View
59
Download
6
Category
Preview:
Citation preview
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
Recommended