Psychoacoustics 1 – introduction, the ear

Psychoacoustics 1

Introduction, the ear

Alexis Baskind, https://alexisbaskind.net

Psychoacoustics 1 – Introduction, the ear

Course series

Fundamentals of acoustics for sound engineers and music producers

Level

undergraduate (Bachelor)

Language

English

Revision

January 2020

To cite this course

Alexis Baskind, Psychoacoustics 1 – The ear, course material, license: Creative Commons BY-NC-SA.

Full interactive version of this course with sound and video material, as well as more courses and material on https://alexisbaskind.net/teaching.

Outline

What is psychoacoustics?

The physiology of the ear

Hearing damages

What is Psychoacoustics?

Psychoacoustics is a sub-branch of psychophysics, a branch of science concerned with the relationships between physical stimuli and subjective mental phenomena like perception.

Psychoacoustics focuses on the auditory perception: how a sound signal with given characteristics is perceived by the ear?

What is Psychoacoustics?

There is an equivalent of several objective characteristics of sound in the auditory perception, for example:

Level => Loudness

Fundamental Frequency => Pitch

Frequency Relationships => Intervals

Amount of high frequencies in the spectrum

=> Brightness

The relation between objective parameters and their perception by audition is however rarely easy

Why is Psychoacoustics important for Music Production?

Many techniques used in music production result from findings from psychoacoustics

The results of research in psychoacoustics tell us, what we can hear and what we cannot

Why is Psychoacoustics important for Music Production?

In music production, it’s a mistake to consider only objective characteristics of sound and signal, since the relationship between those and hearing can sometimes be very complex

It is very useful to know how the ear system works, in order to reach quicker a given goal while producing music

Outline

What is psychoacoustics?

The physiology of the ear

Hearing damages

The physiology of the ear

Video Laura J. Martin, « Hearing and the Cochlea », MedilinePlus, National Library of Medicine

MedlinePlus brings together authoritative health information from the National Library of Medicine (NLM), the National Institutes of Health (NIH), and other government agencies and health-related organizations.

The physiology of the ear

The ear has two tasks:

to transform ear pressure information into nerve impulses

to participate to the sense of balance (thanks to the so-called vestibular mechanism in the inner ear)

The ear is made of three parts: outer, middle and inner ear

The physiology of the ear

The ear conch and the ear canal collect sound (like a funnel) and conduct it until the ear drum. Moreoever, the ear conch filters sound according to the direction of arrival (see „Spatial Hearing“)

The physiology of the ear

The eardrum vibrates with sound pressure, and transmits this vibration to the bones in the middle ear

The physiology of the ear

The bones in the middle ear (called malleus, incus and stapes) make the oval window vibrate…

The physiology of the ear

The main function of the middle ear is to optimize the sound transfer from a gaseous outer medium (air) to a liquid inner medium. Without it, only a fraction of the sound energy would be transmitted to the inner ear.

The physiology of the ear

…thus transmitting the vibration to the organ of Corti in the cochlea (in the inner ear)

The physiology of the ear

The vibration of the organ of Corti depends on the frequency. Low frequencies have to travel all the organ to reach the end => Frequency decomposition (like a filter bank)

The physiology of the ear

The organ of Corti has tiny hairs called hair cells which role is to transform the vibration into nerve impulses that will be transmitted to the the central nervous system.

Outline

What is psychoacoustics?

The physiology of the ear

Hearing damages

Hearing damages

The hair cells can hardly regenerate: when they’re damaged, its finished

=> Protect your ears !

Organ of Corti (of a mouse) in good condition

The same after an exposure to a very loud noise

Hearing damages

Hearing loss can result (among others) of:

Long-term exposure to loud sounds, or short-term exposure to very loud sounds:

Ex: . a gunshot (140-170 dB SPL) can damage hearing immediately

. an ambulance siren (120 dB SPL) can damage hearing after 7 minutes exposure per day

. A loud rock music concert (110-130 dB SPL) can damage hearing after 3.5-30 minutes exposure per day

. Listening to iPod or similar with earphones at maximum volume (> 100 dB SPL) can damage hearing after 5 minutes exposure per day

. Listening to iPod or similar with earphones in the street (≈85-95 dB SPL) can damage hearing after 4 hours exposure per day

Hearing Damages and Ear Fatigue

Producing Music every day may not entail long-term hearing damages, but is anyway quite exhausting for the ear.

With increasing ear fatigue, the accuracy of the perception and the attention decrease

This means: regular breaks are important!

Hearing damages

Hearing loss can result (among others) of:

High pressure differences (air plane, deep water, high altitudes)

Age

Genetics

Diseases

Drugs

Some medications and chemicals (classified as “ototoxic”: some antibiotics, aspirin, quinine…

Conclusion

The ear is made of three parts: outer, middle and inner ear

Outer and middle ear aim at adapting and transmitting sound as vibrations to the cochlea in the inner ear

The hair cells in the cochlea transforms those vibrations into nerve impulses

The Cochlea does a “frequency analysis” of the sound

The hair cells are fragile and cannot be regenerated, except (and only partly) in the first hours after an ear trauma

An ear injury is an absolute emergency and needs a quick and professional treatment

Psychoakustik 1

Einleitung – Das Ohr

Alexis Baskind, https://alexisbaskind.net

Psychoakustik 1 – Einleitung, das Ohr

Kursreihe

Grundlagen der Akustik für Toningenieure und Musikproduzenten

Niveau

Bachelor

Sprache

Deutsch

Revision

Januar 2020

Diesen Kurs zitieren

Alexis Baskind, Psychoakustik 1 – Einleitung, das Ohr, Kursmaterial, Lizenz: Creative Commons BY-NC-SA.

Vollständige, interaktive Version dieses Kurses mit Ton- und Videomaterial sowie mehr Kurs und -Material auf https://alexisbaskind.net/teaching.

Inhaltsverzeichnis

Was ist Psychoakustik?

Das Hörorgan

Gehörschäden

Was ist Psychoakustik?

Die Psychoakustik ist ein Teil der Psychophysik, eine Wissenschaft, die sich auf die Beziehungen zwischen physikalischen objektiven Reizen und mentalen Phänomenen wie subjektiven Wahrnehmungen bezieht

Psychoakustik konzentriert sich auf die auditive Wahrnehmung: wie wird ein Schallsignal mit gewissen Eigenschaften vom Gehör empfunden?

Was ist Psychoakustik?

Für mehrere objektive Eigenschaften gibt es ein direktes Pendant in der Hörempfindung, z.B.:

Pegel => Lautheit

Grundfrequenz => Tonhöhe

Frequenzverhältnisse => Intervalle

Anteil der hohen Frequenzen im Spektrum

=> hell/dunkel

Die Beziehung zwischen den objektiven Parametern und ihrer auditiven Empfindung ist aber selten einfach

Warum ist Psychoakustik für die Musikproduktion wichtig?

Viele Techniken und Erfindungen, die in der Musikproduktion benutzt werden, folgen aus Entdeckungen der Psychoakustik

Die Ergebnisse der Psychoakustik lehren uns, was man hören und nicht hören kann

Warum ist Psychoakustik für die Musikproduktion wichtig?

In der Musikproduktion wäre es ein Fehler, nur die objektiven Klang- und Signaleigenschaften zu betrachten, weil die Beziehung zwischen diesen und dem Hören manchmal sehr kompliziert sein kann

Es ist wirklich hilfreich zu wissen, wie das Gehör funktioniert, um schneller das gewünschte Ergebnis in der Musikproduktion zu erreichen

Inhaltsverzeichnis

Was ist Psychoakustik?

Das Hörorgan

Gehörschäden

Das Hörorgan

Video Laura J. Martin, « Hearing and the Cochlea », MedilinePlus, National Library of Medicine

MedlinePlus brings together authoritative health information from the National Library of Medicine (NLM), the National Institutes of Health (NIH), and other government agencies and health-related organizations.

Das Hörorgan

Das Ohr hat zwei Aufgaben:

Umwandlung des Schalldrucks in Nervenimpulse

Teil vom Gleichgewichtssinn (im sogenannten Vestibularapparat, ein Teil des Innenohrs)

Das Ohr besteht aus drei Teilen: das Außenohr, das Mittelohr, und das Innenohr

Das Hörorgan

Die Ohrmuschel und der Gehörgang sammeln Schall (wie ein Trichter) und leiten ihn bis zum Trommelfell. Zudem filtert die Ohrmuschel den Schall je nach Einfallrichtung (Siehe „Räumlisches Hören“)

Das Hörorgan

Das Trommelfell schwingt, wenn der Schalldruck variiert und leitet diese Vibration zu den Knochen im Mittelohr weiter.

Das Hörorgan

Die Knochen im Mittelohr (Hammer, Amboss und Steigbügel genannt) leiten auch die Vibration zum ovalen Fenster weiter…

Das Hörorgan

Die Hauptaufgabe vom Mittelohr ist eine Optimierung der Schallübertragung vom gashaltigen äußeren Medium (Luft) bis zum flüssigen inneren Medium. Ohne dies würde nur ein Bruchteil der Schallenergie übertragen.

Das Hörorgan

… und dann zum Corti-Organ in der Hörschnecke (innerhalb des Innenohrs)

Das Hörorgan

Die Schallempfindung der unterschiedlichen Stellen des Corti-Organs ist frequenzabhängig: z.B. müssen die tiefsten Frequenzen das ganze Organ durchfahren => Frequenzzerlegung

Das Hörorgan

Im Corti-Organ wandeln die inneren Haarzellen die Vibration in Nervenaktivität um. Die Information wird dann zum zentralen Nervensystem weitergeleitet und dort bearbeitet.

Inhaltsverzeichnis

Was ist Psychoakustik?

Das Hörorgan

Gehörschäden

Gehörschäden und Hörermüdung

Das Innenohr kann sich kaum regenerieren: wenn es beschädigt wird, ist es oft für immer

=> Schützen Sie Ihre Ohren!

Maus-Innenohr im guten Zustand

Nachdem es einem langen, sehr lauten Rauschen ausgesetzt wurde

Gehörschäden und Hörermüdung

Gehörschäden können u.a. durch laute Klänge entstehen:

z.B.: . Ein Gewehrschuss (140-170 dB SPL) kann das Gehör sofort beschädigen

. Eine Krankenwagensirene (120 dB SPL) kann das Gehör nach 7 Minuten beschädigen

. Ein sehr lautes Konzert (110-130 dB SPL) kann das Gehör nach 5-30 Minuten beschädigen

. Hören mit iPod oder ähnlich mit Ohrhörern mit maximalen Pegel (> 100 dB SPL) kann das Gehör nach 5 Minuten beschädigen

. Hören mit iPod oder ähnlich mit Ohrhörern auf der Straße, oder zu laut mischen, (≈85-95 dB SPL) kann das Gehör nach 4 Stunden beschädigen

Gehörschäden und Hörermüdung

Die alltägliche Arbeit in der Musikproduktion ist für das Gehör sehr anstrengend, auch wenn es das Gehör permanent nicht schädigt

Mit Hörermüdung wird die Akkuratesse der Empfindung und die Aufmerksamkeit immer schlechter

Das heißt: regelmäßige Pausen sind wichtig!

Gehörschäden und Hörermüdung

Andere mögliche Ursachen für Gehörschäden sind:

große Luftdruckunterschiede (Flug, Tauchen, usw.)

Alter

genetische Ursachen

Krankheiten

Drogen

einige Medikamente (genannt „ototoxisch“): manche Antibiotika, Aspirin, Chinin…

Fazit

Das Hörorgan besteht aus 3 Teilen: Außen-, Mittel- und Innenohr

Die Hauptaufgabe des Außen- sowie des Mittelohrs liegt in der Anpassung und Übertragung des Schalls in Form von mechanischer Schwingung bis zur Hörschnecke (Cochlea) im Innenohr

Die inneren Haarzellen in der Hörschnecke wandeln diese Schwingung in Nervenimpulse um.

Die Hörschnecke erledigt eine Frequenzzerlegung des Schalls

Die Haarzellen sind zerbrechlich und können nicht sich regenerieren, außer (und nur teilweise) in den ersten Stunden nach einem Schalltrauma

Ein Schalltrauma ist ein absoluter Notfall und benötigt eine schnelle und professionelle medizinische Behandlung.