Räumliches Hören

Das räumliche Hören ermöglicht es dem Menschen, Schallquellen im dreidimensionalen Raum zu lokalisieren und die akustische Umgebung wahrzunehmen. Es bildet die Grundlage für stereofone Aufnahme- und Wiedergabeverfahren.

1. Binaurale Hinweise

1.1. Interaurale Zeitdifferenzen (ITD)

Definition: Laufzeitunterschiede zwischen beiden Ohren

$\Delta t = \frac{a \cdot \sin(\varphi)}{c}$

wobei:

• $a$ = Ohrabstand (≈ 17 cm)
• $\varphi$ = horizontaler Einfallswinkel
• $c$ = Schallgeschwindigkeit

Eigenschaften:

• Maximum: ±0,6 ms bei seitlichem Einfall (90°)
• Auflösung: Etwa 10-20 μs Unterscheidungsgrenze
• Frequenzbereich: Besonders wirksam < 1,5 kHz

1.2. Interaurale Pegeldifferenzen (ILD/IID)

Definition: Pegelunterschiede zwischen beiden Ohren durch Kopfabschattung

Frequenzabhängigkeit:

• Tiefe Frequenzen (< 500 Hz): Geringe Abschattung (Beugung)
• Mittlere Frequenzen (500 Hz - 4 kHz): Moderater Kopfschatteneffekt
• Hohe Frequenzen (> 4 kHz): Starke Abschattung bis 20 dB

Winkelabhängigkeit: $ILD(\varphi) = 20 \log \left| \frac{H_L(\varphi, f)}{H_R(\varphi, f)} \right|$

1.3. Spektrale Hinweise (HRTF)

Head-Related Transfer Function enthält:

• Ohrmuschel-Resonanzen: Richtungsabhängige Filterwirkung
• Torso-Reflexionen: Besonders bei Schall von unten
• Kopfbeugung: Frequenzabhängige Richtungseffekte

2. Psychoakustische Verarbeitung

2.1. Duplex-Theorie (Rayleigh)

Tiefe Frequenzen: Lokalisation primär über ITD Hohe Frequenzen: Lokalisation primär über ILD Übergangsbereich: 500-1500 Hz mit beiden Mechanismen

2.2. Precedence Effect (Haas-Effekt)

Zeitfenster: ~5-40 ms nach dem Direktschall Wirkung: Reflexionen werden räumlich zum Direktschall zugeordnet Anwendung: Basis für stereofone Phantom-Schallquellen

2.3. Cocktail-Party-Effekt

Selektive Aufmerksamkeit ermöglicht:

• Fokussierung auf gewünschte Schallquelle
• Unterdrückung von Störsignalen
• Nutzung räumlicher Trennung zur Quellenunterscheidung

3. Koordinatensysteme

3.1. Horizontalebene

• Azimutwinkel $\varphi$: 0° = frontal, ±90° = seitlich, 180° = hinten
• Primäre Lokalisationsebene für ITD/ILD-Verarbeitung

3.2. Medianebene

• Elevationswinkel $\vartheta$: 0° = horizontal, +90° = oben, -90° = unten
• Lokalisation primär über spektrale Hinweise (HRTF)

3.3. Entfernungswahrnehmung

Monaurale Hinweise:

• Direct-to-Reverberant Ratio: Verhältnis Direkt-/Diffusschall
• Hochfrequenz-Dämpfung: Luftabsorption bei großen Entfernungen
• Lautstärke: Bei bekannten Quellen

Binaurale Hinweise:

• ITD-Änderungen bei Kopfbewegungen (dynamische Hinweise)
• Binaural Unmasking: Verbesserung der Detektion durch Phasendifferenzen

4. Räumliche Auflösung

4.1. Minimum Audible Angle (MAA)

Horizontale Ebene: 1-2° (frontal), 3-5° (seitlich) Vertikale Ebene: 3-5° (Medianebene) Optimum: Etwa 30° seitlich vom frontalen Einfall

4.2. Lokalisationsschärfe

Einflussfaktoren:

• Signaldauer: Längere Signale → bessere Lokalisation
• Frequenzinhalt: Breitbandige Signale bevorzugt
• Pegel: Zu leise oder zu laute Signale verschlechtern Lokalisation

5. Raumakustische Effekte

5.1. Reflexionen und Hall

Frühe Reflexionen (< 50 ms):

• Lokalisation: Werden zur Direktschallquelle zugeordnet
• Klangfärbung: Kammfiltereffekte bei kurzen Laufzeiten
• Raumeindruck: Verstärkung des Quellensignals

Später Hall (> 50 ms):

• Diffuser Nachhall: Räumlichkeitseindruck
• Unabhängige Lokalisation: Bei ausreichendem Pegel
• Raumgröße-Wahrnehmung: Korrelation mit Nachhallzeit

5.2. Bose-Effekt

Phänomen: Verschiebung der wahrgenommenen Quellenposition bei spektralen Änderungen Ursache: Veränderung der binauralen Hinweise durch Raumakustik Relevanz: Wichtig für Beschallungsanlagen und Raumakustik

6. Technische Anwendungen

6.1. Binaurale Aufnahmetechnik

Kunstkopf-Stereofonie:

• Realistische ITD/ILD: Durch anatomisch korrekte Nachbildung
• HRTF-Wiedergabe: Spektrale Hinweise werden konserviert
• Kopfhörer-Wiedergabe: Optimale Reproduktion der Aufnahme

6.2. 3D-Audio-Systeme

Mehrkanal-Systeme:

• 5.1/7.1 Surround: Erweiterung der horizontalen Lokalisationsebene
• Dolby Atmos: Zusätzliche Höhenkanäle für 3D-Lokalisation
• Ambisonics: Vollsphärige Schallfeld-Rekonstruktion

6.3. Virtuelle Akustik

HRTF-basierte Synthese:

• Individualisierung: Personalisierte Head-Related Transfer Functions
• Real-time Processing: Echtzeit-Faltung für interaktive Anwendungen
• Kopftracking: Dynamische HRTF-Anpassung bei Kopfbewegungen

7. Messverfahren

7.1. HRTF-Messung

Standardisierte Verfahren:

• Kugelförmige Lautsprecher-Arrays: Vollsphärige HRTF-Erfassung
• SOFA-Format: Standardisiertes Datenformat für HRTF-Datensätze
• Individualmessungen: Personalisierte HRTF-Bestimmung

7.2. Lokalisationsexperimente

Pointing-Methode: Direktes Zeigen auf wahrgenommene Quellposition Head-Pointing: Ausrichtung des Kopfes zur Quelle Koordinaten-Angabe: Numerische Erfassung der Winkelkoordinaten

Das räumliche Hören bildet die physiologische Grundlage für alle stereofonen und mehrkanaligen Audiowiedergabe-Systeme und ist entscheidend für das Verständnis moderner 3D-Audio-Technologien.