Mit diesem Artikel versuche ich mal einen Einblick in die psychologische Akustik zu geben, die sich mit der menschlichen Schallwahrnehmung beschäftigt.

Elemente der menschlichen Schallwahrnehmung
Elemente der menschlichen Schallwahrnehmung

Bevor wir uns aber 3D-Audio genauer ansehen, sollten wir uns über die grundlegenden Elemente der menschlichen Klangwahrnehmung im Klaren sein. Ich hoffe, dass man auf diese Weise die Funktionsweise von 3D-Audio besser verstehen kann.

3D-Audio (auch: immersives Audio) meint Geräusche aus ALLEN Richtungen, die um den Hörer herum auftreten. Das heißt von vorne und hinten, links und rechts und besonders auch von oben und unten. Diese Wahrnehmung ist unser normaler Zustand des natürlichen Hörens in einer realen Umgebung.

Die Bedeutung des Immersionsbegriffs in Audio und Akustik bezieht sich auf das psychologische Gefühl, von bestimmten Schallquellen und Umgebungsgeräuschen umgeben und völlig eingehüllt zu sein.

Binaurales Hören

Binaural bedeutet wörtlich „zweiohrig“. Mit dem binauralen Hören kann der Mensch die Richtung und den Ursprung von Geräuschen exakt bestimmen. Doch bevor wir uns einmal genauer die Eigenschaften der Signale ansehen die auf unser Ohr treffen, machen wir einen kurzen Ausflug in die Anatomie des menschlichen Ohres.

Das menschliche Ohr

Bild des menschlichen Außenohres
Elemente des menschlichen Außenohres

Das Außenohr besteht aus der Ohrmuschel und dem Gehörgang. Die Ohrmuschel dient zur Fokussierung des Tonsignals und bewirkt eine Änderung des Tons entsprechend seiner Einfallsrichtung. Der Gehörgang leitet den so konzentrierten Schall zum Trommelfell, wo eine mechanische Schwingung in einen elektrischen Impuls umgewandelt wird.

Der Gehörgang misst ca. 2,3 cm lang und ist ein Viertelwellen- oder Hohlraumresonator. Ein solcher Resonator ist ein auf einer Seite geschlossenes Rohr. Wenn eine Viertelwellenlänge der Länge des Gehörgangs entspricht, kommt es zu Resonanzen, d.h. zu einer Überhöhung einer bestimmten Frequenz. Dadurch wird ein bestimmter Frequenzbereich lauter, der für die Wahrnehmung von Naturgeräuschen und die Sprachverständlichkeit besonders wichtig ist. Bei dieser genauen Länge entsteht also eine Resonanz bei exakt 3728.26 Hz (Link zum Umrechner: https://campus.hofa-college.de/pages/tipps-und-tricks/hofa-tools/wellenlaenge-frequenz.php ). Das ist der Grund, warum bei der Fletcher-Munson Kurve die größte Empfindlichkeit des menschlichen Hörens angezeigt wird.

Die unterschiedlichen Signale

Binaurale Signale

Ein binaurales Signal hilft uns, den Unterschied zwischen den von jedem Ohr empfangenen Signalen zu verstehen. Die drei wichtigsten binauralen Parameter sind die Pegel- und Zeitdifferenz zwischen den verschiedenen Frequenzen zweier Signale. Diese Werte sind die interaurale Pegeldifferenz (engl.: interaural level difference, ILD) und die interaurale Zeitdifferenz (engl.: interaural time difference ITD). Der dritte Faktor für die Richtungsanalyse ist das unterschiedliche Timbre der Klänge. Binaurale Signale sind wichtig, um die Richtung des Schalls in der horizontalen Ebene zu erfassen („Azimut“). Wenn sich beispielsweise eine Schallquelle auf der rechten Seite des Kopfes befindet, empfängt das rechte Ohr den Schall direkt, das linke, also das gegenüber liegende Ohr empfängt ihn erst nach einer bestimmten Zeit. Dieser Unterschied ist auf den Abstand zwischen den beiden Ohren zurückzuführen. Darüber hinaus empfängt das linke Ohr den Schall mit mehr Kopfschatten, da das Signal vom Kopf, Torso, Ohrmuschel usw. abgelenkt und reflektiert wird. Im Wesentlichen erkennen menschliche Ohren die Richtung des Schalls auf einer horizontalen Ebene anhand der Zeitdifferenz (ITD) und der Pegeldifferenz (ILD).

Monaurale Signale

Binaurale Signale geben kein vollständiges Bild des Schallortes wieder, da das menschliche Ohr parallel zur horizontalen Ebene ist. Neben binauralen Cues verwendet der Mensch auch monaurale Cues, um die Position und den Ursprung eines Sounds im Raum zu bestimmen. Genauer gesagt, wird ein monophones Signal verwendet, um den Schallpegel zu erfassen, da die Frequenzeigenschaften eines Eingangssignals mit dem Höhenwinkel variieren. So haben beispielsweise ein Klang, der sich in gleicher Höhe wie das Ohr befindet, und ein anderer Klang, der sich über dem Ohr befindet, unterschiedliche Resonanzfrequenzen mit unterschiedlichen Reflexionen auf der Ohrmuschel, was zu unterschiedlichen Spitzen oder Kerben im Frequenzspektrum führt.

Räumliches Hören und Schalllokalisierung

Die auditorische Wahrnehmung ist ein komplexes Phänomen, auf das hier in ihrer Ganzheit nicht eingegangen werden kann. Wie gesagt, wird die Wahrnehmung von der Physiologie des Hörorgans bestimmt. Aber auch kognitive Phänomene, d.h. die Fähigkeit, Signale aus der Umwelt wahrzunehmen, im Gehirn weiterzuverarbeiten und ihre variierenden Klangeigenschaften zu erlernen, haben einen Einfluss.

Noch mal kurz zusammen gefasst: Die Position einer Schallquelle wird durch deren Richtung und Entfernung beschrieben. Bei der räumlichen Hör- und Richtungswahrnehmung wird zwischen der horizontalen Ebene („Azimut“), der vertikalen Ebene („Elevation“) und der frontalen Ebene („Abstand“) unterschieden. Ausschlaggebend für die genaue Lokalisierung sind Unterschiede in Intensität, Dauer und Ton. Die Lage der Schallquellen ergibt sich sowohl aus dem binauralen Hören – in der horizontalen Ebene – als auch aus dem monauralen Hören – in der mittleren Ebene.

Die horizontale Ebene
Die horizontale Ebene


Unterschiede in der Schallintensität

Unterschiede in der Schallintensität (ILD) in der horizontalen Ebene werden durch einen Schallschatten des Kopfes verursacht. Für einen seitlichen Schalleinfall aus der 90°-Richtung wird auf der gegenüberliegenden Seite des Ohres ein leiserer Schalleinfall von 7dB erfasst. Die Wahrnehmung von Musik ist je nach Frequenz um 7 bis 10 dB geringer.


Laufzeitunterschiede

Die Laufzeitunterschiede (ITD) sind darauf zurückzuführen, dass der Schall eine zusätzliche Strecke zurücklegen muss. D.h. der Schall erreicht das der Schallquelle zugewandte Ohr eher als das andere Ohr. Aus der 90°-Richtung gemessen, sind das ca. 65ms. Die kleinste wahrnehmbare Differenz beträgt 0,03 ms. Dies entspricht einer Richtungsänderung von 3°. Die Zeitdifferenz als Standortkriterium ist nur in dem Frequenzbereich zwischen 100Hz und 1600Hz von Bedeutung.

die vertikale wahrnehmungsebene
die vertikale Ebene

Zwischen 300 Hz und 1,6 kHz werden Laufzeitdifferenzen und Schallintensitätsdifferenzen ausgewertet, so dass ab 2 kHz nur noch Intensitätsdifferenzen für die Lokalisierung einer Schallquelle wichtig sind.

Tonunterschiede

Die tonalen Unterschiede beschreiben das Phänomen, dass der Schall auf der der Quelle gegenüberliegenden Seite matter ist. Dies lässt sich dadurch erklären, dass der Kopf ein natürliches Hindernis für den höher frequenten Schall ist. Bei diesen Frequenzen wird der Schall vom Kopf reflektiert. Die tiefen Frequenzen werden um die Form des Kopfes gekrümmt, kommen aber immer auf der anderen Seite an.

Der wichtigste Indikator, mit dem das menschliche Ohr die Höhe einer Schallquelle bestimmt, ist das monaurale Spektrum, d.h. die Veränderung des Frequenzgehalts des entsprechenden Schalls. Sie wird durch seine Wechselwirkung mit der Form der Ohrmuschel bestimmt. Das Fehlen einer Ohrmuschel dagegen und seinen Indikationen beeinflusst die Genauigkeit der Positionswahrnehmung.

die frontale Schallwahrnehmung
die frontale Ebene

Hören über Kopfhörer oder Lautsprecher

Im Vergleich zu Kopfhörern sind Lautsprecher keine wünschenswerte Option, wenn es um Schallwandler für Immersiv-Audio-Anwendungen geht. Wenn man über Lautsprecher abhört, werden immer auch die Artefakte des Raumes mit wahr genommen. Das macht das immersive Potenzial einer 3D-Audio-Erfahrung viel schwieriger.

Kopfhörer dagegen blockieren den Klang der äußeren Welt vollständig, verhindern das Hören von Artefakten im lokalen Raum und ermöglichen es, in der virtuellen Welt „voll präsent“ zu sein. Darüber hinaus ist die Konfiguration eines virtuellen Lautsprechers durch die Größe des Raumes mit den Lautsprechern begrenzt, während die Verwendung des Headsets einen unbegrenzten virtuellen Raum ermöglicht. Das vielleicht Wichtigste ist, dass Kopfhörer Interaktivität ermöglichen, was ein zentrales Element des 3D-Erlebnisses ist. Die Benutzer müssen sich in der Szene bewegen können, und feste Lautsprecher machen es extrem schwierig, ihren Bewegungen zu folgen.

Hören über Kopfhörer

Der von den Lautsprechern der Kopfhörer ausgestrahlte Klang wird direkt auf das betroffene Ohr auf die Kopfhörerschale übertragen und nicht auf den Kopf und beide Ohren, wie beim natürlichen Hören. Bei In-Ear-Plugs wird auch der durch die Anatomie des Gehörgangs verursachte akustische Filtereffekt aufgehoben. Das bedeutet, dass das Gehirn nicht über die notwendigen Informationen für eine korrekte Beurteilung des Klangs verfügen kann. Insbesondere sind die für die akustische Ortung von Schallquellen wesentlichen Richtungsinformationen nicht vorhanden. Anstelle einer natürlichen Frontalposition führt die strikte Trennung der beiden Stereosignale durch die Kopfhörer zu einer unnatürlichen Positionsabbildung. Das Klangbild scheint vollständig innerhalb oder am Rand des Kopfes zu existieren und nicht außerhalb.

Dieser Effekt wird bei der binauralen Aufnahme und Wiedergabe vermieden!

Wenn Sie jedoch objektbasierte Mixe für die natürliche Wiedergabe über Kopfhörer optimieren möchten, müssen Sie die kopfbezogenen Übertragungsfunktionen (engl. :HRTF ; Head Related Transfer Functions) in die Verarbeitungskette einführen. Sie dienen dazu, die Filterfunktionen der Ohrmuschel rechnerisch nachzubilden.

Die Schätzung des Abstands in der Frontalebene basiert im Wesentlichen auf drei Faktoren. Erstens bedeuten Lautstärkeunterschiede, dass das Signal weiter entfernt ist, je leiser es ist. Zweitens, je größer der Abstand zur Schallquelle, desto mehr Nachhall und Reflexionen werden dem Direktschall hinzugefügt. Und drittens werden Klangunterschiede wahrgenommen, wenn die Schallquelle weit weg ist. Je größer der Abstand, desto weniger hohe Frequenzen erreichen das Ohr.

hrtf abmessungen der Ohrmuschel
hrtf maße von Kopf und Torso
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