Die Umwandlung von Schall in neuronale Informationen und die sich daraus ergebenden Möglichkeiten des räumlichen Hörens; Beispiele aus der Akustik und dem Alltag

Inhalt:

1. Biologische und physikalische Grundlagen des Hörens
1.1. Was ist Schall?
1.2. Vom Außenohr zum Hörorgan
1.3. Das Hörorgan
1.4. Die Hörbahn: Vom Hörorgan zum Gehirn

2. Möglichkeiten zur Ortung des Schalls im Raum
2.1. Entfernungsbestimmung
2.2. Ortung des Raumwinkels
2.2.1. Binaurale (zweiohrige) Mechanismen
2.2.2. Schallortung mit einem Ohr

3. Beispiele aus der Akustik und dem Alltag
3.1. Schallverstärkung
3.2. Zwei Aufnahme- und Wiedergabeprinzipien
3.3. Der Cocktail-Party-Effekt
3.4. Das Verlangen nach räumlichem Hören
3.5. Virtuelle Akustik

Quellenverzeichnis

1. Biologische und physikalische Grundlagen des Hörens

1.1. Was ist Schall?

Prinzipiell entsteht Schall da, wo ein Medium (z.B. Luft) in Schwingung versetzt wird. In Luft beträgt die Schallgeschwindigkeit ca. 343 m/s, was jedoch keinesfalls bedeutet, dass sich ganze Luftmassen mit dieser Geschwindigkeit bewegen, sondern die Luftmoleküle werden von einer Schallquelle angestoßen; zunächst die angrenzenden, und diese stoßen dann wiederum die nächsten an und so weiter, so dass eine kugelförmige Druckwelle entsteht (im Gegensatz zu den kreisförmigen Wellen im Wasser, die oft zu Vergleichen herangezogen werden). In vielen anderen Medien breiten sich Schallwellen wesentlich schneller aus, wie z.B. in Wasser (1438,8m/s) oder in Eisen (fast 9000 m/s).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Im Wesentlichen lässt sich Schall in Rauschen und Töne ordnen. Als Ton wird eine regelmäßige Schwingung bezeichnet, während ein Rauschen aus ungeordneten Luftteilchenbewegungen besteht. Ähnlich wie weißes Licht letztlich aus allen Farben besteht, sind im so genannten „weißen Rauschen“ alle Frequenzen gleichermaßen vorhanden. Diese Unterschiede kann man auf einem Oszillografen auch grafisch darstellen, das Ergebnis wäre im einen Extrem eine Sinuskurve (Ton), im anderen eine unregelmäßig gezackte Linie (Rauschen). Ein Sinuston lässt sich leicht durch zwei Eigenschaften mathematisch darstellen: durch die Amplitude der Schwingung und durch die Anzahl der Schwingungen pro Sekunde (1 Hz = 1 Schwingung/Sekunde). Die Amplitude ist für die Lautstärke entscheidend, die Frequenz für die Tonhöhe.

Da jede Art von Schall sich kugelförmig ausbreitet, verliert die Druckwelle schnell an Energie. Die Vergrößerung der Kugeloberfläche verhält sich quadratisch zur Entfernung (Radius), d.h. bei doppelter Entfernung von der Schallquelle ist die Oberfläche bereits viermal so groß (s. Abb.1).

1.2. Vom Außenohr zum Hörnerv

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Zunächst wird der Schall von der Ohrmuschel „aufgefangen“ und nach innen weitergeleitet. Welche Rolle hierbei die Form der Ohrmuschel spielt, wird später erläutert. Der nun folgende ca. 2,5 cm lange Gehörgang dient als Resonanzrohr, und somit zur Verstärkung des Eingangssignals, für Schwingungen zwischen 2 und 5,5 kHz, welche besonders zum Sprachverständnis wichtig sind.

Nun schließen sich das Trommelfell und die drei Gehörknöchelchen („Hammer“, „Amboss“ und „Steigbügel“) an. Diese Kette (Mittelohr) bereitet den ankommenden Schall vor: Durch die Umwandlung von großen, schwachen Schwingungen am Trommelfell in kleinere, stärkere am so genannten „ovalen Fenster“, das den Übergang vom Mittelohr zum Innenohr markiert, wird der Schalldruck erhöht. Diese Erhöhung resultiert auch daraus, dass das Trommelfell größer ist als das ovale Fenster und somit ein Fokussierungseffekt entsteht. Dies ist notwendig, weil das Innenohr mit Wasser gefüllt ist, und beim Übergang von Luft in Wasser verliert Schall bis auf ein Tausendstel seine gesamte Energie, da er, ähnlich wie Licht, von der Grenzfläche reflektiert wird. Bei Beethoven war das die Gehörknöchelchen umgebende Gewebe verhärtet, so dass sie in ihrer Beweglichkeit gehindert waren und den Schall nicht mehr ausreichend verstärkten.

Außer der Schalluntersetzung wirkt das Mittelohr auch noch wie eine Pupille, die mehr oder weniger Licht ins Innere des Auge gelangen lassen kann: zwei Muskeln am Hammer und am Steigbügel sind in der Lage, sich reflexartig zusammen zu ziehen und somit wiederum durch die Blockierung der Knöchelchen den ankommenden Schall zu dämpfen.

1.3. Das Hörorgan

Als Hörorgan wird die Schnecke (lat. Cochlea) bezeichnet. Sie schließt sich an das ovale Fenster an und ist kompliziert aufgebaut. Sie besitzt ungefähr zweieinhalb Windungen und wird durch die Basilar- und die Tectorialmembran der Länge nach in drei Kanäle unterteilt, die mit Flüssigkeit gefüllt sind. Durch die Schallwellen, die am ovalen Fenster auftreffen, wird in der Flüssigkeit eine Welle ausgelöst, die dann, je nach Frequenz unterschiedlich weit, Richtung Ende (Apex) der Schnecke wandert. Dieser Effekt entsteht folgendermaßen: Die Basilarmembran ist an der Basis vergleichsweise schmal und steif, und wird dann zum Apex hin breiter und elastischer und somit träger. Dadurch wird die Amplitude einer Welle mit zunehmender Entfernung von der Basis größer, die Welle wird jedoch langsamer, bis sie am so genannten Resonanzpunkt stehen bleibt. Höhere Frequenzen werden von der zunehmenden Trägheit der Basilarmembran nicht so stark beeinflusst wie niedrige, so dass dieser Punkt bei ihnen näher am Apex liegt.

Auf der Basilarmembran befinden sich ca. 3500 in einer bestimmten Struktur angeordneten Haarzellen, die zusammen das Cortische Organ bilden. Die Haarfortsätze dieser Zellen werden durch die Impulse in der Flüssigkeit bewegt. Diese noch mechanischen Impulse werden nun in elektrische umgewandelt: Die im Ruhezustand halb geöffneten Spitzen der Haarzellen lassen dabei, je nach Verbiegung, mehr oder weniger Ionen ins Innere der Zellen gelangen. Durch den so entstehenden Ionenkonzentrationsunterschied zwischen dem Innern der Zelle und ihrer Umgebung entsteht eine Spannung an der Zellmembran. Je nach Stärke dieser Spannung wird eine entsprechende Menge von chemischen Botenstoffen (Neurotransmittern) ausgeschüttet. Neuronen im so genannten Spiralganglion empfangen diese mittels ihrer Fasern (Axone) und wandeln sie wieder in Spannung um. Ist diese groß genug, feuert das Neuron ein Aktionspotential, das durch die Axone des Nucleus cochlearis, der den Beginn der „Hörbahn“ darstellt, aufgenommen wird (s. Abb.3).

Das Öffnen und Schließen des Ionenkanals der Haarzellen und die damit verbundene Generierung eines elektrischen Impulses geschieht innerhalb von 10 Mikrosekunden, was den Hörsinn um zwei bis drei Zehnerpotenzen schneller macht als das Sehen oder das Riechen.

1.4. Die Hörbahn: Vom Hörorgan zum Gehirn

Mit „Hörbahn“ ist die Summe der Zellen und Axone, die den Impuls vom Innenohr zur Großhirnrinde leiten, gemeint. Dieser Impuls wird jedoch nicht nur weitergeleitet, sondern vielmehr verarbeitet, gewissermaßen „vorverdaut“. Der am Kortex ankommende Impuls wird beim Durchlaufen der Hörbahn mit immer mehr Informationen angereichert. An Abb.3 sieht man zum einen, dass dabei die Anzahl der beteiligten Neuronen stetig steigt. Die Ursache hierfür ist die immer komplexere Analyse des Impulses, anders gesagt, je weiter er in Richtung Kortex dringt, desto detaillierter wird er dargestellt. Zum andern wird der Impuls nicht nur in eine Richtung weiterverarbeitet und -gereicht, sondern es gibt auch Quer- und Rückverbindungen. Die rückwärts verlaufenden Axone geben Informationen vom Gehirn bis zurück an die Haarzellen, so dass bereits bei der Entstehung des elektrischen Impulses das Hören auf bestimmte Aspekte des Gehörten fokussiert werden kann. Welche der Nuclei (Kerne mit Ansammlungen von Neuronen, s. Abb. 3) auf welche Weise an der räumlichen Ortung des Schalls beteiligt ist, wird im nächsten Kapitel beschrieben. Auf die anderen soll hier nicht eingegangen werden.

2. Möglichkeiten zur Ortung des Schalls im Raum

2.1. Entfernungsbestimmung

Die Entfernung einer Schallquelle lässt sich zunächst nur bei bekannten Geräuschen bestimmen; hier ergänzt ansonsten das Sehen den Hörsinn. Sind solche aber vorhanden, bestehen zwei Möglichkeiten der Entfernungsbestimmung: Die eine Möglichkeit ist die Lautstärke (Intensität) eines Schalls, beispielsweise kennt man die Lautstärke eines PKW-Motors und kann sich daraus die ungefähre Entfernung eines Autos herleiten. Als zweites verwenden wir das Frequenzspektrum eines ankommenden Schalls, um seine Entfernung abzuschätzen: Tiefe Frequenzen werden in der Luft besser weitergeleitet als hohe. Dies ist aber von der Luftfeuchtigkeit abhängig, so dass auch diese Möglichkeit zur Entfernungsbestimmung vage bleibt.

Sofern die Raumgröße aber ungefähr bekannt ist, kann die Entfernung einer Schallquelle relativ genau durch das Verhältnis von Direktschall und ersten Reflexionen bestimmt werden. Dominiert der Direktschall, ist die Schallquelle näher, dominieren die ersten Reflexionen, ist sie weiter entfernt. Dies kann folgendermaßen veranschaulicht werden: Löscht man in einem reflexionsarmen Raum das Licht, so hört sich z.B. aus einer Entfernung von fünf Metern Gesprochenes an, als ob der Sprecher direkt vor einem stünde.

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