Psychoakustik 2 - Lautstaerkewahrnehmung

1. Alexis BaskindPsychoakustik 2 - Lautstärkewahrnehmung Psychoakustik 2 Lautstärkewahrnehmung Alexis Baskind, https://alexisbaskind.net

2. Alexis BaskindPsychoakustik 2 - Lautstärkewahrnehmung Psychoakustik 2 - Lautstärkewahrnehmung Kursreihe Grundlagen der Akustik für Toningenieure und Musikproduzenten Niveau Bachelor Sprache Deutsch Revision Januar 2020 Diesen Kurs zitieren Alexis Baskind, Psychoakustik 2 - Lautstärkewahrnehmung, Kursmaterial, Lizenz: Creative Commons BY-NC-SA. Vollständige, interaktive Version dieses Kurses mit Ton- und Videomaterial sowie mehr Kurs und -Material auf https://alexisbaskind.net/teaching. Except where otherwise noted, content of this course material is licensed under a Creative Commons Attribution- NonCommercial-ShareAlike 4.0 International License.

3. Alexis BaskindPsychoakustik 2 - Lautstärkewahrnehmung Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung 2. Hörschwelle 3. Kurven gleicher Lautstärkepegel 4. Lautheit – das Sone 5. Lautheit und Dauer 6. Komplexe Klänge - Simultanverdeckung 7. Differentielle Wahrnehmbarkeitsschwelle 8. Einschätzung der Lautheit, Frequenzbewertung

4. Alexis BaskindPsychoakustik 2 - Lautstärkewahrnehmung Einleitung • Das Weber-Fechner Gesetz, das für alle Arten von Sinnesempfindungen gelten soll, muss eigentlich für jede verfeinert bzw. korrigiert werden • Die Wahrnehmung der Lautheit ist ein hochkomplexes subjektives, frequenzabhängiges Phänomen, das u.a. von den folgenden Faktoren abhängig ist: – Frequenzinhalt, Bandbreite des Klanges – Dauer des Klanges – Verdeckung von anderen Klängen – Aufmerksamkeit des Hörers

6. Alexis BaskindPsychoakustik 2 - Lautstärkewahrnehmung Hörschwelle • Die Hörschwelle ist der durchschnittliche frequenzabhängige Schalldruckpegel, ab dem das menschliche Gehör Sinustöne wahrnimmt • Bemerkenswert ist der Einfluss des Alters (20, 40, 60 Jahren) auf die Hörschwelle (dBSPL)

8. Alexis BaskindPsychoakustik 2 - Lautstärkewahrnehmung Lautstärkepegel ist nicht Lautheit • Der Lautstärkepegel (engl. „Loudness level“, Einheit = Phons) ist ein relative Maßheinheit, das die Frequenzabhängigkeit der wahrgenommenen Lautstärke von Sinustönen im Vergleich zu der 1 kHz-Referenz beschreibt. • Das Sone (siehe später) ist eine psychoakustisches Maß der absoluten wahrgenommenen Lautheit von Sinustönen beschreibt.

9. Alexis BaskindPsychoakustik 2 - Lautstärkewahrnehmung Kurven gleicher Lautstärkepegel • Die Kurven gleicher Lautstärkepegel weisen auf, mit welchem Schalldruckpegel ein Sinuston abgespielt werden muss, um genauso laut wie ein 1 kHz-Sinuston empfunden zu werden Frequenz (Hz) • Das Phon ist die Maßeinheit des Lautstärkepegels (eines Sinustons) • Deswegen heißen diese Kurven auch Isophonen • Bei 1 kHz stimmt der Wert in Phon mit dem Schalldruckpegel in dB SPL überein

10. Alexis BaskindPsychoakustik 2 - Lautstärkewahrnehmung Hörbereich Frequenz (Hz) Musik Sprache Ultraschall Infraschall Schmerzgrenze

11. Alexis BaskindPsychoakustik 2 - Lautstärkewahrnehmung „Gehörrichtige Lautstärkeregelung“ • Musik wird oft ziemlich laut gemischt (75-85 dB SPL) um alle Frequenzen hören zu können • … aber Musik wird oft leiser gehört!  Deshalb wird der Mix anders klingen (sogar wenn man die unterschiedliche Raumakustik und die Tonanlage berücksichtigt)  Unter anderem werden beim leiseren Abspielen tiefe Frequenzen viel leiser empfunden werden • Die sogenannte gehörrichtige Lautstärkeregelung (die man bei Unterhaltungselektronik-Geräten finden kann) ist ein lautstärkenabhängiger Entzerrer (Filter), der den Frequenzinhalt beim leisen Abspielen kompensiert

12. Alexis BaskindPsychoakustik 2 - Lautstärkewahrnehmung „Gehörrichtige Lautstärkeregelung“ Beispiel: K&H ES-20 Stereo-Verstärker

13. Alexis BaskindPsychoakustik 2 - Lautstärkewahrnehmung Einschränkungen • Die Phon-Skala entspricht der dB-SPL-Skala, und deshalb ist sie mit der empfundenen Lautheit nicht linear verbunden: z.B. entspricht eine Verdopplung der empfundenen Lautheut nicht einer Verdopplung des Pegels in dB SPL (sondern eher +10 dB) Grenze vom Weber-Fechner-Gesetz • Die Kurven gleicher Lautstärkepegel sind grundsätzlich nur für Sinustöne relevant, nicht für komplexe Klänge • Die Dauer des Klangs wird nicht betrachtet  Wie ist die Lautstärke komplexer, zeitmodulierter Klänge? • Die Kurven gleicher Lautstärkepegel erlauben nicht zu wissen, wie laut ein Klang in einer Mischung empfunden wird

15. Alexis BaskindPsychoakustik 2 - Lautstärkewahrnehmung Lautheit – das Sone • Die Phon-Skala ist schon genauer als die dBSPL Skala, um die empfundene Lautstärke einzuschätzen, da sie die Frequenzabhängigkeit betrachtet. Sie bildet aber das Hörempfinden linear nicht ab • In der Tat entspricht eine Erhöhung des Schalldruckpegels um 10 dB ca. einer Verdopplung der empfundenen Lautstärke (außer für sehr leise Klänge) • Die Sone-Skala wurde aus diesem Grund eingeführt. Sie beruht auf der Phon-Skala, die sie korrigiert, um sich der Lautheit besser anzunähern • Wie die Phon-Skala wird die Sone-Skala mit Sinustönen gebildet, deshalb reicht es noch nicht, um die Lautheit komplexer Klänge einzuschätzen

16. Alexis BaskindPsychoakustik 2 - Lautstärkewahrnehmung Lautheit – das Sone Notation (Musik) Phons Sones 120 256 110 128 fff 100 64 ff 90 32 f 80 16 mf, mp 70 8 p 60 4 pp 50 2 ppp 40 1 32 1/2 25 1/4 19 1/8 14 1/16 (Natürlich sind musikalische Dynamikanweisungen wie mf oder ppp relativ und kontextabhängig, und die Verbindung mit der Lautstärke in dieser Tabelle sollte nicht genau genommen werden)

17. Alexis BaskindPsychoakustik 2 - Lautstärkewahrnehmung Faders 1. Ein linearer Fader wäre kaum nutzbar, weil er nicht erlaubt, die Lautheit linear zu steuern: Referenz: x 1 Verstärkungsfaktor => Lautheitsänderung Referenz (+0 dB) x 1.3 ca. 1.2x lauter (+2.3 dB) x 0 Schweigen x 0,5 ca. 1.5x leiser (-6 dB) x 0,25 ca. 2x leiser (-12 dB) x 0,125 ca. 3.5x leiser (-18 dB) x 0,06 ca. 5x leiser (-24 dB) (die Auflösung ist für geringe Verstär- kungen viel zu schlecht)

18. Alexis BaskindPsychoakustik 2 - Lautstärkewahrnehmung Faders 2. Ein reiner dB-Fader wäre auch gar nicht optimal, weil die untere Hälfte damit fast nutzlos wäre: Referenz: 0 dB Verstärkungsfaktor => Lautheitsänderung Referenz Schweigen -10 dB 2x leiser -20 dB 4x leiser -30 dB 8x leiser -40 dB 16x leiser -50 dB 32x leiser -60 dB 64x leiser +10 dB 2x lauter +20 dB 4x lauter(die Auflösung ist hier zu schlecht: nur ein paar Zentimeter für 20 dB Unterschied) -¥

19. Alexis BaskindPsychoakustik 2 - Lautstärkewahrnehmung Faders 3. Der Standard für die Faders ist eigentlich ein sehr guter Kompromiss: Referenz: 0 dB Verstärkungsfaktor => Lautheitsänderung Referenz Schweigen -10 dB 2x leiser -20 dB 4x leiser -30 dB 8x leiser -40 dB 16x leiser -60 dB 32x leiser +10 dB 2x lauter -50 dB -¥ (in diesem Bereich erlaubt der Fader, die Lautheit fast linear zu steuern)

21. Alexis BaskindPsychoakustik 2 - Lautstärkewahrnehmung Lautheit und Dauer • Unter 200-300 ms wird der Klang, je länger er dauert, desto lauter wahrgenommen • Dieses Ergebnis wurde u.a. in Pegelanzeige-Instrumenten wie das VU-Meter, dessen Einschwingzeit um 300 ms eingestellt wird, angewandt Lautheit/ Max. Lautheit Klangdauer (s)

23. Alexis BaskindPsychoakustik 2 - Lautstärkewahrnehmung Komplexe Klänge • Für komplexere Klänge als Sinustöne gilt immer noch dasselbe Prinzip (das Gehör reagiert weniger empfindlich auf tiefe und hohe Frequenzen bei leisem Abspielen) • Aber die Kurven gleicher Lautstärkepegel können nicht genau angewandt werden, da: – Obertöne und Rauschanteile eines Klangs, die vom Gehör erstmals getrennt werden, danach wieder zusammengelegt und als eine Einheit wahrgenommen werden – Die dadurch entstehende spektrale Lautheitssummation ist komplex und von den Frequenzgruppen (siehe gleich unten) abhängig. – Unter anderem können zwei Töne, die zu nah zueinander liegen, sich gegenseitig verdecken

24. Alexis BaskindPsychoakustik 2 - Lautstärkewahrnehmung Frequenzgruppen • Die erste Art von Frequenzgruppierung findet im Mittelhirn statt: benachbarte simultane Frequenzanteile werden in Frequenzbänder zusammengelegt, und als eine Einheit wahrgenommen • Diese Frequenzbänder heißen Frequenzgruppen (engl. „Critical Bands“) • Sie bestimmen in vielen Fällen die Frequenzauflösung des Gehörs • Die Lautheit eines breitbandigen Signals kann ebenso nicht als die Summe der Lautheit aller einzelnen Komponenten betrachtet werden: es ist eher von der Energie in jedem Frequenzband abhängig => Lautheitssummation

25. Alexis BaskindPsychoakustik 2 - Lautstärkewahrnehmung Frequenzgruppen Die kritische Bandbreite (engl. “critical bandwidth”), die die Bandbreite der Frequenzgruppen bezeichnet, ist von der Mittenfrequenz abhängig: • Bis 500 Hz liegt sie sie bei ca. 100 Hz • Über 500 Hz steigt sie proportional zur Mittenfrequenz: die relative Bandbreite ist more or less konstant und liegt zw. ca. 1/6 Oktave und ca. 1/3 Oktave => Dies könnte erklären, warum Terzband-Filter in der Tontechnik überall benutzt werden!

26. Alexis BaskindPsychoakustik 2 - Lautstärkewahrnehmung Frequenzgruppen und Lautheitssummation Bild von Thomas Görne, “Tontechnik” Spectrale Lautheissummation : Lautheit von Rauschen mit einer Mittenfrequenz von 1 kHz und variabler Bandbreite Horizontale Achse = Bandbreite des Rauschens Verticale Achse = effektiver Schalldruckpegel in dB SPL

27. Alexis BaskindPsychoakustik 2 - Lautstärkewahrnehmung Simultanverdeckung Frequenz (kHz) Wenn zwei Töne mit ähnlichen Tonhöhen gleichzeitig abgespielt werden, maskiert der lautere den leiseren teilweise oder ganz: Die Hörschwelle wird dadurch lokal erhöht

28. Alexis BaskindPsychoakustik 2 - Lautstärkewahrnehmung Simultanverdeckung • Je lauter der lautere Ton, desto größer die Bandbreite, wo Verdeckung stattfindet • Zudem ist das Verhalten asymmetrisch im Frequenzbereich Beispiel: Verdeckung eines zweiten Tons von einem 1-kHz Ton Quelle: Blauert/Wikipedia

29. Alexis BaskindPsychoakustik 2 - Lautstärkewahrnehmung Simultanverdeckung “Allgemein gilt, dass ein höherfrequenter Schall einen tieferfrequenten nur dann verdeckt, wenn der Frequenzabstand gering ist. Ein Schall tieferer Frequenz verdeckt einen höherfrequenten Schall nur dann, wenn der tieffrequente Schall vergleichsweise große Intensität besitzt” (Michael Dickreiter) Das heißt für das Mischen: Wenn zwei Klänge gemeinsame Frequenzbereiche teilen, werden sehr oft Teile des leiseren von dem lauteren verdeckt. Ein klassisches Beispiel ist die Verdeckung der Kick-Drum durch den E-Bass oder umgekehrt: wenn die Kick-drum lauter als der E-Bass ist, bleiben nur die Obertöne vom E-Bass hörbar (die natürlich auch von anderen Instrumenten verdeckt werden können)

30. Alexis BaskindPsychoakustik 2 - Lautstärkewahrnehmung Simultanverdeckung Wie kann man Verdeckung bei Mischung mildern: – Mit unterschiedlichen EQs, so dass jedes Instrument seinen Platz in einem bestimmten Frequenzbereich hat. Sogar wenn die Spur allein nicht gut klingt, ist das Ergebnis in der Mischung am wichtigsten. Eigentlich ist es oft kontraproduktiv, die Klangfarbe aller einzelnen Instrumente unabhängig von den anderen zu verbessern! – Mit weniger oder einem kürzeren Hall, mit einem anderem Hall, und/oder mit EQ auf den Hall angewendet – Mit Dynamikverarbeitung (evtl. mit externem Side-Chain): die Kick-Drum kann zum Beispiel während des Anschlags dominant sein und gleich danach kann sein Pegel reduziert werden, sodass die Resonanz vom E-Bass deutlicher hörbar wird – Mit dem Panoramaregler (Siehe später, „Cocktail-Party-Effekt“)

32. Alexis BaskindPsychoakustik 2 - Lautstärkewahrnehmung Differentielle Wahrnehmbarkeitsschwelle • Eine differentielle Wahrnehmbarkeitsschwelle (engl. „just-noticeable difference“) bezeichnet für alle Sinnempfindungen die untere Schwelle für die Wahrnehmung eines Reizunterschieds • Für den Schalldruckpegel liegt diese Schwelle durchschnittlich bei ca. 1 dB. • Sie hängt aber vom absoluten Schalldruckpegel ab: – sie liegt bei ca. 2/3 dB bei der Hörschwelle – für laute Schalle sinkt sie bis .3/.5 dB • Sie ist von der Gehörbildung abhängig

33. Alexis BaskindPsychoakustik 2 - Lautstärkewahrnehmung Differentielle Wahrnehmbarkeitsschwelle Differentielle Wahrnehmbarkeitsschwelle für den Schalldruckpegel für einen 1 kHz-Sinuston je nach dem absoluten Schalldruckpegel (von Fastl H., Zwicker E., “Psychoacoustics: Facts and Models”)

35. Alexis BaskindPsychoakustik 2 - Lautstärkewahrnehmung Einschätzung der Lautheit, Frequenzbewertung • Aufgrund der vorherigen Beobachtungen ist es jetzt klar, dass eine genaue Einschätzung der Lautheit mit elektronischen Mitteln kaum möglich ist • Die Schallmessungs-Standards beschränken sich auf eine Korrektur des spektralen Inhalts • Bei dieser sogenannten Frequenzbewertung handelt es sich um unterschiedliche Filter, die nach dem absoluten Schalldruckpegel ausgewählt werden sollen

36. Alexis BaskindPsychoakustik 2 - Lautstärkewahrnehmung Einschätzung der Lautheit, Frequenzbewertung • Die A-Bewertung (Einheitsmaß dB(A) ) ist für einen Lautstärkepegel von ca. 40 phon gemeint (sehr leise) • Die B-Bewertung ( dB(B) ) für ca. 60 phon • Die C-Bewertung (dB(C) ) für ca. 80 phon

37. Alexis BaskindPsychoakustik 2 - Lautstärkewahrnehmung Einschätzung der Lautheit, Frequenzbewertung • Das Messverfahren eines Schallpegelmessers besteht darin: 1. den Schalldruck in Spannung umzuwandeln (anhand eines Kugelmikrofons) 2. den geeigneten Filter (A, B, oder C) anzuwenden 3. den Effektivwert in dB zu berechnen • In der Praxis wird die B-Bewertung gar nicht benutzt, und die C-Bewertung eher selten => Das dB(A) ist de Facto ein allgemeiner Standard für die Messung der wahrgenommenen Lautstärke, obwohl es nur für leise Schalle geeignet ist. Filter: A-, B-, oder C-Bewertung RMS dB(A), dB(B) oder dB(C)

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