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.

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

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

Literatur

• 1 Steinhauser A. The theory of binaural audition.  Phil Mag. 1877;  7 181-197, 261 - 274
• 2 Thompson S P. On the function of the two ears in the perception of space.  Phil Mag. 1882;  13 406-416
• 3 Strutt J W . On our perception of sound direction.  Phil Mag. 1907;  13 214-232
• 4 Mills A. Auditory localization. In: Tobias JV (Hrsg) Foundations of modern auditory theory, Vol. II. New York; Academic Press 1972: 303-348
• 5 Mach E. Bemerkungen über die Funktion der Ohrmuschel.  Arch f Ohrenheilk. 1875;  9 72
• 6 Bloch E. Das binaurale Hören.  Z Ohrenheilk. 1893;  24 25-85
• 7 Gardner M B, Gardner R S. Problem of localization in the median plane: Effect of pinnae cavity occlusion.  J Acoust Soc Am. 1973;  53 400-408
• 8 Batteau D W. The role of the pinna in human localization.  Proc Royal Soc (Lond). 1967;  Series B168 158-180
• 9 Blauert J P. Sound localization in the median plane.  Acustica. 1969;  22 205-213
• 10 Hebrank J, Wright D. Spectral cues used in the localization of sound sources on the median plane.  J Acoust Soc Am. 1974;  56 1829-1834
• 11 Kuhn G F. Physical acoustics and measurements pertaining to directional hearing. In: Yost WA, Gourevitch G (Hrsg) Directional hearing. New York; Springer-Verlag 1987: 3-25
• 12 Hartmann W M. The physical description of signals: Filters. In: Moore BCJ (Hrsg) Hearing. San Diego; Academic Press 1995: 33-40
• 13 Hartmann W M. Filters.  In: Signals, sound, and sensation. New York; Springer 1998: 195-237
• 14 Bracewell N B. The Fourier Transform and its applications. Boston; McGraw-Hill 2000
• 15 Grantham D W. Spatial hearing and related phenomena. In: Moore BCJ (Hrsg) Hearing. San Diego; Academic Press 1995: 297-345
• 16 Hartmann W M. How we localize sound.  Physics today. 1999;  11 24-29
• 17 Middlebrooks J C, Green D M. Directional dependence of interaural envelope delays.  J Acoust Soc Am. 1990;  87 2149-2162
• 18 Duda R O. Elevation dependence of the interaural transfer function. In: Gilkey RH, Anderson TR (Hrsg) Binaural and spatial hearing in real and virtual environments. Mahwah, New Jersey; Lawrence Erlbaum 1997: 49-75
• 19 Shaw E AG. External ear response and sound localization. In: Gatehouse RW (Hrsg) Localization of sound: Theory and applications. Groton, CT; Amphora Press 1982 b: 30-41
• 20 Wightman F L, Kistler D J. The dominant role of low-frequency interaural time differences in sound localization.  J Acoust Soc Am. 1992;  91 1648-1661
• 21 Wightman F L, Kistler D J. Resolution of front-back ambiguity in spatial hearing by listener and source movement.  J Acoust Soc Am. 1999;  105 2842-2853
• 22 Middlebrooks J C, Makous J C, Green D M. Directional sensitivity of sound-pressure levels in the human ear canal.  J Acoust Soc Am. 1989;  86 89-108
• 23 Wightman F L, Kistler D J. Factors affecting the relative salience of sound localization cues. In: Gilkey RH, Anderson TR (Hrsg) Binaural and spatial hearing in real and virtual environments. Mahwah, New Jersey; Lawrence Erlbaum 1997: 1-23
• 24 Shaw E AG. Acoustical features of the human external ear. In: Gilkey RH, Anderson TR (Hrsg) Binaural and spatial hearing in real and virtual environments. Mahwah, New Jersey; Lawrence Erlbaum 1997: 25-47
• 25 Blauert J P. Spatial hearing: The psychophysics of human sound localization. Cambridge MA; MITpress 1983
• 26 Butler R A, Humanski R A, Musicant A D. Binaural and monaural localization of sound in two-dimensional space.  Perception. 1990;  19 241-256
• 27 Wenzel E M, Arruda M, Kistler D J, Wightman F L. Localization using nonindividualized head-related transfer functions.  J Acoust Soc Am. 1993;  94 111-123
• 28 Hofman P M, Van Riswick J GA, Van Opstal A J. Relearning sound localization with new ears.  Nature neurosc. 1998;  1 417-421
• 29 Stern R M, Bachorski S J. Dynamic cues in binaural perception. In: Klinke R, Hartmann WR (Hrsg) Hearing-Physiological Bases and Psychophysics. Berlin; Springer-Verlag 1983: 209-215
• 30 Stern R M, Trahiotis C. Models of binaural interaction. In: Moore BCJ (Hrsg) Hearing. San Diego; Academic Press 1995: 347-386
• 31 Yost W A. Lateral position of sinusoids presented with interaural intensive and temporal differences.  J Acoust Soc Am. 1981;  70 397-409
• 32 Henning G B. Detectability of interaural delay in high-frequency complex waveforms.  J Acoust Soc Am. 1974;  55 84-90
• 33 Van de Par S. A comparison of binaural detection at low and high frequencies. Dissertation. Technische Universität Eindhoven 1998
• 34 Wallach H. The role of head movements and vestibular and visual cues in sound localization.  J Exp Psychol. 1940;  27 339-368

1 KEMAR = Knowles Electronics Manikin for Acoustic Research