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KAD 2007.03.26
Schall und Gehör
kHz
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2
Schall – mechanische Welle : periodische Auslenkungen von Materieteilchen breiten sich räumlich in einem (elastsichen) Medium aus– longitudinale Welle– transversale Welle (nur in Festkörper)
u(x,t): Auslenkung der Materieteilchen, Dichte-/Druckänderung, (Schall)Druck
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3
At
EI
2max
2eff 2
11p
Zp
ZI
Intensität = Leistungsdichte = Energiestromdichte
Zusammenhang zwischen der Intensität und dem Schalldruck
Kompressibilität: relative Volumenveränderung/Druck
Physikalische Zusammenhänge
Schallgeschwindigkeit determiniert durch die Dichte und Kompressibilität des Mediums
1c
pVV
1
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4
Absorption und Reflexion von Schallwellen
Absorptionsgesetz: I = I0 e–x,, = (Z, f)vgl.: Lichtabsorption, Ultraschallabsorption
Reflexion: Snellius-Descartes Gesetzvgl.: Lichtabsorption, Ultraschallabsorption
Reflexionsvermögen:
thwindigkeiSchallgesc : Dichte,:
Impedanz akustische:,2
21
21
einfall
refl
c
cZZZ
ZZ
I
IR
Echoortung von Fledermäusen
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5
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6
Physik(Reiz)
Physiologie(Empfindung)
Intensität, I(W/m2)
Lautstärke, L(phon, sone)
Grundfrequenz Tonhöhe
Obertöne (Spektrum) Klangfarbe
Charakteristiken des Reizes und der Empfindung
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7
Frequenz und Intensität System
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8
20 20050 100 2k 5k 10k 20k 50k 100k500 1k
f (Hz)
Fledermaus
Delphin
Mensch
Thunfisch
Grille
Hund
10
Elefant
Katze
Einteilung nach der Frequenz
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9
Einteilung nach der Intensität
Geräuschquelle I (W/m2) n (dB)
Raketenstart 106 180
startender Düsenjet 102 140
Schmerzgrenze 100 = 1 120
Maschinenraumlärm 10-3 90
laute Radiomusik 10-4 80
normales Gespräch 10-7 50
Flüstern 10-10 20
Hörschwelle (Mensch) 10-12 0
212
00 m
W10 wodB,lg10 I
I
In
n: (Schall)intensitäts-Pegel
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10
Weber-Fechner Gesetz:
Psychophysikalische Gesetze
Wie hängt die Lautstärke (Empfindungsstärke) von der Intensität (Reizstärke) ab?
Stevens Gesetz:
L: Lautstärke, Einheit: phon
L*: Lautheit, Einheit: sone
)log~(log~0
0 I
ILLIL
k
k
I
ILLIL
00
** ~~
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11
Kurven gleicher Lautstärke des menschlichen Ohres
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12
Phon und Sone
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13
Audiometrie – Audiogram
subjektive Schwellenaudiometrie: die Messung der bei einer gegebenen Frequenz kleinsten Intensität, die zur Auslösung der Tonempfindung nötig ist.
Hörschwelle: die Darstellung dieser Kurve
Hörschwellenkurve: 0 phon
objektive Audiometrie: mit Hilfe von EEG-Signal
Audiogram: die Bestimmung der Abweichung der Hörschwellenkurve der Versuchsperson von der normalen Hörschwellenkurve
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14
Stimmgebung mit einfachen Systemen
Saite-Eigenschwingungen
2
l
l
22l
23
l
2
24 l
Hohlresonator
4
l
43
l
45
l
47
l
l
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15
die Zeitfunktion das Spektrum
Einfaches Musikinstrument
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16
Stimmgebung mit den Stimmbändern
Stimmritze,die von zwei Membranen, den Stimmbändern begrenzt ist
bei normaler Atmung ist die Stimmritze weit geöffnet
bei Stimmgebung rücken die Stimmbänder zusammen, die Atemmuskulatur bewirkt eine Erhöhung des Luftdruckes > leichte Erweiterung der Stimmritze > Druckabfall > Verengerung der Stimmritze ... usw.
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17
Trommelfell Basilarmembran Haarzelle Hörnerv
mechanische Umwandlung
mechano-elektrische Umwandlung
mechanische Energie elektrische Energie
Reizenergie Rezeptor-potential
Aktions-potential
elektrische -elektrische Umwandlung
Signalumwandlungen bei Gehör
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18
Das Ohr
Innenohr AussenohrMittelohr
Resonator-funktion
ImpedanzanpassungSchall-empfindung
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19
Das menschliche Ohr
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20
MediumLuft WasserGehör-
knöchelchenovales Fenster
Trommelfell
FTrommel
ATrommel=
pLuft
pWasser
Druckvergrösserung:
(Hebel + Flächenverkleinerung)
pWasser/pLuft = 22,3
Funktion von Gehörknöchelchen
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21
9989,02
LuftWasser
LuftWasser
einfall
refl
ZZ
ZZ
I
IR
Mittelohr als Impedanzanpasser
wegen der grossen Impedanzdifferenz von Luft und Wasser die Intensität in Wasser wäre 0,0011-mal kleiner als die Intensität in Luft
1137,0105,1
4143,22
6
2
Wasser
Luft
2
Luft
Wasser
Luft
2Luft
Wasser
2Wasser
Luft
Wasser
Z
Z
p
p
Zp
Zp
I
I
wegen der Druckvergrösserung13,7% der Intensität geht durch
Impedanzanpassung(0,137 / 0,0011 = 125)
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22
Das Corti Organ
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23
Bewegung der laufenden Wellen auf der basilaren Membran
Basilarmembrane
ovalisches Fenster apikales
EndeHüllkurve der laufenden Welle
Ausbreitungsrichtung
ti > ti+1
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24
Ablenkung
(a)
(b)
elhajlás
Modell:
Basilarmembrane in der Ruhe
Basilarmembrane bewegt sich
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25
regenerativer Verstärker :Mitkopplung(grosse Verstärkung in einem engen Frequenzbereich)
Modell heutzutage: Frequenzanalyse + aktiver nichtlinearer Filtereffekt
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26
Haarzellen, als Mechanotranszduzern
Auslenkung der Cilien
Öffnung der Ionenkanale
AP Impulse in die Richtung des Gehirns
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27
Gehörverlust
norm
ale
Bedi
ngun
gen
Best
rahl
ung
(120
dB,
24
h)
Haarzellen von Meer-
schweinchen
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28
Schallquelle
Richtungsbestimmung(zweiohriges Richtungshören) Mittellinie
Bestimmung der zeitlichen Verzögerung (t) des Empfangs ein und derselben Schallwellenkomponente zwischen beiden Ohren
c
d
ct
sin
d
sin
d
d: Abstand der Ohren