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dB und andere Mysterien. SHURE Europe GmbH Headquarter Europe, Middle East and Africa Applications Group Wannenäckerstr. 28 74078 Heilbronn Tel: + 49 - 7131 - 7214 - 0 Fax: + 49 - 7131 - 7214 - 14 eMail: support@shure.de. Das menschliche Gehör. Gehörorgan dient zur Erfassung von:

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Presentation Transcript
db und andere mysterien

dB und andere Mysterien

SHURE Europe GmbHHeadquarter Europe, Middle East and Africa

Applications Group

Wannenäckerstr. 28

74078 Heilbronn

Tel: + 49 - 7131 - 7214 - 0

Fax: + 49 - 7131 - 7214 - 14

eMail: support@shure.de

das menschliche geh r
Das menschliche Gehör
  • Gehörorgan dient zur Erfassung von:
    • Schalldruck - was wir als Lautstärke empfinden
    • Frequenz - wird als Tonhöhe empfunden
das menschliche geh r funktion
Das menschliche Gehör - Funktion
  • Die Ohrmuschel dient nur bedingt zur Richtungsselektion.
  • Gehörgang (3,5cm) führt Signal an Trommelfell.
  • Trommelfell trennt zwischen Außenohr und Mittelohr.
  • Im Mittelohr: Hammer, Amboß und Steigbügel.
das menschliche geh r funktion1
Das menschliche Gehör - Funktion
  • Hammer, Amboß und Steigbügel übertragen die vom Trommelfell aufgenommenen Schwingungen auf die Membran des ovalen Fensters am Eingang des Innenohrs (Anpassung).
  • Das Innenohr (in Form einer Schnecke) ist mit Lymph-Flüssigkeit gefüllt.
das menschliche geh r funktion2
Das menschliche Gehör - Funktion
  • Trennwand teilt Schnecke in oberen und unteren Bereich und endet kurz vor Ende der Schnecke. Eine kleine Öffnung (Helicoterma) dient dem Druckausgleich.
das menschliche geh r funktion3
Das menschliche Gehör - Funktion
  • Trennwand reicht nicht zu beiden Seiten der Schnecke, sondern wird durch Basilarmmembran überbrückt.
  • Basilarmmebran beginnt mit einer Breite von 0,16 mm am ovalen Fenster und endet mit 0,5 mm an der Helicotrema.
  • Auf ihr sitzt das Cortische Organ.
das menschliche geh r funktion4
Das menschliche Gehör - Funktion
  • Im Cortischen Organ liegen mehrere Sinneszellen (feine Häärchen) nebeneinander, welche durch Hörnerven mit dem Gehirn verbunden sind.
  • Vom Ende der Trennwand geht die sog. Reissner-Membran aus. Darunter liegt eine Deckmembran, welches das Corti-Organ kaum berührt.
das menschliche geh r funktion5
Das menschliche Gehör - Funktion
  • Ankommende Schallwelle wird über Trommelfell, Gehörknöchelchen auf ovales Fenster übertragen. Im Innenohr teilen sich diese Schwingungen auf:
    • Endolymphe des oberen Schneckenkanals und
    • Lymphe zwischen Reissner- und Basilarmembran
  • Längs der Basilarmembran bildet sich eine Welle geringer Laufgeschwindigkeit aus.
das menschliche geh r funktion6
Das menschliche Gehör - Funktion
  • Die Basilarmembran ihrerseits wird infolge verschiedener Elastizitätsgrade je nach Frequenz an bestimmten Stellen in einen Schwingungszustand versetzt.
  • Hierdurch entstehen imInnern der SchneckeSchwingungsmaximader Endolymphe undder Basilarmembran.
das menschliche geh r funktion7
Das menschliche Gehör - Funktion
  • Die unterschiedlichen Elastizitäten der Basilarmembran bewirken, dass die Auf- und Abbewegungen der Flüssigkeitsschwingungen in Hin- und Her-Bewegungen verwandelt werden.
  • Die Sinneszellen des Cortischen Organs, die am oberen Ende feine Härchen besitzen, werden angeregt.
das menschliche geh r1
Das menschliche Gehör
  • Junge Menschen (Säuglinge) hören den gesamten Frequenzbereich von 20 Hz bis 20 kHz.
  • Die obere Hörgrenze verschiebt sich langsam nach unten. Ältere Menschen kören kaum noch bis 12 kHz.
  • Das liegt an der Versteifung des runden Fensters im Laufe der Zeit.
was ist schall
Was ist Schall???
  • Als Schall bezeichnet man mechanische Wellen in einem elastischen Medium.  Ohne Medium (im Vakuum) gibt es keinen Schall
  • Schall breitet sich in Wellenform aus; ähnlich wie bei einem Steinwurf ins Wasser
schallausbreitung
Schallausbreitung
  • Druckverlauf einer Schallwelle
  • Die Schallgeschwindigkeit in Luft (bei 20 °C) beträgt 343 m/s
schallschnelle schalldruck
Schallschnelle & Schalldruck
  • Schall setzt sich aus zwei Komponenten zusammen:
    • Die Schallschnelle v ist die lokale Geschwindigkeit der (Gas-)Teilchen. (Nicht zu verwechseln mit der Schallgeschwindigkeit.)
    • Der Schalldruck p ist ein Wechseldruck, der sich dem atmosphärischen Druck überlagert.

 Das menschliche Gehör reagiert nur auf den Schalldruck

die schwellen des menschliche geh r
Die Schwellen des menschliche Gehör
  • Die durchschnittliche Hörschwelle des Menschen liegt bei einem Schalldruckpegel (SPL) von:
    • 20 µPa
  • Die Schmerzschwelle liegt sehr viel höher:
    • bei über 20 Pa
  • Das Verhältnis zwischen Schmerz- und Hörschwelle ist:
einf hrung des logarithmus
Einführung des Logarithmus
  • Aufgrund des sehr großen menschlichen Hörbereichs werden Schalldruckpegelmessungen (SPL = Sound Pressure Level) in Dezibel (dB) angegeben
einf hrung des logarithmus1
Einführung des Logarithmus
  • Ein weiterer Grund dB zu verwenden besteht darin, dass das Verhalten des menschlichen Gehörs sich durch diese Skalierung sehr gut annähern lässt.
logarithmus
Logarithmus
  • Der Logarithmus kann nur von dimensionslosen Größen gebildet werden
logarithmus1
Logarithmus
  • Physikalische Größen werden deshalb auf einen Grundwert bezogen (in der Akustik der Druck bei der Hörschwelle)
logarithmus2
Logarithmus
  • In der Praxis sind die Logarithmen oft kleiner als 1. Aus diesem Grund multipliziert man sie mit 10 oder 20.

10 ... Leistungsgrößen (Watt)

20 ... Einzelgrößen wie Volt, Ampere, Pascal

rechenregeln
Rechenregeln
  • Die wichtigsten Grundrechenregeln des Logarithmus:
rechenbeispiel
Rechenbeispiel
  • Berechnung eines Leistungsverstärkers
    • Gewinn
    • Leistung kann über den Widerstand berechnet werden
rechenbeispiel1
Rechenbeispiel
  • Berechnung eines Leistungsverstärkers
    • durch Bildung des Logarithmus:
    • im angepassten Fall: Rin=Rload
schalldruckpegel spl
Schalldruckpegel SPL
  • Berechnung des SPL mittels Druckpegel:
  • Berechnung des SPL mittels der Energie:

p0 = Druck an der Hörschwelle = 2 • 10-5 Pa

E0 = Energie an der Hörschwelle = 10-12 W

schalldruckpegel spl1
Schalldruckpegel SPL
  • Schalldruckpegel an der Hörschwelle:
  • Schalldruckpegel an der Schmerzschwelle:
menschliches h ren
Menschliches Hören
  • Eine Pegeländerung von 1 dB ist der kleinste wahrnehmbare Lautstärkeunterschied.
  • 3 dB wird generell bemerkt.
  • Ein Unterschied von 6 dB SPL wird deutlich wahrgenommen.
  • Eine Änderung von 10 dB SPL wird als “doppelt so laut” empfunden.
h rbeispiele
Hörbeispiele
  • Eine Pegeländerung von 1 dB ist der kleinste wahrnehmbare Lautstärkeunterschied
  • 3 dB Pegelunterschied wird generell bemerkt.
  • Eine Änderung von 10 dB SPL wird als “doppelt so laut” empfunden.
tabellarische bersicht
Tabellarische Übersicht

Spannungs-, Strom- und

Schalldruckverhältnisse

dB

Energieverhältnisse

verdoppelung der lautst rke
Verdoppelung der Lautstärke
  • Frage:

Ich habe eine PA Anlage mit 2 x 500 Watt. Ich bin mit der erreichbaren Lautstärke nicht zufrieden, sondern möchte die Lautstärke verdoppeln. Wie stark muß meine PA Anlage dimensioniert werden?

verdoppelung der lautst rke1
Verdoppelung der Lautstärke
  • Antwort
    • Doppelt so laut bedeutet +10 dB SPL.
    • Das Leistungsverhältnis für +10 dB ist Faktor 10. Dies bedeutet 10-mal mehr elektrische Leistung: 2 x 5000 Watt
verdoppelung des schalldrucks
Verdoppelung des Schalldrucks
  • Frage:Um welchen Faktor muß ich die Leistung meiner PA vervielfachen, um den Schalldruck zu verdoppeln?
verdoppelung des schalldrucks1
Verdoppelung des Schalldrucks
  • Antwort
    • Doppelter Schalldruck  +6 dB SPL
    • Meine PA braucht 4 mal soviel Leistung!!!
spl phon und sone
SPL, Phon und Sone

Einführung von Phon & Sone

  • Das Lautstärkeempfinden eines Audiosignals ist subjektiv und frequenzabhängig.
  • Daher ist es nicht möglich Lautstärke absolut zu messen. Wir können lediglich Schalldruckpegel (SPL) messen.
lautst rkepegel phon
Lautstärkepegel: Phon
  • Definition:Ein Audiosignal hat einen Lautstärkepegel von =n Phon, falls es subjektiv gleich laut empfunden wird wie ein 1 kHz Sinussignal mit einem Schalldruckpegel (SPL) von n dB. (= Lambda)
kurven gleicher lautst rke
Kurven gleicher Lautstärke

Lautstärkepegel inPhon entsprechen den Schalldruckpegeln bei 1 kHz.

  • Das menschliche Gehör hat keinen linearen Frequenzgang: unterschiedliche Empfindlichkeit für unterschiedliche Frequenzen.
frequenzgang des menschlichen geh rs
Frequenzgang des menschlichen Gehörs
  • Ansteigende Frequenzen mit konstantem Pegel
  • Ansteigende Frequenzen mit konstanter Lautstärke
kurven gleicher lautst rke1
Kurven Gleicher Lautstärke
  • Frage:

Wie sehr muß man den Lautstärkepegel eines 100 Hz Signals erhöhen, um es subjektiv als gleich laut wie ein 1 kHz Signal von 20 dB SPL zu empfinden?

kurven gleicher lautst rke3
Kurven Gleicher Lautstärke
  • Frage:

Wie sehr muß man den Lautstärkepegel eines 4 kHz Signals reduzieren, um es subjektiv als gleich laut wie ein 1 kHz Signal von 50 dB SPL zu empfinden?

lautst rke phon
Lautstärke: Phon
  • Der Lautstärkepegel (Phon) steht nicht im direkten Zusammenhang mit der subjektiven Ausdruck Lautstärke.
  • Ein 1 kHz Signal wird als doppelt so laut empfunden wenn sein Pegel um 10 dB (= 10 Phon) erhöht wurde. Halb so laut wenn sein Pegel um -10 dB (= -10 Phon) reduziert wurde.
  • dB@1 kHz = Phon@1 kHz
lautheit sone
Lautheit: Sone
  • Um Lautstärke größenmäßig zu erfassen, wird „Sone” eingeführt.
  • Sone ist die Antwort auf die Frage: „Wieviel lauter ist es? Doppelt, dreimal ... so laut?”
  • Definition:1 Sone ist die Lautheit eines 1 kHz Signals bei einem Lautstärkepegel von 40 Phon (= 40 dB).
slide45
Sone
  • Doppelt so laut als 40 Phon wird als 2 Sone bezeichnet, halb so laut als 0,5 Sone.
  • Beziehung zwischen Schalldruckpegel und Lautheit in Sone für ein 1 kHz Signal.
mehrere schallquellen
Mehrere Schallquellen
  • Was ist lauter als eine Trompete? Klar, zwei Trompeten 
  • Die Frage ist nun: wie laut sind dann zwei Trompeten?
  • Wenn Pegel von Schallquellen kombiniert werden, darf man Pegel nicht einfach addieren. Dies muss auf der Energiebasis geschehen!!!
addition von schalldruckpegeln
Addition von Schalldruckpegeln
  • Energiebasis  Faktor 10 vor dem Logarithmus:
  • Die Energien der einzelnen Quellen müssen addiert werden:
beispiel addition von 3 schallquellen
Beispiel: Addition von 3 Schallquellen
  • Frage:Wie hoch ist mein Gesamtschalldruckpegel wenn ich drei Einzelquellen mit 65, 70 und 75 dB habe?

Berechnung:

n gleiche schallquellen1
n gleiche Schallquellen
  • Lautstärke-Änderung bei mehreren identischen Schallquellen
  • Eine Verdopplung identischer Schallquellen erhöhen den Schalldruckpegel immer um 3 dB.
resultierender schalldruckpegel
Resultierender Schalldruckpegel
  • All diese Berechnungen sind sehr zeitraubend und vielleicht exakter als wirklich nötig.
  • Daher ist es einfacher und schneller mit folgender Kurve zu arbeiten:
beispiel resultierender schalldruckpegel
Beispiel: Resultierender Schalldruckpegel
  • Ein Signal mit 77 dB und ein Signal mit 84 dB

Unterschied 7 dB

Ergebnis: 84,8 dB

verdeckungseffekt
Verdeckungseffekt
  • Ein lautes Signal kann ein leiseres Signal verdecken.
  • Zwei Töne innerhalb einer Frequenzgruppe (Bandbreite etwa eine Oktave).
  • Ist der erste Ton viel lauter als der zweite, dann wird der zweite Ton verdeckt.
  • Das menschliche Gehör addiert im Verdeckungsfall nicht die Lautstärkepegel (Phon) beider Signale, sondern deren Energien.
h rbeispiel verdeckungseffekt
Hörbeispiel: Verdeckungseffekt
  • Zeitlich
    • Ein sehr lautes Signal verdeckt leiseres, selbst kurz nachdem es abgeschaltet wurde.
h rbeispiel verdeckungseffekt1
Hörbeispiel: Verdeckungseffekt
  • Spektral
    • Zunächst hört man schmalbandiges Rauschen. Danach eine Sequenz von 4 Tönen: 200, 500, 1000, 3000 Hz.
    • Anschließend Rauschen und Tonfolge gleichzeitig.
verdeckungseffekt1
Verdeckungseffekt
  • Unterhalb den Kurven wird ein Signal verdeckt

Randbemerkung:

MP3-Format arbeitet

mit dem Verdeckungseffekt!

doppler effekt
Doppler-Effekt
  • Bewegt sich ein (lautes) Objekt auf einen Hörer zu, so erhöht sich die Frequenz; entfernt es sich so sinkt die Frequenz.
  • Grund hierfür ist das „Zusammendrücken“ bzw. Auseinanderziehen der Wellenfronten.
doppler effekt1
Doppler-Effekt
  • Bewegt sich ein (lautes) Objekt auf einen Hörer zu, so erhöht sich die Frequenz; entfernt es sich so sinkt die Frequenz.
  • Grund hierfür ist das „Zusammendrücken“ bzw. Auseinanderziehen der Wellenfronten.
schallmauer
Schallmauer
  • Bewegt sich beispielsweise ein Flugzeug genau mit Schallgeschwindigkeit, dann überlagern sich Wellenfronten zu einem starken Impuls
schallmauer1
Schallmauer
  • Überschreitet das Flugzeug die Schallgeschwindigkeit überlagern sich die Wellenfronten in Form eines Kegels.
schallmauer2
Schallmauer
  • Der Überschall-Knall wird auf dem Boden auf einer Parabelkurve gleichzeitig gehört.
haas effekt
Haas-Effekt
  • „Gesetz der ersten Wellenfront“
    • Eine Schallquelle wird in der Richtung lokalisiert, aus der die erste Wellenfront eintrifft.
    • Eine Reflektierte Welle oder das Signal aus einem Lautsprecher kann sogar lauter sein.
haas effekt1
Haas-Effekt
  • „Gesetz der ersten Wellenfront“

Dieser Effekt wird genutzt um eine Delay-Line in einer Beschallung aufzubauen.

delay line
Delay-Line

Verstärktes Signal

- verzögert -

Direkter Schall

Sprecher

Hörer

haas effekt2
Haas-Effekt
  • Integrationszeit des Gehörs
    • Ist der Zeitunterschied eines ähnlichen Schallereignisses unterhalb ca. 30 ms, so wird dies als Hall wahr genommen
    • Überschreitet der Zeitunterschied ca. 40 ms, erkennt man ein Echo.
stereophonie
Stereophonie
  • Menschliches räumliches Hören
stereophonie laufzeitunterschied
Stereophonie - Laufzeitunterschied
  • Seitlich eintreffender Schall gelangt zuerst zu einem Ohr und mit einer gewissen Laufzeit erreicht der Schall erst später das andere Ohr:
stereophonie intensit tsunterschied
Stereophonie - Intensitätsunterschied
  • Durch die längere Wegstrecke zum entfernten Ohr verliert das Schallsignal an Intensität. Aufgrund der unterschiedlichen Wellenlänge (Beugungsfähigkeit) ist dies frequenzabhängig.
stehende wellen in r umen
Stehende Wellen in Räumen
  • Schallwelle läuft zwischen zwei parallelen Wänden hin und her
  • Durch Interferenz entstehend Knoten und Bäuche

hinlaufende Wellereflektierte Welleresultierende Welle

pegelwald
Pegelwald
  • Im Audiobereich gibt es:
    • Lautsprecherpegel
    • Mikrofonpegel
    • Linepegel
    • AUX-Pegel
    • dBu
    • dBV
    • ...
slide71
dBV
  • dBV wird auf 1 Volt bezogen:
  • -10 dBV entspricht einem Signalpegel von:
slide72
dBu
  • dBu wird auf 0,775 Volt bezogen:
  • 4 dBu entspricht einem Signalpegel von:
beziehung zwischen dbu und dbv
Beziehung zwischen dBu und dBV
  • dBV = dBu - 2,2
    • +4 dBu  1,8 dBV
  • dBu = dBV + 2,2
    • -10 dBV  -7,8 dBu
typische audiopegel
Typische Audiopegel
  • 'Mic' Pegel:
    • etwa 0,25 mV für 1 µbar; oder in Dezibel: -72 dBV
    • oder ca. 2,5 mV für 1 Pa; oder in Dezibel -52 dBV
  • Andere übliche Pegel von Audiogeräten:
    • 'Aux' oder ‘Tape' Pegel: ca.100 mV oder -20 dBVzu finden bei TV’s, Videorekordern, CD Spielern, Kassettenrekordern, etc.
    • 'Line' Pegel: ca. 1 V oder 0 dBV
  • Lautsprecherpegel
    • bis zu 100 V; oder 40 dBV
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dB und andere Mysterien

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