Hören: Akustische Signale und Maßstäbe
Die Fähigkeit Hören zu können ist für den sprachbegabten Menschen besonders wichtig. Die Hörfähigkeit ist aber älter als die menschliche Sprache und dient nicht nur der sprachlichen Kommunikation.
Durch seine Hörfähigkeit wird der Mensch akustisch in seine Umwelt eingebunden. Bewusst und unbewusst achtet er auf Geräusche, die er ständig aus seiner nahen und fernen Umgebung empfängt, und nimmt wahr, woher sie kommen. Das ist eine wichtige Leistung des Hörorgans, auf die die Menschen nur ungern verzichten. Geräusche die er selbst verursacht, geben ihm eine akustische Rückmeldung zur Regelung seines Verhaltens, insbesondere der eigenen Stimme. Man erkennt das an der Sprechweise von Taubstummen, die sich nicht hören können.
Auf Veränderungen unserer akustischen Umwelt, die uns beim Sprechen stören, reagieren wir sehr empfindlich. Wenn beispielsweise die akustische Rückmeldung der eigenen Stimme aus einem Lautsprecher um 100 bis 200 Millisekunden verzögert wird, kann der Lee-Effekt eintreten: Man spricht langsamer, wird stimmlich unsicher und hört mit dem Sprechen schließlich ganz auf. Auch der Raum, in dem wir uns befinden, beeinflusst unser Sprechen.Wir sprechen in großen Räumen wegen des längeren Nachhalls langsamer als in kleinen. Auch mit geschlossenen Augen können Menschen hören, ob sie sich im Freien, in einem engen oder in einem großen Raum befinden.
Besonders kompliziert sind die akustischen Verhältnisse in einem Konzertsaal. Viele Schallwellen überlagern sich dort, werden reflektiert oder absorbiert. Den Klangeindruck, den die Ohren in einem Konzert wahrnehmen, können Tontechniker nur mit viel Mühe und erheblichem technischem Aufwand konservieren. Die Situation lässt sich durch Stereoaufnahmen und mehrere Lautsprecher bei der Wiedergabe oft nur näherungsweise rekonstruieren. Zu besonders guten Ergebnissen führen Aufnahmen mit Kunstkopfmikrofonen, die sich in einer Nachbildung eines menschlichen Kopfes am Ende der äußeren Gehörgänge befinden. An solchen Aufzeichnungen lässt sich auch studieren, was man während des Konzerts bemerken kann, wenn man sich abwechselnd eines der Ohren zuhält: Selbst auf den besten Plätzen eines Konzertsaales erhalten die beiden Ohren keineswegs gleiche, sondern recht verschiedene akustische Reize.
Die akustisch so komplizierte Umwelt lässt sich in schallisolierten Räumen vereinfachen. Viele Forschungsergebnisse beruhen auf Experimenten in solchen Räumen. Das Hörerlebnis und die Sprechfähigkeit wird jedoch durch die Vereinfachung der akustischen Umwelt nicht erleichtert, sondern erschwert: Man fühlt sich wie in einem dichten Schneegestöber oder unter einem Daunenkissen. Das Hörorgan liefert offensichtlich bessere Ergebnisse unter den komplizierteren Verhältnissen der normalen akustischen Umwelt, für die es im Laufe der Evolution entwickelt wurde.
Akustische Signale
Ein einfacher Schallreiz besteht aus sinusförmigen akustischen Wellen mit nur einer Frequenz und breitet sich nach allen Seiten kugelförmig aus. Die von einer Stimmgabel ausgehenden Schallwellen kommen dieser Vorstellung nahe. Darum eignen sie sich zur Einführung in die akustische Reizphysik.
Akustische Signale mit nur einer Frequenz sind allerdings in der Natur selten. Tatsächlich ist der wahre Sachverhalt auch schon bei der Stimmgabel komplizierter. So machen sich im hellen Anklingen der Stimmgabel gleich nach dem Anschlag auch Schwingungen anderer Frequenzen bemerkbar, die aber schnell verschwinden. Die Vorstellung von der kugelförmigen Ausbreitung des Schalls ist nur näherungsweise richtig: Wenn man eine tönende Stimmgabel vor dem Ohr um ihre Längsachse dreht, wird der Ton lauter und leiser.
Am Meer oder auch in der Badewanne sieht man, wie Wasserwellen in verschiedenen Richtungen durcheinander laufen. Sie werden durch Überlagerung verstärkt oder abgeschwächt und an Hindernissen gestreut, absorbiert oder reflektiert. Diese Beobachtungen sind im Prinzip auch auf akustische Wellen übertragbar. Nicht so leicht zu beobachten, aber wichtig, sind die Veränderungen akustischer Signale bei der Fortleitung. Die Absorption der Schallenergie in der Luft ist von der Länge des Schallweges und der Frequenz abhängig. Von einem weit entfernten Blitzeinschlag hört man deshalb nur noch ein tiefes, dunkles Rumpeln, wogegen ein in der Nähe einschlagender Blitz einen scharfen, knallartigen Donner verursacht. Vom nahen Blitzeinschlag erreichen uns fast alle Schallwellen, vom weiter entfernten dagegen nur die tieffrequenten, weil die höherfrequenten in der Luft absorbiert wurden.
Frequenz- und damit wellenlängenabhängig ist auch das Verhalten der Schallwellen an akustischen Hindernissen. Sind die Wellenlängen größer als die Hindernisse, läuft der Schall ungestört weiter, sind sie aber kürzer, entstehen hinter den Hindernissen Wellenschatten. Die Wellenlängen des Schalls im Hörbereich des Menschen reichen von 17 Meter am unteren Ende der Frequenzskala (20 Hz) bis zu 1,7 Zentimeter am oberen Ende (20 kHz). Die Wellenlängen sind somit je nach Frequenzbereich größer oder kleiner als der Kopf. Bei hohen Frequenzen und Schalleinfall von der Seite liegt folglich das Ohr auf der anderen Seite des Kopfes im Schallschatten. Bei tiefen Frequenzen wirkt sich das nicht aus. Dieser Sachverhalt ist wichtig für das räumliche Hören.
Ein auffälliges Hörphänomen liefert der Doppler-Effekt. Die Geräusche eines schnell vorbeifahrenden Fahrzeugs klingen so, als sacke ihre Tonhöhe ab. Die von dem Auto ausgehenden Geräusche und die Schallgeschwindigkeit in der Luft ändern sich natürlich nicht, wenn das Fahrzeug vorbeirast. Die Schallfrequenzen, die vor und hinter dem Auto zu messen wären, sind jedoch verschieden.
Welche Tonhöhe hören wir?
In fast allen Geräuschen können wir eine Tonhöhe erkennen. Wer mit dem Fingernagel über einen Kamm streicht, kann sich davon überzeugen. Je schneller er streicht, desto höher ist der Ton. Bei den einfachen sinusförmigen Schallwellen der Stimmgabel besteht ein eindeutiger Zusammenhang zwischen Frequenz und Tonhöhe. Welche Tonhöhe hört man aber bei komplizierteren akustischen Signalen mit vielen überlagerten Schallfrequenzen? Bei harmonischen Schwingungen hört man nur einen Ton mit einer Tonhöhe, obwohl sie aus mehreren überlagerten Wellen verschiedener Frequenzen bestehen. Die gehörte Tonhöhe entspricht dabei der Grundschwingung. Es gibt keine physikalische Ursache für die Verschmelzung der Grund- und Oberwellen zu einer Tonempfindung. Darin zeigt sich vielmehr die für das menschliche Hörorgan typische Verarbeitung von harmonischen Schwingungskombinationen. Unterdrückt man bei einer harmonischen Schwingungskombination die Grundwelle, hört man einen um eine Oktave höheren Ton. Diese neue Tonhöhe entspricht der Frequenz der ersten Oberwelle, die nun zur Grundwelle geworden ist.
Die meisten akustischen Signale bestehen jedoch aus nichtharmonischen Schwingungskombinationen. Die Frequenzen der einzelnen Komponenten, in die man diese Signale zerlegen kann, sind keine Vielfache voneinander. Wir hören selbstverständlich auch bei diesen Schwingungskombinationen Tonhöhen. Sie entsprechen aber nicht immer der Grundschwingung. Bei Kirchenglocken hört man zum Beispiel manchmal einen Ton, dessen Höhe zu keiner der Schwingungsfrequenzen passt. Wie das möglich ist, wird heute mit elektronisch gesteuerten Lautsprecheranlagen untersucht, bei denen man nichtharmonische Schwingungen überlagern und einzelne Komponenten ein- oder ausschalten kann. Mit derartigen Anlagen kann man gut demonstrieren, dass in nichtharmonischen Wellengemischen die Tonhöhe unverändert hörbar bleibt, auch wenn die zugehörige Grundfrequenz im Reiz herausgefiltert wird. Man nennt die verbleibende gehörte Tonhöhe Residuum (lateinisch: Überbleibsel). Das Residuum fasziniert die Forscher bis heute, nachdem es August Seebeck 1841 entdeckte. So lange man das Residuum nicht befriedigend erklären kann, hat man die Wahrnehmung der Tonhöhe nicht vollständig verstanden.
Bei harmonischen und nichtharmonischen Schwingungen bleiben die höheren Frequenzkomponenten in der Regel unhörbar. Mithilfe von Resonatoren kann man sie aber verstärken. Hermann von Helmholtz verwendete dazu große luftgefüllte Gefäße mit bestimmten Resonanzfrequenzen, die er an seinen äußeren Gehörgang anpasste. Mit diesen Resonatoren vor dem Ohr gelang es ihm, bestimmte harmonische Schwingungen so weit zu verstärken, dass er sie einzeln aus den Mischungen heraushören konnte. In einem solchen Fall hört man einen Oberton oder Partialton. Obwohl die Oberwellen normalerweise keine hörbaren Obertöne hervorrufen, sind sie wichtig, bestimmen sie doch die Klangfarbe. Die Oberwellenspektren sind die Ursache für verschiedene Klangfarben. Entscheidend für die verschiedenen Klangfarben sind die Schwingungsspektren der Ein- und Ausschwingungsvorgänge am Anfang und Ende der Tonreize. Je reicher das Oberwellenspektrum, desto schärfer und spitzer klingt der Ton. Bei weichen Horn- und Orgeltönen steckt dagegen die meiste Energie in der Grundwelle des Reizes.
Der Hörbereich des Menschen ist begrenzt
Die Leistungsgrenzen des menschlichen Gehörs lassen sich bei einem einfachen sinusförmigen akustischen Reiz durch systematisches Variieren der Amplitude und der Frequenz finden. Wird die Amplitude zu groß, erreicht man die Schmerzgrenze, ist sie zu klein, hört man nichts mehr. Für die Frequenz gibt es ebenfalls eine Ober- und eine Untergrenze. Die Ultraschalllaute der Fledermäuse liegen oberhalb, die Infraschallsignale der Elefanten unterhalb des menschlichen Hörbereiches. Der Schalldruck, genauer die Amplitude der Schalldruckwellen, sind die Oszillationen, welche Hörwahrnehmungen hervorrufen. Der Mittelwert des Schalldrucks ist der atmosphärische Luftdruck. Der Schalldruck wird heute in der Regel in der Einheit Pascal (Pa = N/m2), der Luftdruck dagegen in der viel größeren Einheit Millibar (mbar) angegeben. Dass hier mit zweierlei Maß gemessen wird, hat seinen Grund. Der natürliche Luftdruck schwankt mit dem Wetter um mehr als 100 mb. Hörbar sind dagegen bereits akustische Signale, die um nur 1/100 000 000 000 vom mittleren Luftdruck abweichen. Darum benutzt man für den Luft- und den Schalldruck verschiedene Maßstäbe.
Die Hörempfindlichkeit des Menschen ist im Frequenzbereich zwischen 2 kHz und 5 kHz am größten. Diese Aussage kann man auch so formulieren: Der Schalldruck, der gerade noch ausreicht, um Hörempfindungen hervorzurufen, das heißt der Schwellenreiz, ist in diesem Frequenzbereich besonders klein. Der Ohrenarzt kann die Schwellenreize für alle Frequenzen des Hörbereichs bestimmen und in einer Schwellenkurve darstellen (Audiometrie). Wenn die Hörschwelle im gesamten Frequenzbereich oder in einem Teil davon erhöht ist, liegt ein Hörschaden vor. Ganz natürlich ist der altersbedingte Rückgang der Hörempfindlichkeit für hohe Frequenzen. Den hohen Gesang des Goldhähnchens können Menschen, die älter als 60 Jahre sind, kaum noch hören. Als Faustregel gilt, dass die obere Frequenzgrenze täglich um 0,5 Hz absinkt, im Alter eher schneller. Ältere Menschen beklagen manchmal, dass jüngere Zeitgenossen und sogar Schauspieler nicht mehr so deutlich sprächen, wie früher. Diesem Kummer kann man oft mit einem Hörgerät abhelfen.
Akustische Maßstäbe: Schalldruck, Schalldruckpegel und Lautstärke
Die Ordinate in der Abbildung zum Hörbereich des Menschen auf der nächsten Seite hat drei verschiedene Maßstäbe. Die Schalldruckskala reicht von 2·10-5 bis 2·102 Pa. Der größte zu berücksichtigende Schalldruck ist also 10 Millionen Mal größer ist als der kleinste. Wegen des riesigen Umfangs des hörbaren Schalldruckbereiches wurde die Ordinate nicht linear, sondern logarithmisch aufgetragen: Zwischen 10-3, 10-2, 10-1 usw. vergrößert sich der Schalldruck auf das jeweils Zehnfache. Dieser Maßstab passt zur Arbeitsweise des Hörorgans, da die Lautheitsempfindung nicht dem Schalldruck, sondern eher dem Logarithmus des Schalldrucks proportional ist. Das erinnert an das fechnersche Gesetz.
Die dB-Skala gibt den Schalldruckpegel wieder. Mit Pegel bezeichnet man in der Umgangssprache ein Maß oder einen Maßstab, zum Beispiel zur Bestimmung des Wasserstandes. In der Akustik ist der Schalldruckpegel dagegen willkürlich als ein logarithmisches Maß mit der Maßeinheit Dezibel (dB) definiert worden. Der Schalldruckpegel gibt nicht den Schalldruck an, sondern das Größenverhältnis zwischen dem gemessenen und dem kleinsten noch gerade wahrnehmbaren Schalldruck bei 1000 Hz. Die dB-Skala wird manchmal nicht auf den Schalldruck, sondern auf die Schallintensität bezogen, das heißt auf die Schallenergie, die in einer bestimmten Zeit auf eine bestimmte Fläche einwirkt. Die Intensität ist dem Quadrat des Schalldrucks proportional. Ist beispielsweise die Nachhallzeit um 60 dB gesunken, so ist der Schalldruck auf ein Tausendstel, die Schallintensität auf ein Millionstel abgefallen.
Vor der Erklärung der dritten Skala sind einige Erklärungen zum Begriff der Lautstärke notwendig. Ein ideales Messgerät für die Lautstärke von Geräuschen sollte akustische Signale so bewerten wie das menschliche Gehör. Das ist nur näherungsweise möglich, da die akustischen Wellen in der Regel nicht einzeln, sondern als Gemisch auftreten. Die Komponenten des Reizes werden aber im Hörorgan nicht unabhängig voneinander bewertet. Ein Reiz kann einen anderen, der alleine gut hörbar wäre, in der Wahrnehmung vollständig verdecken, also unhörbar machen. Die Empfindlichkeit des Menschen ändert sich auch mit dem Adaptationszustand. Man merkt das, wenn man in lauter Umgebung schreien muss, um gehört zu werden. Außerdem beeinflusst die subjektive Aufmerksamkeit die Bewertung der Schallereignisse. Ein Flüstern kann mehr stören als lauter Lärm. Aus dem Stimmengewirr einer Cocktailparty oder aus einem Orchester kann man einzelne Stimmen heraushören, wenn man sich auf sie konzentriert. Was als laut oder leise gelten soll, kann man offensichtlich nicht allein vom Schalldruck herleiten.
Trotzdem gibt es Messgeräte für eine physikalisch genau definierte Größe, die Lautstärke genannt wird. Wenn die Geräte in Phon-Einheiten geeicht sind, liegen die Isophone der Bewertung zugrunde. Diese Kurven wurden experimentell gewonnen. Versuchspersonen stellten den Schalldruckpegel einfacher Reize verschiedener Frequenz so ein, dass sie ihn gleich laut wie einen Ton von 1000 Hz und 0 dB, 20 dB, 40 dB usw. wahrnahmen. Bei 1000 Hz fällt die Phonskala mit dem Schalldruckpegel zusammen. Moderne Geräte zur Lautstärkemessung sind meistens in dB(A) geeicht. Ihre Frequenzbewertung leitet sich von der 30-Phon-Kurve ab.
Die subjektive Lautheit
Mit Messgeräten kann man zwar feststellen, ob ein Geräusch die zulässige Obergrenze übersteigt, nicht aber, wie laut es den Menschen tatsächlich erscheint. Die subjektive Lautheit eines Geräusches kann man nur mit dem eigenmetrischen Verfahren bestimmen. Diese Methode führte gerade bei der Abschätzung der Lautheit zu erstaunlich zuverlässigen Ergebnissen.
Einem 1000-Hz-Ton mit der Lautstärke 40 Phon entspricht definitionsgemäß der Lautheitswert 1 Sone. Die Versuchspersonen fanden für größere und kleinere Lautstärken dieses Tones ihre subjektiven Sone-Skalen. Die Kurve des Diagramms leitet sich aus Messergebnissen vieler Menschen her. Danach steigt die subjektive Lautheitsempfindung oberhalb von 40 Phon entsprechend der in dem Diagramm angegebenen Potenzfunktion an. Aus den Werten der Messgeräte für die Lautstärke kann man die Lautheitswerte (Sone) berechnen. Unterhalb von 1 Sone weichen die gemessenen Ergebnisse von der hier gestrichelt eingezeichneten Potenzfunktion ab.
Ganz erstaunlich sind die Ergebnisse eigenmetrischer Bestimmungen der subjektiven Tonhöhe. In einem Experiment ordnen Versuchspersonen die wahrgenommene Tonhöhe einer Skala zu, die nach der subjektiv empfundenen Einheit »mel« eingeteilt ist. Die rote Kurve in der Abbildung beschreibt deren subjektive Tonhöhenempfindung; sie weicht erheblich von der musikalischen Tonhöhenskala ab, die rechts durch die Klaviatur angedeutet ist. Angesichts dieser Verhältnisse ist es verständlich, warum die Unterschiede zwischen den oberen Tönen des Klaviers kleiner erscheinen als die zwischen den tiefen. Einem Anstieg der Frequenz von 1 000 auf 2 000 Hz steht ein Zuwachs der Tonhöhe von nur 500 mel gegenüber. Die Tonabstände müssen deshalb kleiner erscheinen als weiter unten. Die musikalischen Tonleitern sind nach dieser Erkenntnis Kulturprodukte (allerdings mit ehrwürdiger Tradition) und nicht naturgegebene Ordnungen.
Prof. Dr. Christoph von Campenhausen
Weiterführende Erläuterungen finden Sie auch unter:
Ohr: Bau und Arbeitsweise
Literatur:
Eska, Georg: Schall & Klang. Basel u. a. 1997.
Hellbrück, Jürgen: Hören. Göttingen u. a. 1993.
Pierce, John R.: Klang. Musik mit den Ohren der Physik. Aus dem Amerikanischen. Sonderausgabe Heidelberg u. a. 1999.
Roederer, Juan G.: Physikalische und psychoakustische Grundlagen der Musik. Aus dem Englischen. Berlin u. a. 21993.