Psychoakustik in der Beschallungstechnik

Weil Beschallungstechnik für Menschen ist: Die Schnittstelle zwischen Technik und Wahrnehmung

Sie kennen die Spezifikationen von ELA-Verstärkern, den Frequenzgang von Lautsprechern und die Auswirkungen von Raummoden. Aber wie integrieren Sie die menschliche Wahrnehmung in Ihre technischen Entscheidungen? Die Antwort liegt in der Psychoakustik. Die Psychoakustik ist ein wichtiger, oft unterschätzter Bestandteil vieler Beschallungsprojekte. Es geht um das Verständnis dessen, wie das menschliche Gehirn verschiedene Geräusche und Klänge interpretiert und die unterschiedlichen Schallquellen wahrnimmt. Wir präsentieren Ihnen einige Beispiele aus der Praxis der Beschallungstechnik – zur Inspiration für kommende Projekte.

Die Wahrnehmung von Klang durch das menschliche Ohr

Das Ohr ist ein kompliziertes Organ, das aus drei Hauptteilen besteht: dem Außenohr, dem Mittelohr und dem Innenohr. Jedes dieser Teile hat eine wichtige Funktion bei der Wahrnehmung von Klängen. Zum Beispiel hilft das Außenohr dabei, Schallwellen aufzufangen und zum Trommelfell zu leiten, das sie dann an das Mittelohr weitergibt.

Das Mittelohr beinhaltet die drei kleinsten Knochen des Körpers: Hammer, Amboss und Steigbügel. Diese Knochen sind sehr wichtig, weil sie die Schallwellen vom Trommelfell auf das Innenohr übertragen. Dort finden sich die winzigen Haarzellen, die Schall in elektrische Signale umwandeln, die das Gehirn wiederum verarbeitet.

Wie wir Klänge wahrnehmen, hängt auch von der Frequenz, der Amplitude und der Dauer des Klangs ab
 

  • Die Frequenz bezieht sich auf die Anzahl der Schwingungen pro Sekunde, gemessen in Hertz (Hz).
  • Die Amplitude bezieht sich auf die Intensität eines Klangs, gemessen in Dezibel (dB).
  • Die Dauer bezieht sich auf die Länge eines Klangs, gemessen in Sekunden.

Ein Beispiel dafür, wie Psychoakustik in der Beschallungstechnik nützlich ist, sind gut gestaltete Konferenzräume. Ein professionell geplanter Konferenzraum sollte so gebaut sein, dass der Klang sich gleichmäßig im Raum verteilt. An keinem Ort im Raum sollte ein Teilnehmer durch schlechte Wahrnehmbarkeit der Sounds benachteiligt sein. Das bedeutet, dass der Raum den Schall auf eine bestimmte Art und Weise reflektieren muss, um die gewünschte Klangqualität im gesamten Raum zu erreichen.

Psychoakustische Grundlagen: FFT, ERB und die kritische Bandbreite

Fourier-Transformation (FFT)

Die Fourier-Transformation (englisch „fast Fourier transform“, daher meist FFT abgekürzt) zerlegt ein Audiosignal in seine Frequenzkomponenten. Die Formel für die FFT ist entscheidend für die Analyse der Maskierungseffekte und die Optimierung der Signalverarbeitung. Software-Tools wie MATLAB bieten FFT-Funktionen, die Ihnen bei der Analyse helfen.

Äquivalente Rektangularbandbreite (ERB)

Die „Equivalent Rectangular Bandwidth“ gibt an, wie viele Frequenzen das menschliche Ohr als „ähnlich“ empfindet. Durch die Anwendung der ERB in Ihren Planungen können Sie die Klangqualität verbessern und die Sprachverständlichkeit erhöhen. Die ERB verwenden Psychoakustiker oft in spektralen Analysen, um die psychoakustische Relevanz von Frequenzbändern zu bestimmen.

Kritische Bandbreite

Innerhalb der kritischen Bandbreite nehmen Menschen verschiedene Töne als zusammengehörig wahr. Dies ist entscheidend für die Gestaltung von Beschallungssystemen, die eine klare Sprachübertragung oder Musikwiedergabe ermöglichen.

Praktische Anwendungsfelder und Techniken der Psychoakustik

Maskierung: Die Wahrnehmung unterschiedlich lauter Klänge

Eine Anwendung von Psychoakustik in der Beschallungstechnik ist die Platzierung von Lautsprechern. Ein Experte berücksichtigt den Abstand und die Directivity Patterns der Lautsprecher und die Position der Zuhörer. So stellen wir sicher, dass der Klang gleichmäßig verteilt ist. Denn in der Psychoakustik gibt es ein Phänomen namens „Maskierung“. Dabei beeinträchtigt ein lauter (weil näherer) Klang die Wahrnehmung eines leisen Klangs. Um sicherzustellen, dass alle Töne in einem bestimmten Bereich deutlich hörbar sind, muss ein Experte für Beschallungstechnik dieses Phänomen berücksichtigen, wenn er eine Beschallungsanlage plant.

Binaurale Technologie

Binaurale Aufnahmen können ein realistisches 3D-Klangerlebnis schaffen. Durch die Verwendung von HRTF (Head-Related Transfer Function) können Sie die räumliche Wahrnehmung des Klangs steuern. Dies ist besonders nützlich in virtuellen Realitäten oder bei der Gestaltung von Heimkino-Systemen.

Beamforming

Beamforming ist eine Technologie, die es ermöglicht, den Schall gezielt in eine bestimmte Richtung zu lenken. Durch die Verwendung mehrerer Lautsprecher und die Anpassung der Phase und Amplitude der von ihnen ausgehenden Signale können Sie einen „Strahl“ oder „Beam“ von Schall erzeugen, der in eine bestimmte Richtung gerichtet ist.

Der King’s-Cross-Bahnhof in London verwendet Beamforming, um den Schall direkt zu den Wartebereichen zu lenken und die Verständlichkeit von Durchsagen zu verbessern.

Timbre

Stellen Sie sich Timbre vor, wie die einzigartige Persönlichkeit eines Klangs. Es geht nicht um die Lautstärke oder die Tonhöhe, sondern um den Charakter und die Qualität des Tons. Timbre wird durch verschiedene Faktoren wie die Art der Schwingungserzeugung (z.B. Saiten, Membranen, elektronische Schaltungen) und die Form des schwingenden Körpers bestimmt. Es ermöglicht Ihnen, zwischen dem Klang einer Flöte und einer Gitarre zu unterscheiden, selbst wenn beide dasselbe Lied in derselben Tonhöhe spielen. Im Wesentlichen ist das Timbre das Zusammenspiel von vielen verschiedenen Frequenzen, die zusammen einen einzigartigen Klangcharakter bilden.

Stellen Sie sich eine Jazzband vor. Der Saxophonist und der Pianist spielen dieselbe Melodie. Obwohl die Noten gleich sind, klingen die Instrumente unterschiedlich. Das Saxophon hat einen vollen, hauchigen Klang, während das Klavier klar und perkussiv klingt. Diese Unterschiede im Klangcharakter sind Beispiele für Timbre. Sie erkennen jedes Instrument an seinem einzigartigen Klang, selbst wenn Sie es nicht sehen.

Klangfarbenmelodie

Dieser Begriff beschreibt eine Melodie, die sich durch Veränderungen im Timbre statt durch Veränderungen in der Tonhöhe entwickelt. Das ist ein bisschen, als würde man eine Geschichte erzählen, indem man die Farbe seiner Worte ändert, anstatt verschiedene Wörter zu verwenden.

Ein Beispiel hierfür ist die elektronische Musik, insbesondere die Ambient- oder Trance-Genres. Ein Synthesizer erzeugt eine fortlaufende Tonhöhe, aber die Klangfarbe des Tons ändert sich kontinuierlich durch Modulationen, Filter und Effekte. Diese Veränderungen erzeugen eine „Melodie“, die eher auf der Veränderung der Klangfarbe als auf der Veränderung der Noten basiert. Es ist, als würde sich die „Stimmung“ der Musik verändern, obwohl die Noten gleich bleiben.

Ein anderes Beispiel: Das Theremin, ein elektronisches Instrument, das durch das Bewegen der Hände in der Nähe von Antennen gespielt wird. Die Veränderungen in der Handposition verändern die Klangfarbe, was zu einer „Melodie“ führt, die auf Timbre-Veränderungen basiert, anstatt auf traditionellen Noten. Klangfarbenmelodien sind besonders in elektronischer Musik und Avantgarde-Kompositionen zu finden, wo mit unkonventionellen Methoden experimentiert wird, um einzigartige Klanglandschaften zu schaffen.

Einige psychologische Aspekte, die bei Klangfarbenmelodien eine Rolle spielen:

 

  1. Gehirnverarbeitung: Unser Gehirn verarbeitet und interpretiert fortlaufend akustische Informationen. Bei einer Klangfarbenmelodie konzentriert es sich auf die Veränderungen in der Qualität des Klangs statt auf die Tonhöhe. Dies erfordert eine andere Art der auditiven Verarbeitung, bei der die Erkennung und Unterscheidung feiner Klangnuancen im Vordergrund stehen.

  2. Emotionale Reaktion: Die Klangfarbe eines Instruments oder einer Stimme kann starke emotionale Reaktionen hervorrufen. Durch die Variation der Klangfarbe in einer Klangfarbenmelodie können unterschiedliche emotionale Zustände oder Stimmungen ausgedrückt und beim Zuhörer hervorgerufen werden, ähnlich wie bei einer traditionellen Melodie.

  3. Erwartung und Überraschung: Musik basiert oft auf Mustern und der Erwartung, dass diese Muster fortgesetzt oder gebrochen werden. Eine Melodie, die auf Klangfarbenveränderungen basiert, kann Zuhörer auf eine unerwartete Weise überraschen, da sie nicht den traditionellen melodischen Mustern folgt, die wir gewohnt sind.

  4. Kreativität und Innovation: Die Nutzung von Klangfarbenmelodien kann auch als kreativer und innovativer Ansatz in der Musik betrachtet werden. Es erweitert die Grenzen dessen, was musikalisch ausgedrückt werden kann, und eröffnet neue Wege, um Geschichten zu erzählen oder Stimmungen zu schaffen.

  5. Kognitive Herausforderung: Das Zuhören und Interpretieren von Klangfarbenmelodien kann für das Gehirn eine Herausforderung darstellen, da es sich von der gewohnten Melodiewahrnehmung unterscheidet. Dies kann zu einer verstärkten Aufmerksamkeit und tieferen geistigen Verarbeitung der Musik führen.

Binaurale Beats

Ein faszinierendes Phänomen, das auftritt, wenn in jedes Ohr ein Ton mit einer leicht unterschiedlichen Frequenz gespielt wird. Diese Frequenzdifferenz erzeugt eine Wahrnehmung eines dritten Tons, des sogenannten binauralen Beats, im Gehirn. Zum Beispiel, wenn Ihr linkes Ohr einen Ton mit 300 Hz und Ihr rechtes Ohr einen mit 310 Hz hört, nehmen Sie einen binauralen Beat von 10 Hz wahr. Dieses Phänomen entsteht, weil das Gehirn die beiden verschiedenen Frequenzen zusammenführt und einen neuen Ton „berechnet“. Binaurale Beats werden in der Meditationspraxis und manchmal auch in der Musiktherapie eingesetzt, da angenommen wird, dass sie die Gehirnwellenaktivität beeinflussen und zur Entspannung beitragen können. Sie sind ein perfektes Beispiel dafür, wie unser Gehör und unser Gehirn zusammenarbeiten, um komplexe akustische Phänomene zu interpretieren.

Ein praktisches Beispiel für binaurale Beats findet sich in der Anwendung zur Stressreduktion oder Meditation. Nehmen wir an, Sie hören über Kopfhörer eine Entspannungsaufnahme. In das linke Ohr wird ein Ton mit einer Frequenz von 300 Hz und in das rechte Ohr ein Ton mit 305 Hz gespielt. Ihr Gehirn hört einen dritten Ton, der sich aus der Differenz dieser Frequenzen ergibt, also 5 Hz. Diese Frequenz kann helfen, einen entspannteren Geisteszustand herbeizuführen, da angenommen wird, dass sie die Gehirnwellen beeinflusst und so zu tiefer Entspannung führen kann.

Zentral in der Psychoakustik: Die Tonhöhenwahrnehmung

Die Tonhöhenwahrnehmung ist ein zentraler Aspekt der Psychoakustik und bezieht sich darauf, wie unser Gehirn die Frequenz von Schallwellen interpretiert und als „Tonhöhe“ kategorisiert. Hier ein tiefer Einblick in das Phänomen und ein praktisches Beispiel:

Der wissenschaftliche Hintergrund der Tonhöhenwahrnehmung

  1. Schallwellen und Frequenz: Alles beginnt mit Schallwellen, die durch Schwingungen erzeugt werden. Die Frequenz dieser Wellen, gemessen in Hertz (Hz), bestimmt, wie hoch oder tief ein Ton klingt. Höhere Frequenzen erzeugen höhere Töne und niedrigere Frequenzen tiefere Töne.

  2. Ohr und Cochlea: Schallwellen treffen auf das Ohr und werden in das Innenohr weitergeleitet, speziell in die Cochlea, eine schneckenförmige Struktur. Die Cochlea ist mit Flüssigkeit gefüllt und enthält das Basilarmembran, das für unterschiedliche Frequenzen an verschiedenen Stellen schwingt.

  3. Haarzellen und Nervensignale: Auf dem Basilarmembran sitzen Haarzellen, die durch diese Schwingungen stimuliert werden. Je nachdem, wo das Basilarmembran am stärksten schwingt, werden bestimmte Haarzellen aktiviert. Diese senden dann elektrische Signale über den Hörnerv an das Gehirn.

  4. Verarbeitung im Gehirn: Das Gehirn empfängt diese Signale und interpretiert sie basierend auf der Aktivität der verschiedenen Haarzellen. Es konstruiert daraus eine Wahrnehmung der Tonhöhe.

  5. Relative Wahrnehmung: Unsere Wahrnehmung von Tonhöhe ist auch relational. Das bedeutet, dass wir die Tonhöhe eines Tons oft im Kontext anderer Töne interpretieren. Zum Beispiel klingt ein Ton höher, wenn er nach einem tieferen Ton gespielt wird, und umgekehrt.

Ein Klavierstimmer nutzt die Tonhöhenwahrnehmung, um ein Klavier zu stimmen. Er oder sie schlägt eine Taste an und hört auf den Ton. Der Klavierstimmer vergleicht dann diese Tonhöhe mit einem Referenzton, der entweder von einer Stimmgabel, einem elektronischen Stimmgerät oder einem anderen Instrument kommt. Die Herausforderung besteht darin, die Schwingungsfrequenz der Klaviersaite so anzupassen, dass sie genau der gewünschten Tonhöhe entspricht. Hierbei ist das geschulte Ohr des Klavierstimmers und seine Fähigkeit zur präzisen Tonhöhenwahrnehmung entscheidend.

Beispiele für Anwendungsszenarien

Konzertsaal

In einem Konzertsaal besteht die Herausforderung darin, ein ausgewogenes Klangfeld für ein breites Spektrum von Frequenzen zu schaffen. Durch die Anwendung von psychoakustischen Prinzipien wie der kritischen Bandbreite und der ERB können Sie die Lautsprecheranordnung und die Signalverarbeitung optimieren. So erreichen Sie eine gleichmäßige Klangverteilung und minimieren Phasenprobleme.


Konzertsaal

In einem Konzertsaal besteht die Herausforderung darin, ein ausgewogenes Klangfeld für ein breites Spektrum von Frequenzen zu schaffen. Durch die Anwendung von psychoakustischen Prinzipien wie der kritischen Bandbreite und der ERB können Sie die Lautsprecheranordnung und die Signalverarbeitung optimieren. So erreichen Sie eine gleichmäßige Klangverteilung und minimieren Phasenprobleme.

Einkaufszentren und Einzelhandelsgeschäfte

In Einkaufszentren und Geschäften ist die richtige Beschallung entscheidend für die Kundenerfahrung. Durch die Anwendung von Psychoakustik können Sie Hintergrundmusik so gestalten, dass sie angenehm ist und Gespräche nicht stört. ECMA-418 kann hier als Leitfaden für die Minimierung von Störgeräuschen dienen, die von Klimaanlagen, Rolltreppen oder anderen technischen Geräten ausgehen.

Flughäfen und Bahnhöfe

In Verkehrsknotenpunkten wie Flughäfen und Bahnhöfen ist die klare Verständlichkeit von Durchsagen entscheidend. Psychoakustische Prinzipien können helfen, die Sprachverständlichkeit zu verbessern, indem sie die akustischen Eigenschaften des Raums und die menschliche Sprachwahrnehmung berücksichtigen.

Krankenhäuser und Gesundheitseinrichtungen

In Krankenhäusern kann die richtige Anwendung von Psychoakustik dazu beitragen, eine ruhigere und angenehmere Umgebung für Patienten zu schaffen. Dies erreichen Sie durch die Maskierung von Geräuschen wie das Piepen von Maschinen oder das Klappern von Geschirr.

Sportstadien

In großen Sportstadien besteht die Herausforderung darin, sowohl den Schallpegel der Menge als auch die Klarheit der Durchsagen zu balancieren. Durch die Anwendung von Psychoakustik können Sie ein System entwerfen, das sowohl für hohe als auch für niedrige Lautstärken optimiert ist – zum Beispiel aus Line-Arrays, die sehr präzise abstrahlen.

Museen und Ausstellungen

In Museen kann die Anwendung von Psychoakustik dazu beitragen, eine intensivere Erfahrung zu schaffen. Zum Beispiel könnte in einer Kunstausstellung ein subtiler Klangteppich die Präsentation der Werke ergänzen, ohne abzulenken.


Zur Audio-Lösung


Museen und Ausstellungen

In Museen kann die Anwendung von Psychoakustik dazu beitragen, eine intensivere Erfahrung zu schaffen. Zum Beispiel könnte in einer Kunstausstellung ein subtiler Klangteppich die Präsentation der Werke ergänzen, ohne abzulenken.


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Software-Tools und Messmethoden

Für die psychoakustische Analyse stehen verschiedene Software-Tools zur Verfügung, darunter MATLAB und Audacity. Diese Tools bieten Funktionen für A/B-Tests, Lautheitsskalierung und spektrale Analyse, die für die Messung psychoakustischer Phänomene unerlässlich sind.

Die Norm „ECMA-418“

ECMA-418 ist eine Norm von Ecma International, die psychoakustische Metriken für ITT-Geräte (Information Technology and Telecommunications) beschreibt. Die zweite Ausgabe wurde im Dezember 2022 veröffentlicht. Diese Norm beschreibt zwei Verfahren, um herauszufinden, ob Geräuschemissionen prominente diskrete Töne enthalten:

  1. die Ton-zu-Rausch-Verhältnis-Methode
  2. die Prominenz-Verhältnis-Methode

Die psychoakustischen Inhalte der ECMA-74 wurden in die ECMA-418, Teile 1 und 2, verschoben, um sie von den älteren Vorschriften zur Mikrofonpositionierung, dem Gerätebetrieb und der Schallpegelverarbeitung zu trennen, die in ECMA-74 verbleiben.

Anwendungsbeispiele

Stellen Sie sich ein Büro vor, in dem mehrere IT -Geräte wie Drucker, Computer und Telefonanlagen in Betrieb sind. Durch die Anwendung der ECMA-418-Richtlinien können Sie sicherstellen, dass diese Geräte so konfiguriert sind, dass sie minimale akustische Störungen verursachen. Dies verbessert nicht nur die Arbeitsumgebung, sondern kann auch die Produktivität steigern.

Warum ist ECMA-418 wichtig?

Die Einhaltung von ECMA-418 stellt sicher, dass Sie die besten Praktiken in der Psychoakustik anwenden. Dies ist besonders wichtig in Umgebungen, in denen die Klangqualität und die Minimierung von Störgeräuschen entscheidend sind, wie z. B. in Konferenzräumen, Theatern und anderen öffentlichen Räumen.

Fazit: Die Psychoakustik verbindet technisches Know-how mit dem Verständnis für menschliche Wahrnehmung

Als Errichter oder Fachplaner in der Beschallungstechnik haben Sie die Möglichkeit, dieses Wissen zu nutzen, um Systeme zu schaffen, die nicht nur technisch ausgereift, sondern auch für das menschliche Ohr optimiert sind.

Headergraphic © AdobeStock | Nailotl, weitere Graphiken: AdobeStock Pixsooz, Pavel Losevsky, David Biagi: 

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