Frequenz, Intensität und Lautheitswahrnehmung

Frequenz und Intensität sind die beiden primären physikalischen Dimensionen eines einfachen Schalls, und sie korrelieren, wenn auch unvollkommen, mit den perzeptiven Dimensionen von Tonhöhe und Lautheit. Dieses Thema behandelt, wie fein Hörer Frequenz- und Pegeländerungen diskriminieren können, wie die Lautheit mit der physikalischen Intensität zunimmt und wie die wahrgenommene Lautheit gemeinsam von der Frequenz und der Energieverteilung über die Cochlea abhängt. Diese Beziehungen sind zentral für die Audiometrie und für die Art und Weise, wie Hörgeräte den Schall formen.

Definition

Frequenz-, Intensitäts- und Lautheitswahrnehmung ist die Untersuchung, wie die physikalische Frequenz und Amplitude eines Schalls die Wahrnehmung seiner Tonhöhe und Lautheit durch den Hörer bestimmen, einschließlich der Schwellenwerte für die Detektion und Diskrimination dieser Größen.

Scope

Das Thema behandelt die Frequenz- und Intensitätsdiskrimination, den hörbaren Bereich und die absolute Schwelle, das Lautheitswachstum mit dem Pegel, die Lautheitssummation über das kritische Band und die Abhängigkeit der Lautheit von der Frequenz, ausgedrückt in Isophonkurven. Es handelt sich um Referenz- und Lehrmaterial zur perzeptiven Messung, nicht um klinische Leitlinien.

Core questions

• Was ist die kleinste nachweisbare Änderung in Frequenz oder Intensität?
• Wie wächst die Lautheit, wenn die physikalische Intensität zunimmt?
• Warum erscheint ein Schall mit festem physikalischem Pegel bei einigen Frequenzen lauter als bei anderen?
• Wie verändert die Verteilung der Energie über die Frequenz die wahrgenommene Lautheit?

Key concepts

• Absolute Schwelle und der hörbare Bereich
• Unterschiedsschwelle für Frequenz und Intensität
• Tonhöhe als perzeptives Korrelat der Frequenz
• Lautheit und die Sone-Skala
• Lautstärkepegel und das Phon
• Isophonkurven
• Kritisches Band und Lautheitssummation

Key theories

Potenzgesetz (Sone)-Skalierung der Lautheit

Die Lautheit kann auf einer Verhältnisskala, der Sone-Skala, quantifiziert werden, auf der die wahrgenommene Lautheit annähernd als Potenzfunktion der Schallintensität wächst, sodass sich die Lautheit über einen Großteil des Bereichs bei jeder Erhöhung des Pegels um 10 dB ungefähr verdoppelt.

Lautheitssummation im kritischen Band

Wenn die Energie eines Schalls über ein kritisches Band hinaus verteilt wird, nimmt die Gesamtlautheit zu, selbst wenn die Gesamtenergie konstant gehalten wird, was zeigt, dass das auditorische System die Lautheit innerhalb von Frequenzbändern integriert, die durch die cochleäre Filterung festgelegt sind.

Mechanisms

Die Frequenz wird durch den Ort der maximalen Erregung entlang der Basilarmembran und, bei niedrigeren Frequenzen, durch phasenstarre neuronale Zeitgebung kodiert; dies unterstützt eine feine Frequenzdiskrimination. Die Intensität wird durch die Feuerrate der Hörnervenfasern und durch die Rekrutierung zusätzlicher Fasern bei steigendem Pegel signalisiert, aber der aktive Mechanismus der Cochlea komprimiert einen weiten Bereich physikalischer Pegel in einen engeren Bereich neuronaler Reaktion. Die Lautheit wächst daher kompressiv mit der Intensität und wird über die Hörfilter summiert, sodass ein Schall, der mehr kritische Bänder abdeckt, lauter ist als ein tonaler Schall gleicher Energie. Da die Cochlea-Empfindlichkeit mit der Frequenz variiert, erzeugen gleiche physikalische Pegel unterschiedliche Lautheit, was durch Isophonkurven erfasst wird.

Clinical relevance

Cochleärer Hörverlust reduziert häufig die Frequenzselektivität und verstärkt das Lautheitswachstum, ein Phänomen, das als Lautheitsrekrutierung bekannt ist, bei dem die Lautheit über der Schwelle abnormal schnell ansteigt. Dies erklärt, warum die Verstärkung die Hörbarkeit wiederherstellen muss, ohne moderate Geräusche unangenehm laut zu machen, und warum Hörgeräte frequenzabhängige Kompression anwenden. Diese Punkte beschreiben perzeptive Konsequenzen von Hörverlust und sind keine individualisierten Anpassungs- oder Behandlungsanweisungen.

Evidence & guidelines

Lautheits- und Isophonbeziehungen wurden erstmals von Fletcher und Munson (1933) quantifiziert und sind heute international als Isophonkurven in ISO 226:2003 standardisiert, die das Phon und die Referenzbeziehung zwischen Frequenz, Pegel und Lautheit für normalhörende Personen definiert. Die Sone-Skala der Lautheit leitet sich aus der Verhältnis-Skalierungsarbeit in der Stevens-Tradition ab, und die Summation im kritischen Band ist in klassischen psychophysischen Studien dokumentiert.

History

Fletcher und Munsons Messungen von 1933 in den Bell Laboratories lieferten die ersten systematischen Isophonkurven und das Konzept des Lautstärkepegels. Stevens und Kollegen entwickelten in den 1930er Jahren die Verhältnis-Skalierung von Lautheit und Tonhöhe, was zu den Sone- und Mel-Skalen führte. Zwickers Arbeit zur Mitte des Jahrhunderts über das kritische Band verknüpfte Lautheitssummation und Maskierung mit der cochleären Frequenzanalyse, und die Isophonbeziehung wurde später verfeinert und standardisiert.

Debates

Wie genau sollte die Lautheit mit der Intensität skalieren?

Das einfache Potenzgesetz erfasst das Lautheitswachstum über einen Großteil des Bereichs, aber die Funktion flacht nahe der Schwelle ab und variiert zwischen Hörern und bei Hörverlust, sodass ein einzelner Exponent eher eine Annäherung als ein exaktes Gesetz ist.

Key figures

• Harvey Fletcher
• Wilden Munson
• Stanley Smith Stevens
• Eberhard Zwicker

Seminal works

• fletcher-munson-1933
• stevens-1937
• zwicker-1957

Frequently asked questions

Was ist der Unterschied zwischen Intensität und Lautheit?

Intensität ist eine physikalische Größe, die Energie, die ein Schall trägt, während Lautheit die subjektive Größe ist, die ein Hörer wahrnimmt. Die Lautheit hängt von der Intensität, aber auch von der Frequenz, der Bandbreite und dem Gehör des Hörers ab, sodass gleiche Intensitäten nicht immer gleich laut klingen.

Was ist ein Phon und was ist ein Sone?

Ein Phon ist eine Einheit des Lautstärkepegels: Ein Schall hat einen Lautstärkepegel von N Phon, wenn er als so laut wie ein N-Dezibel-1-kHz-Ton beurteilt wird. Ein Sone ist eine Einheit der Lautheit auf einer Verhältnisskala, definiert so, dass eine Verdoppelung der Sone-Anzahl einer Verdoppelung der wahrgenommenen Lautheit entspricht.