Die richtunggebenden Merkmale des räumlichen Hörens

Zusammenfassung

Diese Arbeit soll die Bedeutung der richtunggebenden Merkmale des räumlichen Hörens hervorheben. Es werden in Kürze die beiden wesentlichen Elemente der Duplextheorie vorgestellt, nämlich die interauralen Intensitätsdifferenzen, sowie die interauralen Zeitdifferenzen. Lord Rayleigh, der Autor der Duplextheorie erkannte, dass, wenn es sich um sinusförmige Signale handelt, die interauralen Zeitdifferenzen bei tiefen Frequenzen und die interauralen Pegeldifferenzen bei hohen Frequenzen wirkungsvoll sind. Im Vordergrund dieser Abhandlung stehen allerdings die erst vor ca. 30 Jahren berücksichtigten und mathematisch definierten zusätzlichen Lokalisationsmerkmale, darunter vor allem die Differenzen der Spektralanteile des zwischen den beiden Trommelfellen gemessenen Schalldrucks. Der Verlauf des Schalldrucks kann sowohl auf der zeitlichen, wie auch auf der spektralen Ebene, d. h. als Frequenzfunktion dargestellt werden. Um zu verstehen, in welcher Weise das Signal der Schallquelle durch die anatomischen Formationen, wie Kopf, Ohrmuscheln, Hals und Schultern verändert wird, muss man sich mit dem Konzept der Filterung vertraut machen. Ein Filter ist ein Prozessor, der ein beliebiges Signal in Bezug auf Amplitude und Phase auf bestimmte Weise frequenzabhängig transformiert. Die mathematische Funktion, die diesen auf den menschlichen Körper bezogenen Umwandlungsprozess beschreibt ist die anatomische Übertragungsfunktion (engl.: anatomical transfer function; ATF). Es ist von wissenschaftlicher Seite nachgewiesen worden, dass das zentral-auditive Erkennungssystem in der Lage ist, am Trommelfell messbare Strukturen im Spektrum für das räumliche Hören zu nutzen. Dies gilt sogar für monaurales Hören. Von noch größerer Bedeutung für das räumliche Hören sind allerdings die Unterschiede zwischen den beiden am Trommelfell gemessenen Frequenzverläufen. Diese Differenz wird wiederum durch eine Übertragungsfunktion, nämlich die interaurale Übertragungsfunktion (Engl.: interaural transfer function; ITF) beschrieben. Mit Hilfe der interauralen Differenzen der Spektralanteile können Mehrdeutigkeiten, wie sie sich aus der strikten Anwendung der Duplextheorie ergeben, aufgelöst werden. Das auditive Lokalisationssystem arbeitet insgesamt recht optimal. Schließlich gehört zum auditiven Lokalisationsmechanismus auch die Ausnützung der Kopfbewegungen. Wenn die dem Gehör zur Verfügung stehenden Informationsquellen unzureichend sind, kann sich der Zuhörer zusätzlich der Möglichkeit bedienen, durch kleinere Kopfbewegungen noch bestehende Mehrdeutigkeiten zu beseitigen.

Abstract

The ability to localize sound sources in space is of considerable importance to the human safety- and survival-system. Consequently the current scientific interest in improving the safety-standard i. e. in air-traffic control has provided a new momentum for investigating spatial hearing. This review deals with the nature and the relative salience of the localization cues. Localization refers to judgements of the direction and distance of a sound source but here we will deal with direction only. We begin with a short introduction into the so-called Duplex theory which dates back to John William Strutt (later Lord Rayleigh). The idea is that sound localization is based on interaural time differences (ITD) at low frequencies and interaural level differences (ILD) at high frequencies. If the head remains stationary neither a given ITD nor an ILD can sufficiently define the position of a sound source in space. On such a theoretical basis cones of confusion which open outward from each ear can be predicted ambiguously projecting any source on the surface of such a cone onto an interaural axis. Our restricted ability at localizing sound sources in the vertical median plane is another example of possible ambiguity. At the end of the 19th century scientists already realized that occlusion of the pinnae cavities decreases localization competence. As a result of later achievements in physics and signal-theory it became more obvious that the pinnae may provide an additional cue for spatial hearing and that the outer ear together with the head and the upper torso form a sophisticated direction-dependant filter. The action of such a filter is mathematically described by the so-called Anatomical Transfer Function (ATF). The spectral patterning of the sound produced by the pinnae and the head is most effective when the source has spectral energy over a wide range and contains frequencies above 6 kHz, that is it contains wavelengths short enough to interact with the anatomical characteristics of the outer ears. Scientific findings further suggest that spectral patterns like peaks and notches may also be exploited monaurally, albeit an a priori-knowledge at the central-auditive level concerning the corresponding transfer functions and relevant real-world sounds is required. Binaural spectral cues are more likely to play a major role in localization. They are derived from another transfer function, the so-called Interaural Transfer Function (ITF), being the ratio of the ATFs at the two ears. The contributions of all these cues may sometimes not be enough to prevent the listener from opting for the wrong direction. But things can be eased by allowing head-movements: More than 60 years ago science reasoned that small head movements could provide the information necessary to resolve most of the ambiguities. Recent studies have proved that these findings have been accurate all along.

Schlüsselwörter

Binaurales Hören - Duplextheorie - Anatomische Übertragungsfunktion - Monaurales Richtungshören - Interaurale Übertragungsfunktion - Kopfbewegungen beim Richtungshören

Key words

Spatial hearing - Directivity of localization cues - Duplex theory - Monaural spectral cues - Anatomical Transfer Function (ATF) - Direction dependent filter - Interaural Transfer Function (ITF) - Head movements in spatial hearing

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1 KEMAR = Knowles Electronics Manikin for Acoustic Research