Psychoakustik

Ich hatte in meiner Harmonielehre früher mal eine Lektion darüber gemacht. Mal schau, ob die hier hineinpasst mit allen Links und so:




Psychoakustik und andere Verblüffungen


Die Psychoakustik befasst sich mit der Beziehung zwischen dem menschlichen Schallempfinden und dem physikalischen Schallereignis.

Was überhaupt können wir hören? Ein Schallereignis, welches unser Ohr wahrnehmen kann, muss erst einmal eine gewisse Lautstärke aufweisen. Unterhalb dieser 'Hörschwelle' nehmen wir es nicht wahr.
Auf der anderen Seite kann ein Schallereignis so laut sein, dass es uns schmerzt; es hat die 'Schmerzgrenze' erreicht. Natürlich nehmen wir noch lautere Ereignisse wahr, wir würden uns aber die Ohren zu halten oder erlitten Schädigungen am Trommelfell, Mittel- oder Innenohr.


Schmerzgrenze 130 dB unerträglich
Rockkonzert, Düsentriebwerk 120 dB unerträglich
Presslufthammer 110 dB unerträglich
Diskothek, Sägewerk 100 dB unerträglich
Fabrikhalle, LKW 90 dB laut
Straßenverkehr, PKW 80 dB laut
Lautes Rufen, Mofa 70 dB laut
Büro 60 dB leise
Unterhaltung 50 dB leise
Flüstern 40 dB leise
Blättergeräusch 30 dB ruhig
Atmen 10 dB ruhig
Hörschwelle 0 dB still

Weiter kommt hinzu, dass wir nur einen bestimmten Bereich der Schallwellen hören können. Ist die Schallschwingung zu langsam, unter 16 bis 21 Hz, so hören wir keinen Ton, allenfalls können wir tiefere Frequenzen als Vibration wahrnehmen.

Hier ein Sinuston, der um diese untere Hörgrenze schwankt. Wer nichts hört, dessen Boxen übertragen diese Frequenzen nicht mehr. Mit einem Kopfhörer aber sollte was zu hören sein.



Man könnte die Fähigkeit, Töne zu hören, auch als die Unfähigkeit, Einzelschwingungen auseinanderzuhalten, bezeichnen. Wir können mehr als 16 Ereignisse in der Sekunde nicht auseinander halten. Wäre unsere Reaktionszeit schneller, so könnten wir auch einen Ton, der 50 mal in der Sekunde schwingt (50Hz), als Einzelwellen wahrnehmen. Wir sind aber zu langsam und dieses Unvermögen beschert uns erst das Tonempfinden in diesen tiefen Frequenzbereichen.
Es ist der gleiche Effekt wie im optischen Bereich, wo die Einzelbilder eines Films nicht mehr auseinandergehalten werden können, beginnt der Film. Ich kann mit zwei Fingern in einer Sekunde ungefähr zehn mal auf die Tischplatte tippen, mehr ist nicht drin. Das macht einen Rhythmus und noch keinen Ton. Es ist also anzunehmen, dass Mücken, die 1500 mal in der Sekunde mit den Flügeln schlagen können, erst Töne über 2000 Hz als solche wahrnehmen.

Schwingungen unter 16 Hz, die wir nicht mehr als Tonhöhe wahrnehmen, nennt man Infraschall.

Die höchsten Frequenzen, die wir hören können, liegen bei 21.000 Hz. Im Alter sinkt diese Grenze stark ab. Über 21 kHz fängt der Ultraschall an, den zum Beispiel Fledermäuse zur Navigation benutzen.
Hier eine Sinuswelle, die kontinuierlich von 10 bis 20.000 Hz ansteigt. Bitte macht die Lautsprecher vorher leiser, die Datei ist sehr laut.

Hier eine Sinuswelle, die kontinuierlich von 10 bis 20.000 Hz ansteigt:



Durch die beschriebenen Grenzen und Schwellen ist die menschliche 'Hörfläche' begrenzt:



Die Frequenz der Sinuskurve im letzten Hörbeispiel habe ich kontinuierlich erhöht. Der gehörte Eindruck ist aber, dass die Tonhöhe erst rasch und im Laufe der Zeit immer langsamer ansteigt. Das liegt nahe, wissen wir doch, dass sich die als gleich groß empfundene Oktave immer aus der Verdoppelung der Grundfrequenz ergibt, z.B. 16, 32, 64, 128, 256,... Hertz. Wir hören quasi logarithmisch.

Dass dies auch bei der Lautstärke der Fall ist, sollen folgende beiden Hörbeispiele zeigen:





Ein Sinuston wird stufenweise lauter und wieder leiser. Während beim ersten Beispiel die empfundenen Lautstärkestufen verschieden groß sind, werden sie im zweiten Beispiel als gleich groß wahrgenommen. Um die Stufen gleich groß zu bekommen, reichte es nicht aus, die Lautstärke immer um den gleichen Betrag zu erhöhen. Je lauter der Ton, um so mehr Lautstärkezuwachs war nötig, um ein gleichgroß gefühlte Steigerung zu erzielen. Auch hier steht die Lautstärkeempfindung im logarithmischen Verhältnis zur physikalischen Lautstärke.


Wie empfindlich ist unser Gehörsinn?

Zuerst wieder zur Lautstärke. Wie empfindlich sind wir für Lautstärkeunterschiede? Das ist einfach zu testen, indem man zwei unterschiedlich laute Töne aneinander schneidet. Wir hören einen 1 kHz-Ton, den ich nach 5 Sekunden etwas leiser gemacht habe. Kann man noch zwei unterschiedliche Lautstärken wahrnehmen?



Ich meine, einen Lautstärkeabfall wahrzunehmen.
Bei dem folgenden Ton kann ich das nicht mehr wirklich:



Hatte ich beim ersten Ton die Lautstärke um 10% verringert, so waren es beim zweiten 4%. Egal in welcher Lautstärke man es hört, einen Lautstärkeunterschied von unter unter 4% ist nicht mehr wahrnehmbar. Ich finde, wir sind in diesem Belang nicht sehr empfindlich.

Wie sieht das nun bei der Tonhöhe aus? Das gleiche Experiment wie zuvor, nur mit verschiedenen Tonhöhen. Hier ändert sie sich nach 2,5 Sekunden:





Der erste Ton fängt auf 1000 Hz an und steigt auf 1001 Hertz an. Nicht wahrzunehmen oder? Beim Zweiten sind es 1000 zu 1003 Hertz, die mit etwas Konzentration zu hören sind.


Das bedeutet, dass wir in der Tonhöhe prozentual wesentlich empfindlicher sind als bei der Lautstärkenwahrnehmung. Die Wahrnehmungsschwelle bei der Lautstärke lag in etwa bei 5%, bei der Tonhöhe sind es gerade mal 0,2%.



Sie gehören zwar nicht direkt zur Psychoakustik, dennoch will ich ein paar weitere akustische Phänomene hier besprechen.

Wir hören eine kleine Saxophonmelodie:



Ich habe diese Melodie kopiert und in die gleiche Datei addiert, gerade so, als würden 2 Saxophone zugleich spielen:



Nun die Frage: Ist die zweite Datei mit dem Duo doppelt so laut wie die erste? Meinem Eindruck nach ist sie zwar lauter, aber gewiss nicht doppelt so laut. Das liegt daran, dass sich die Wellen nicht nur addieren, sondern dass sich Wellenberge und -täler auch gegenseitig neutralisieren.
Man kann sich das deutlich machen, indem man an einen ruhigen See denkt, in den man in einem gewissen Abstand zwei Steine wirft. Erst einmal treffen die Wellen in einem schrägen Winkel aufeinander, können sich also nicht parallel laufend aufschaukeln. Zum anderen stellen wir fest, dass das Wasser im gemeinsamen Schwingungsbereich zwar unruhiger ist, aber keine Anstalten macht, plötzlich doppelt so hohe Wellen zu schlagen.

Um ungefähr die doppelte Lautstärke zu erhalten, habe ich sechs Saxophonstimmen übereinander kopiren müssen:




Nun eine ganz andere Baustelle: die Hüllkurve eines Tones.

Der Begriff Hüllkurve für das Lautstärkeverhalten eines Tones kommt aus der Synthesizertechnik. Die Hüllkurve eines Tones bestimmt dessen dynamischen Charakter.

Führen wir uns ein paar Dynamikkurven (Hüllkurven) vor Augen und Ohren. Bei der Gitarre fängt der Ton sehr plötzlich an, seine Lautstärke fällt schnell wieder ab, klingt aber noch länger nach. In einer Wave-Datei kann man das optisch schön sehen:






Ähnliche Hüllkurven liefern etwa Harfe, Xylophon oder zum Beispiel ein Klavier:




Anders bei der Orgel. Durch den stetigen Luftstrom des Blasebalgs hat die Orgel die Möglichkeit, einen Ton ohne Lautstärkeunterschied zu halten. Ihr Ausschwingvorgang ist eher kurz.

Zur einer dritten Gruppe von Instrumenten gehören die Blasinstrumente. Einschwingverhalten, Dauer und Lautstärke ihrer Töne sind durch den Spieler bestimmt und frei gestaltbar. Unter dem kreativem Aspekt ein Gewinn, andererseits eine gehörige Schwierigkeit, weil man hier alle Parameter auch beherrschen lernen muss. Während der Pianist schon in der ersten Unterrichtsstunde ein perfekt klingendes C spielen kann, schaffen Bläser das nur mit einer gehörigen Portion Übung.

Zu gleichen Gruppe von Instrumenten gehören auch die Streichinstrumente.

Cello:






Auch beim Gesang bestimmt man das Schwingungsverhalten selber:





Die Hüllkurve eines Instrumentes bestimmt also dessen Charakter enorm. Es ist gar nicht so leicht, ein Instrument zu erkennen, wenn man ihm die instrumentenspezifische Hüllkurve nimmt:


Das, was hier wie ein kleines Modellflugzeug klingt, ist ein Loop eines Tonausschnitts von der kleinen Saxophonmelodie oben. So aus dem Zusammenhang gerissen, ohne ein- und auszuschwingen, könnte der Ton genau so gut von einem kleinen Motörchen stammen.
Wie wichtig die Hüllkurve zur Erkennung von Instrumenten ist, soll auch das nächste Beispiel zeigen:



Hier habe ich von einem Saxophonton den Anfang weggeschnitten. Übrig bleibt die eine abrupt einsetzende und ausklingende Welle.

Ich habe einen solchen Schnipsel mal als Sample benutzt und in einem Sequenzerprogramm als Instrument eingesetzt:



Hört sich an wie Hackbrett oder Zitter, ist aber alles aus einem reinen, wenn auch in der Tonhöhe variierten, Saxophonschnipsel entstanden.

Mit der Erfindung des Synthesizers wurde es unumgänglich, neben dem reinen Sound eben auch eine charakteristische Hüllkurve zu generieren. Es hat sich eine Praxis etabliert, die vier grundlegende Parameter zur Steuerung benutzt:
Attack (Anstieg), Decay (Abfall), Sustain (Halten), Release (Freigeben)




Neben dem Sound und diesen vier Parametern gehören mitunter noch weitere zum Charakter eines Tones, wie zum Beispiel Tonhöhen- oder Lautstärkevibrato.

Zum Schluss drei kleine Bonusdateien fürs Ohr. Inka berichtete neulich schon aus dem Wiener Haus der Musik über solch obskure Klänge:

Shepard Scale



Shepard-Risset-Glissando



Risset-Accelerando

 

Hier noch ein selber gemachter Risset. Dachte, dass müsste doch auch mit Harmonien gehen:



Und oben fehlt noch ein entscheidendes psychoakustisches Phänomen: Die subjektiv wahrgenommene Tonhöhe. Gucksu hier.

 

Es ist ein weites Gebiet. Das, was ich dazu schrieb, sind eher grundlegende Sachen. Der Spektrumsartikel geht um Mehrklänge und der gerade von @Refenrence54 verlinkte Artikel beschäftigt sich mit dem Raumklang.

Natürlich gehören die grundsätzlichen Fragen an den Anfang psychoakustischer Überlegungen. Wir können aber gerne weiterführende Fragen erörtern.

Als angenehm empfinden wir natürliche Töne. Natürlich heißt, dass ihre Obertöne in ganzzahligem Verhältnis stehen. Ist das nicht der Fall, so wird der Ton mehr und mehr unangenehm, rauh und geht ins Geräuschhafte.
Als angenehm empfinden wir Töne, die uns nicht zu laut sind und uns auch nicht auf andere Weise stören.
Als angenehm empfinden wir Töne, deren Hüllkurve uns vertraut erscheint.
Als angenehm empfinden wir Töne, die in einem musikalischen Kontext stehen, den wir verstehen und der in uns positive Gefühle auslöst. Das kann also von Person zu Person verschieden sein und ändert sich auch im Laufe der Zeit.
Als angenehm empfinden wir Töne, die wir mit Sachen verbinden, die wir positiv abgespeichert haben.

Aus den Thesen kann man leicht ableiten, warum wir Töne als unangenehm wahr nehmen.

Ein Ton ist ein Sinuston, ist zu schrill oder zu laut, stört uns bei der Konzentration, ist ununterbrochen zu hören oder Teil eines Helene Fischer Schlagers.

Weil eine Klarinette nur ungerade Teiltöne hat, damit weniger Obertöne und damit runder klingt.

Ab dann, wenn wir es als Lärm empfinden. Auch unterschiedlich. Die einen hören gerne die Kinder im Garten spielen, andere bezeichnen das als Lärm.

Rockmusik kann aggressiv machen oder auch nicht. Auch das liegt in der Anlage des Hörers. Beeinflussen tut Musik immer, auch wenn wir es nicht merken. Mich zum Beispiel nervt Musik im Kaufhaus. Das beeinflusst mich allerdings nicht im Sinne der Kaufhausbetreiber. Ich kaufe dann nämlich eher im Internet ein.


Ja klar, da gibt es noch tausende von Fragen. Musikalisch interessant in erster Linie natürlich die, die mit Rhythmus und Harmonien zu tun haben. Ein weites Feld.