren amerikanische Elitesoldaten schon seit längerem mit Musik. Weniger mit Mozart, Bach und Beethoven, sondern mit einem speziell designten Frequenzgemisch, das auf typische EEG-Muster von besonders leistungsfähigen und reaktionsschnellen Soldaten basiert. Ihre Daten werden analysiert, psychoakustisch aufbereitet und auf CD gebrannt, evozieren sie beim Hörer ähnliche Hirnstrombilder wie die der Top Guns - mit entsprechender Optimierung der Performance. Zukunftsmusik?

6. 6 Neuro-Feedback

Einen wichtigen Anteil an dieser Entwicklung haben bildgebende Verfahren (PET, SPECT, MEG, SQUID usw.) aus der Neurologie. Allerdings sind solche Geräte ziemlich teuer, weswegen sich die privaten Klangforscher auf den Umgang mit preiswerten Neurofeedback-Geräten spezialisiert haben (deren Rechenleistung bis vor wenigen Jahren ebenfalls nur Kliniken und Instituten zur Verfügung stand). Die nötige Technik kostet zwischen 5.000 und 15.000 DM und die Ergebnisse entwickeln sich zu einer Fundgrube für neue Einsichten in und über das Gehirn.
Denn während sich Medizin (und Psychologie) eher auf Krankheitsbilder und Störungen konzentrieren, beschäftigen sich Neurofeedback-Forscher lieber mit außergewöhnlichen Fähigkeiten und mentalen Spitzenleistungen. Man untersuchte Sportler, Jogis und Heiler, Menschen mit Psi-Kräften und Gedächtniskünstler, verglich die Daten und suchte nach Gemeinsamkeiten, bzw. Abweichungen. Das Wissen über Wirkung und Anwendung bestimmter Frequenzen ist zwar noch diffus, doch auch hier schlägt sich das Interesse der Industrie deutlich nieder: Beim diesjährigen Kongress für Neurofeedback in Palm Springs hielten sich mehrere Referenten - aufgrund der Anweisung ihrer Anwälte - mit präzisen Angaben zurück und verwiesen auf laufende Verhandlungen.
Dahinter steht (vor allem in den USA) die Spekulation über gesellschaftliche Entwicklungen, die nicht nur Forscher anzieht, sondern auch Heerscharen von Anwälten und Investoren.

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6. 7 Kondratieff-Zyklus Gesundheit

Wohin wird sich die Wirtschaft in den postinformellen Jahren entwickeln? In Richtung individuelle, kollektive und planetare Gesundheit, so der Kölner Wirtschaftswissenschaftler und Experte für Informationstechnologie, Leo Nefiodow. Er beruft sich dabei auf die Kondratieff-Zyklen, soziochronologische Wellen von mehreren Jahrzehnten Dauer, die der russische Wirtschaftswissenschaftler Nikolai Kondratieff postulierte. Der nächste Zyklus, so Leo Nefiodow und Kollegen, gehört den Megabranchen Bildung und Gesundheit. Innovationen aus der Medizin- und Gentechnik, funktionale Ernährung, Krankendienste und neue Psychotechniken sollen für einen ungewohnten Aufschwung von Körper, Geist und Seele sorgen, für eine "weitgehende Reorganisierung der Gesellschaft" – und für volle Kassen.
In diesen Kontext passt das Engagement des legendären Finanztycoons Michael Milken, der in den Achtzigern mit Junk-Bonds eine völlig neue Finanzbranche entwickelte und allein 1987 damit mehr als 500 Millionen Dollar verdiente. Michael Milken setzt inzwischen voll auf Kondratieff und ist überzeugt, dass "die zwei wichtigsten Aufgaben im 21. Jahrhundert in der medizinischen Forschung und der Bildung liegen". Zusammen mit Oracle-Gründer und Multimilliardär Larry Ellison investierte er in den letzten drei Jahren mehr als 500 Millionen Dollar in das gemeinsame Unternehmen "Knowledge Universe".

6. 8 Zukunftsmusik

In einem solchen Szenario könnten sich Psychoakustiker, Klangschamanen und DJ-Doktoren im Schnittfeld zwischen Genesungsoper und vibrationaler Medizin ansiedeln und sich als Dramaturgen der Gruppenresonanz bewähren. All das ist noch Zukunftsmusik, andererseits, um noch mal Micky Remann zu zitieren:
"Europa mag darüber jammern oder jubeln: Tatsache ist, dass ein west-östliches Innovationsgefälle existiert und dass Neuerungen aus Psychologie, Technologie und Heilkunst hier erst dann beachtet werden, nachdem sie in den USA, bevorzugt an der Pazifik-zugewandten Seite, ihre Embryonalphase bereits durchlaufen haben. Dort ist es beinahe selbstverständlich, dass Heilung und Kunst schon wiedervereinigt, Forschung und Hedonismus einander nicht mehr fremd sind, und dass Therapie ein Konzertereignis sein kann, bei dem Musik und Körper nichts anderes zu tun haben, als sich an ihren gutgestimmten Klängen zu erfreuen."

Und wo bitte steht, dass Medizin möglichst kompliziert, ungenüsslich, lieblos, ineffektiv, teuer, einfarbig und unmusikalisch daherkommen muss? In diesem Sinne: Ohren auf!

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(Abschnitt 6 zum Teil zitiert nach: Psychoakustik von Lutz Berger)