Physik

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Das menschliche Ohr hat eine enorme Reichweite und Empfindlichkeit. Es kann uns eine Fülle von einfachen Informationen liefern, wie Tonhöhe, Lautstärke und Richtung. Außerdem können wir mit Hilfe des Gehörs musikalische Qualität und Nuancen von Gefühlsäußerungen erkennen. Wie hängt unser Gehör mit den physikalischen Eigenschaften des Klangs zusammen, und wie funktioniert der Hörmechanismus?

Hören ist die Wahrnehmung von Klang. (Wahrnehmung wird üblicherweise als Bewusstsein durch die Sinne definiert, eine typisch zirkuläre Definition von Prozessen auf höherer Ebene in lebenden Organismen.) Das normale menschliche Gehör umfasst Frequenzen von 20 bis 20.000 Hz, ein beeindruckender Bereich. Töne unter 20 Hz werden als Infraschall bezeichnet, während Töne über 20.000 Hz als Ultraschall bezeichnet werden. Beide werden vom Ohr nicht wahrgenommen, obwohl Infraschall manchmal als Vibrationen empfunden werden kann. Wenn wir niederfrequente Schwingungen hören, wie z. B. die Geräusche eines Sprungbretts, nehmen wir die einzelnen Schwingungen nur deshalb wahr, weil in ihnen jeweils höherfrequente Töne enthalten sind. Andere Tiere haben einen anderen Hörbereich als wir Menschen. Hunde können Töne bis zu 30.000 Hz hören, während Fledermäuse und Delfine bis zu 100.000 Hz hören können. Sie haben vielleicht schon bemerkt, dass Hunde auf den Klang einer Hundepfeife reagieren, die Töne erzeugt, die außerhalb des menschlichen Hörbereichs liegen. Von Elefanten ist bekannt, dass sie auf Frequenzen unter 20 Hz reagieren.

Die Wahrnehmung von Frequenzen wird als Tonhöhe bezeichnet. Die meisten von uns haben ein ausgezeichnetes relatives Gehör, d. h. wir können erkennen, ob ein Ton eine andere Frequenz hat als ein anderer. Normalerweise können wir zwischen zwei Tönen unterscheiden, wenn sich ihre Frequenzen um 0,3 % oder mehr unterscheiden. Zum Beispiel sind 500,0 und 501,5 Hz deutlich unterschiedlich. Die Tonhöhenwahrnehmung steht in direktem Zusammenhang mit der Frequenz und wird von anderen physikalischen Größen wie der Intensität nicht wesentlich beeinflusst. Musiknoten sind bestimmte Töne, die von den meisten Instrumenten erzeugt werden können und in der westlichen Musik bestimmte Namen haben. Kombinationen von Noten machen Musik aus. Manche Menschen können Musiknoten wie Ais, C oder Es erkennen, indem sie sie einfach nur anhören. Diese ungewöhnliche Fähigkeit wird als perfekte Tonhöhe bezeichnet.

Das Ohr ist bemerkenswert empfindlich für Töne geringer Intensität. Die niedrigste hörbare Intensität oder Schwelle liegt bei etwa 10-12 W/m2 oder 0 dB. Geräusche mit einer Intensität von bis zu 1012 können kurzzeitig toleriert werden. Nur sehr wenige Messgeräte sind in der Lage, einen Bereich von einer Billion zu erfassen. Die Wahrnehmung der Intensität wird als Lautheit bezeichnet. Bei einer bestimmten Frequenz ist es möglich, Unterschiede von etwa 1 dB wahrzunehmen, und eine Änderung von 3 dB wird leicht bemerkt. Die Lautheit hängt jedoch nicht nur von der Intensität ab. Die Frequenz hat einen großen Einfluss darauf, wie laut ein Geräusch erscheint. Das Ohr reagiert am empfindlichsten auf Frequenzen im Bereich von 2000 bis 5000 Hz, so dass Töne in diesem Bereich als lauter empfunden werden als z. B. Töne mit 500 oder 10 000 Hz, auch wenn sie alle die gleiche Intensität haben. Geräusche in der Nähe der Hoch- und Tieffrequenzextreme des Hörbereichs erscheinen noch weniger laut, weil das Ohr bei diesen Frequenzen noch weniger empfindlich ist. Tabelle 1 zeigt die Abhängigkeit bestimmter menschlicher Hörwahrnehmungen von physikalischen Größen.

Tabelle 1. Schallwahrnehmungen
Wahrnehmung	Physikalische Größe
Tonhöhe	Frequenz
Lautheit	Intensität und Frequenz
Timbre	Anzahl und relative Intensität der verschiedenen Frequenzen. Subtile Handwerkskunst führt zu nichtlinearen Effekten und mehr Details.
Note	Grundeinheit der Musik mit spezifischen Namen, die kombiniert werden, um Melodien zu erzeugen
Ton	Anzahl und relative Intensität mehrerer Frequenzen.

Wenn eine Geige das mittlere C spielt, ist es nicht zu verwechseln mit einem Klavier, das dieselbe Note spielt. Der Grund dafür ist, dass jedes Instrument eine ganz bestimmte Kombination von Frequenzen und Intensitäten erzeugt. Wir bezeichnen unsere Wahrnehmung dieser Kombinationen von Frequenzen und Intensitäten als Klangqualität oder, allgemeiner, als Klangfarbe des Tons. Es ist schwieriger, die Wahrnehmung der Klangfarbe mit physikalischen Größen zu korrelieren, als dies bei der Wahrnehmung von Lautstärke oder Tonhöhe der Fall ist. Die Klangfarbe ist eher subjektiv. Begriffe wie „dumpf“, „brillant“, „warm“, „kalt“, „rein“ und „reich“ werden verwendet, um die Klangfarbe eines Tons zu beschreiben. Die Betrachtung der Klangfarbe führt uns also in den Bereich der Wahrnehmungspsychologie, wo Prozesse auf höherer Ebene im Gehirn vorherrschen. Dies gilt auch für andere Klangwahrnehmungen wie Musik und Lärm. Wir werden uns nicht weiter mit ihnen befassen, sondern uns auf die Frage der Lautheitswahrnehmung konzentrieren.

Um die Lautheit numerisch auszudrücken, wird eine Einheit namens Phon verwendet. Phon unterscheidet sich von Dezibel, weil das Phon eine Einheit der Lautheitsempfindung ist, während das Dezibel eine Einheit der physikalischen Intensität ist. Abbildung 2 zeigt das Verhältnis von Lautheit zu Intensität (oder Intensitätspegel) und Frequenz für Personen mit normalem Gehör. Die gekrümmten Linien sind Kurven gleicher Lautheit. Jede Kurve ist mit ihrer Lautheit in Phon beschriftet. Jedes Geräusch entlang einer bestimmten Kurve wird von einer durchschnittlichen Person als gleich laut wahrgenommen. Die Kurven wurden ermittelt, indem eine große Anzahl von Personen die Lautstärke von Geräuschen bei verschiedenen Frequenzen und Schallintensitäten verglichen hat. Bei einer Frequenz von 1000 Hz sind Phon numerisch gleichzusetzen mit Dezibel. Das folgende Beispiel veranschaulicht die Verwendung der Grafik:

Eine weitere Untersuchung des Graphen in Abbildung 2 zeigt einige interessante Fakten über das menschliche Gehör. Erstens: Töne unterhalb der 0-Phon-Kurve werden von den meisten Menschen nicht wahrgenommen. So ist z. B. ein 60-Hz-Ton bei 40 dB unhörbar. Die 0-Phon-Kurve stellt die Schwelle des normalen Hörens dar. Wir können einige Töne bei Intensitätspegeln unter 0 dB hören. Zum Beispiel ist ein 5000-Hz-Ton mit 3 dB hörbar, weil er oberhalb der 0-Phon-Kurve liegt. Die Lautheitskurven haben alle einen Einbruch zwischen etwa 2000 und 5000 Hz. Diese Einbrüche bedeuten, dass das Ohr für Frequenzen in diesem Bereich am empfindlichsten ist. Zum Beispiel hat ein 15-dB-Ton bei 4000 Hz eine Lautheit von 20 Phon, genauso wie ein 20-dB-Ton bei 1000 Hz. Die Kurven steigen an den beiden Extremen des Frequenzbereichs an, was bedeutet, dass bei diesen Frequenzen eine höhere Schallintensität erforderlich ist, um als genauso laut empfunden zu werden wie bei mittleren Frequenzen. So muss beispielsweise ein Ton bei 10 000 Hz einen Intensitätspegel von 30 dB haben, um so laut zu sein wie ein 20 dB lauter Ton bei 1000 Hz. Töne über 120 Phon sind nicht nur schmerzhaft, sondern auch schädlich.

Wir nutzen oft nicht unser gesamtes Hörspektrum. Das gilt besonders für Frequenzen über 8000 Hz, die in der Umwelt selten vorkommen und für das Verstehen von Gesprächen oder das Hören von Musik unnötig sind. Menschen, die die Fähigkeit verloren haben, so hohe Frequenzen zu hören, sind sich ihres Verlustes in der Regel nicht bewusst, bis sie getestet werden. Der schattierte Bereich in Abbildung 3 ist der Frequenz- und Intensitätsbereich, in den die meisten Gesprächsgeräusche fallen. Die gekrümmten Linien zeigen, welche Auswirkungen ein Hörverlust von 40 und 60 Phon hat. Ein Hörverlust von 40 Phon bei allen Frequenzen ermöglicht es einer Person immer noch, ein Gespräch zu verstehen, obwohl es sehr leise erscheint. Eine Person mit einem Hörverlust von 60 Phon in allen Frequenzen hört nur die niedrigsten Frequenzen und kann Sprache nur verstehen, wenn sie viel lauter ist als normal. Selbst dann kann die Sprache undeutlich erscheinen, weil höhere Frequenzen nicht so gut wahrgenommen werden. Der Bereich der Konversationssprache hat auch eine geschlechtsspezifische Komponente, da Frauenstimmen in der Regel durch höhere Frequenzen gekennzeichnet sind. So kann eine Person mit einer 60-Phon-Hörschwäche Schwierigkeiten haben, die normale Unterhaltung einer Frau zu verstehen.

Hörtests werden über einen Frequenzbereich durchgeführt, in der Regel von 250 bis 8000 Hz, und können grafisch in einem Audiogramm wie in Abbildung 4 dargestellt werden. Die Hörschwelle wird in dB relativ zur normalen Hörschwelle gemessen, so dass ein normales Gehör bei allen Frequenzen mit 0 dB angegeben wird. Ein lärmbedingter Hörverlust zeigt typischerweise einen Einbruch in der Nähe der Frequenz von 4000 Hz, unabhängig von der Frequenz, die den Verlust verursacht hat, und betrifft oft beide Ohren. Die häufigste Form des Hörverlusts tritt mit zunehmendem Alter auf und wird Presbyakusis genannt – wörtlich: Altersohr. Ein solcher Verlust ist bei höheren Frequenzen zunehmend schwerwiegend und beeinträchtigt das Musikhören und die Spracherkennung.

Das äußere Ohr, der Gehörgang, leitet den Schall zum vertieften, geschützten Trommelfell. Die Luftsäule im Gehörgang schwingt mit und ist mitverantwortlich für die Empfindlichkeit des Ohrs für Töne im Bereich von 2000 bis 5000 Hz. Das Mittelohr wandelt den Schall in mechanische Schwingungen um und überträgt diese Schwingungen auf die Hörschnecke (Cochlea). Das Hebelsystem des Mittelohrs nimmt die durch Schalldruckschwankungen auf das Trommelfell ausgeübte Kraft auf, verstärkt sie und überträgt sie über das ovale Fenster an das Innenohr, wodurch in der Cochlea Druckwellen entstehen, die etwa 40-mal größer sind als die auf das Trommelfell einwirkenden. (Siehe Abbildung 6.) Zwei Muskeln im Mittelohr (nicht abgebildet) schützen das Innenohr vor sehr intensiven Geräuschen. Sie reagieren innerhalb weniger Millisekunden auf intensiven Schall und verringern die auf die Cochlea übertragene Kraft. Diese Schutzreaktion kann auch durch die eigene Stimme ausgelöst werden, so dass z. B. das Summen beim Schießen mit einem Gewehr Lärmschäden verringern kann.

Abbildung 7 zeigt das Mittel- und Innenohr in größerem Detail. Druckwellen, die sich durch die Cochlea bewegen, versetzen die Tektorialmembran in Schwingung und reiben an den Flimmerhärchen (Haarzellen genannt), die wiederum Nerven stimulieren, die elektrische Signale an das Gehirn senden. Die Membran schwingt an verschiedenen Positionen für verschiedene Frequenzen, wobei hohe Frequenzen die Nerven am nahen Ende und niedrige Frequenzen am fernen Ende stimulieren. Die Funktionsweise der Cochlea ist noch immer nicht vollständig geklärt, aber es ist bekannt, dass mehrere Mechanismen zur Weiterleitung von Informationen an das Gehirn beteiligt sind. Bei Tönen unter etwa 1000 Hz senden die Nerven Signale mit der gleichen Frequenz wie der Ton. Bei Frequenzen von mehr als 1000 Hz signalisieren die Nerven die Frequenz anhand der Position. Die Flimmerhärchen haben eine Struktur, und es gibt Verbindungen zwischen den Nervenzellen, die die Signale verarbeiten, bevor die Informationen an das Gehirn weitergeleitet werden. Die Information über die Intensität wird zum Teil durch die Anzahl der Nervensignale und durch Signalstöße angezeigt. Das Gehirn verarbeitet die Signale der Cochlea-Nerven, um zusätzliche Informationen zu erhalten, z. B. die Richtung der Schallquelle (auf der Grundlage von Zeit- und Intensitätsvergleichen von Tönen aus beiden Ohren). Durch die Verarbeitung auf höherer Ebene entstehen viele Nuancen, wie z. B. das Musikempfinden.

Hörverluste können aufgrund von Problemen im Mittel- oder Innenohr auftreten. Leitungsverluste im Mittelohr können teilweise dadurch ausgeglichen werden, dass Schallschwingungen durch den Schädel an die Cochlea geleitet werden. Hörgeräte für diesen Zweck drücken in der Regel gegen den Knochen hinter dem Ohr und verstärken nicht einfach den Schall, der in den Gehörgang gesendet wird, wie es viele Hörgeräte tun. Schäden an den Nerven in der Cochlea können nicht repariert werden, aber die Verstärkung kann sie teilweise ausgleichen. Es besteht das Risiko, dass die Verstärkung weitere Schäden verursacht. Eine weitere häufige Störung in der Cochlea ist die Beschädigung oder der Verlust der Flimmerhärchen, wobei die Nerven jedoch funktionsfähig bleiben. Cochlea-Implantate, die die Nerven direkt stimulieren, sind inzwischen verfügbar und weithin akzeptiert. Mehr als 100.000 Implantate sind im Einsatz, und zwar zu etwa gleichen Teilen bei Erwachsenen und Kindern.

Das Cochlea-Implantat wurde in den 1970er Jahren in Melbourne, Australien, von Graeme Clark für seinen tauben Vater entwickelt. Das Implantat besteht aus drei externen Komponenten und zwei internen Komponenten. Bei den externen Komponenten handelt es sich um ein Mikrofon zur Aufnahme von Schall und dessen Umwandlung in ein elektrisches Signal, einen Sprachprozessor zur Auswahl bestimmter Frequenzen und einen Sender, der das Signal durch elektromagnetische Induktion an die internen Komponenten überträgt. Die internen Komponenten bestehen aus einem im Knochen unter der Haut befestigten Empfänger/Sender, der die Signale in elektrische Impulse umwandelt und sie über ein internes Kabel an die Cochlea und eine Anordnung von etwa 24 in der Cochlea gewickelten Elektroden weiterleitet. Diese Elektroden wiederum leiten die Impulse direkt an das Gehirn weiter. Die Elektroden ahmen im Grunde die Flimmerhärchen nach.

Zusammenfassung

• Der Bereich der hörbaren Frequenzen liegt bei 20 bis 20.000 Hz.
• Töne über 20.000 Hz sind Ultraschall, während Töne unter 20 Hz Infraschall sind.
• Die Wahrnehmung der Frequenz ist die Tonhöhe.
• Die Wahrnehmung der Intensität ist die Lautheit.
• Lautheit hat die Einheit Phon.

Glossar

Lautheit: die Wahrnehmung der Schallintensität

Timbre: Anzahl und relative Intensität mehrerer Schallfrequenzen

Note: Grundeinheit der Musik mit bestimmten Namen, die zur Erzeugung von Melodien kombiniert wird

Ton: Anzahl und relative Intensität mehrerer Tonfrequenzen

Phon: die numerische Einheit der Lautstärke

Ultraschall: Töne über 20.000 Hz

Frontschall: Töne unter 20 Hz