Seminar: Ausgewählte Probleme der Wahrnehmungpsychologie

Räumliches Hören

Nina van Ackern und Markus Lindenberg

1. Was versteht man unter räumlichen Hören?

2. Lokalisation und Lateralisation

3. Laufzeitdifferenz

4. Intensitätsdifferenz

5. Die Bedeutung der Ohrmuschel (Pinna)

6. Töne als informative Hilfe für Menschen, deren visuelles System beeinträchtigt ist

6.1 Echoorientierung

6.2 Orientierung durch von Objekten ausgesandte Töne

7. Hörillusion

1. Was versteht man unter räumlichen Hören?

Wir alle kennen die folgende Situation. Es ist Nacht und wir befinden uns mitten auf einem Feld. Plötzlich nehmen wir ein Geräusch wahr, ein Geräusch das uns nicht gerade heiter stimmt. Obwohl wir die Quelle des unheimlichen Geräusches nicht sehen können, wissen wir sofort aus welcher Richtung dieses Geräusch kommt. Durch das Lokalisieren der Quelle des Schalls sind wir in der Lage auf den Reiz (Geräusch) Angemessen zu reagieren (in diesem Fall z.B. wegrennen). Die akustische Wahrnehmung der räumlichen Lage einer Schallquelle in der Umwelt nennt man räumliches Hören. (Bei Verwendung eines Kopfhörers auch die Lage innerhalb des Kopfes.)
Das räumliche Hören hängt zum einen von den binauralen (beidohrigen) Differenzen im Schalldruckpegel ( Intensitätsdifferenzen ) und zum anderen von den binauralen Zeitdifferenzen ab.
Das räumliche Hören spielt also eine wichtige Rolle für uns Menschen um sich in unserer Umwelt besser zurecht zu finden. Im besonderen für Menschen mit beeinträchtigten bzw. gestörten visuellen System (Blinde). Mit Hilfe des räumlichen Hörens können Informationen über die Umweltgegebenheiten gewonnen werden.
Informationen über die räumliche Lage einer Schallquelle aufgrund von Intensitätsdifferenzen und Laufzeitdifferenzen können von den Ohren nur ermittelt werden, wenn sich der Schall plötzlich ändert (Töne, Geräusche, Laute etc.). Durch das gleichmäßige Rauschen des Windes z.B. sind keine genauen Informationen zu gewinnen. Was ja auch nicht unbedingt wichtig ist, denn nur plötzliche Schalländerungen bedeuten auch eine Änderung der Umwelt auf die entsprechend zu reagieren ist.

2. Laufzeitdifferenz

Die räumliche Lage einer Schallquelle kann einmal durch die Laufzeitdifferenz festgestellt werden. Als Laufzeitdifferenz wird nun der Zeitunterschied bezeichnet, den die Schallwege benötigen um die beiden Ohren zu erreichen, das bedeutet nicht anderes ,als daß der Schall ein Ohr früher erreicht als das andere.
Kommt eine Schalländerung von der linken Seite, so erreicht sie das linke Ohr auch zuerst. Das rechte Ohr wird später erreicht, da es sich weiter entfernt von der Schallquelle und auf der abgewandten Seite des Kopfes befindet. Die Laufzeitdifferenz ist also abhängig von den Wegen, die der Schall zurücklegt um die Ohren zu erreichen.

Keine Laufzeitdifferenzen entstehen, wenn sich die Schallquelle direkt vor bzw. direkt hinter der Person (Kopfmitte) befindet. In diesem Fall sind die Schallwege gleich lang.

Selbst kleine Abweichungen einer Schallquelle von der Kopfmitte können erkannt werden. Bei kleinen Schalländerungen (z.B. Klicklauten) können Laufzeitdifferenzen erkannt werden, die entstehen, wenn die Schallquelle in einem Winkel vom 3 ° von der Kopfmitte abweicht. Das Gehör kann Laufzeitdifferenzen von 10 - 30 µs erkennen. (Im Vergleich zu der Dauer von anderen Nervenimpulsen in unserem Nervensystem eine sehr geringe Zeit.)
Abb. 1.1. zeigt die Laufzeitdifferenzen, die entstehen wenn die Schallquelle in einem entsprechenden Winkel von der Kopfmitte abweicht. (Fedderson, Sandel, Tears, und Jeffress (1957), Green (1976)

Eine wichtige Rolle beim Erkennen der Laufzeitdifferenzen spielt die Position des Kopfes. In unserer Umwelt werden von unserem Ohr gleichzeitig mehrere Töne, Laute etc. wahrgenommen. Goldstein (1996) spricht in diesem Zusammenhang vom sog. "cone of confusion" (S. 401). Ein "cone of confusion" entsteht dann, wenn mehrere Töne mit gleichen Laufzeitdifferenzen am Ohr ankommen. In diesem Fall kann der Mensch die einzelnen Schallquellen nicht lokalisieren. Um die Schallquelle doch ausfindig zu machen, muß einfach der Kopf bewegt werden.

Zu Laufzeitdifferenzen die innerhalb der Kopfes dargeboten werden, siehe Lateralisation.

Versuch: Die Wirkungen des Richtungshören lassen sich in einem kleinen Versuch, den jeder mit wenig Mühe nachmachen kann, sehr eindrucksvoll darstellen.
Dazu werden ein Stethoskopbügel, ein Schlauch (am besten 1- 2 m) und eine Stricknadel benötigt.
Durchführung:
Der Stethoskopbügel wird mit dem Schlauch verbunden. Klopft man mit der Stricknadel auf den Schlauch, so erreicht der Schall die beiden Ohren in einem zeitlichen Abstand. (Wenn dies nicht der Fall ist, hat man entweder die Mitte getroffen oder die Person hat was an den Ohren.)

3. Intensitätsdifferenz

Intensitätsdifferenz (auch Pegelunterschied genannt) kommt vor, wenn die Wellenlängen des Schalls im Vergleich zum Kopf klein sind und daher von diesem reflektiert werden. Nur dann stellt der Kopf ein Hindernis für die Schallwellen dar und auf der jeweils gegenüberliegenden Kopfseite bildet sich ein Schallschatten. Dies ist nur bei hohen Frequenzen der Fall (ca. ab 2 bis 3 kHz).
Im Kontrast dazu haben niedrig frequentierte Töne lange Wellenlängen im Vergleich zum Kopf, daher stellt für sie die Kopfseite kein Hindernis dar.

Abb. 3.1. Das Entstehen des Schallschattens.

4. Lokalisation und Lateralisation

Wird ein Änderung des Schalls external, d.h. außerhalb des Kopfes, dargeboten, so handelt es sich beim Beschreiben der Schallquelle um eine Lokalisation. Die Auswertung der Informationen der Ohren führt dann zur Lokalisation des Ursprungs der Schallquelle.

Der Ton (Reiz) kann auch über Kopfhörer dargeboten werden. Die Wahrnehmung des Reiz erfolgt somit internal, d.h. im Kopf selbst.
Wenn die Töne, die über Kopfhörer dargeboten werden, synchron sind, so hört die Person die Schallquelle so, als wenn sie sich in der Mitte des Kopfes, der sog. Medianebene, befände.
Lateralisation bedeutet eine scheinbare Wegbewegung der Schalquelle aus der Mitte des Kopfes hin zu einer Seite.
Das "Wandern" der scheinbaren Schalquelle kann erzeugt werden durch a) eine zeitliche Verschiebung der Reizeingabe, d.h. der Reiz wird in einem Kopfhörer früher dargeboten (Laufzeitdifferenz) oder
b) eine höhere Intensität des Reizes (Intensitätsdifferenz)

Bei einer unterschiedlichen Empfindlichkeit der beiden Ohren kommt es zu einer Lateralisation zum besseren Ohr hin.

Demonstration zur Lateralisation. Hierfür benötigen Sie einen Kopfhörer.

Sie hören jetzt 3 Beispiele:
1. Beispiel: Es werden Töne mit einer Frequenz von 500 Hz und 2000 Hz zu hören sein, die mit wechselten Phasen von + 45 und - 45 Grad dargeboten werden. Bei der Frequenz von 500 Hz scheint sich die Schallquelle von einer Seite zur anderen zu bewegen und zwar jedesmal, wenn sich die Phase ändert.
2. Beispiel: Hier wird ein Impuls, der als "click" zu hören ist, mit verschiedenen Laufzeitdifferenzen dargeboten. Die Quelle des Tons scheint andauernd zwischen der rechten und linken Seite zu wechseln.
3. Beispiel: Hier hören Sie Töne von niedriger Frequenz (250 Hz) und hoher Frequenz (4000 Hz). Es soll der Effekt der Intensitätsdifferenzen gezeigt werden.

5. Bedeutung der Ohrmuschel (Pinna)

Die Ohrmuschel hat eine große Bedeutung für das Lokalisieren von Geräuschen und Tönen. Sie wirkt als Schallfänger und wie ein Filter. Die Schallsignale werden von der Ohrmuschel auf unterschiedlicher Art und Weise linear verzerrt. Die Art der Verzerrung hängt von der Einfallsrichtung des Schalls und von der Entfernung der Schallquelle ab. Jeder Mensch hat in der Gestalt unterschiedliche Ohrmuscheln. Die Gestalt einer Ohrmuschel bewirkt wie der Ton außen abprallt und in die Ohrmuschel (und von dort aus ins Trommelfell) gelangt. Nun kann man sich wohl auch leicht vorstellen, daß große Ohren die Lokalisation von Schallquellen erleichtern.

6. Töne als informative Hilfe

Für Menschen deren visuelles System eingeschränkt bzw. gestört ist, stellen Töne eine wichtige Informationsquelle dar. Durch die akustischen Reize können sie sich in der Umwelt besser zurecht finden. Töne können auf zwei Arten bei der Lokalisation von Objekten helfen. Die Person erzeugt selbst Laute und erhält dann Informationen durch das Echo, die sog. Echoorientierung.
Die zweite Möglichkeit ist, daß das Objekt selber Töne aussendet, die der Mensch zum lokalisieren des Objektes nutzen kann.

6.1 Echoorientierung

Von einem Echo wird gesprochen, wenn Schallwellen von Gegenständen, Wänden, Decken etc. reflektiert werden und somit das Ohr der Person wieder erreichen, von der diese Schallwellen ausgesendet worden sind.
Zu beachten ist jedoch, das die reflektierten Schallwellen nur dann als Echo wahrgenommen werden, wenn zwischen dem Ausgangston und dem reflektierten Ton eine Zeitdifferenz von 30 - 50 ms liegt. Ist die Differenz geringer so kommt es zu einem Höreindruck. Dieser gemeinsame Höreindruck erlaubt es aber, sich ein Eindruck der Raumcharakteristik zu machen. Der Höreindruck hängt von Größe, Art, Anzahl der Einrichtungsgegenstände etc. ab.

Blinde Menschen können, wie jeder weiß, Hindernissen mit erstaunlichem Geschick ausweichen. Sie benutzen zur Orientierung in der Umwelt das Echo von selbst erzeugten Geräuschen, z.B. das Echo ihrer Fußschritte.
In vielen eindrucksvollen Experimenten konnte die Wirkung der Echoorientierung dargestellt werden.
In verschiedenen Experimenten wurden Blinde und Personen, denen die Augen verbunden waren, in Räume gebeten in denen Gegenstände aufgestellt waren. Sie sollten die Räume ohne Kollisionen mit den Gegenständen durchqueren. In einem Teil der Experimente waren den Vpn nicht nur die Augen verbunden, daneben wurden auch Gesicht und Hände abgedeckt, damit Wärmestrahlungen, Luftbewegungen etc. als Informationsquellen ausgeschaltet waren. Den Vpn gelang es kurz vor den Gegenständen zu stoppen. Waren die Ohren als Informationsquelle ausgeschaltet, so war die Kollisionsrate erheblich höher. (vgl. u.a. Ammers, Warchel und Dallenbach (1953), Campenhausen, (1993)).
Nicht nur die Lokalisation, sondern auch die Art und Größe eines Gegenstandes können in Erfahrung gebracht werden. Rice (1967) ließ unter akustisch kontrollierten Bedingungen flache Gegenstände von der Decke. Die Vpn hatten die Aufgabe akustisch die Größe und Form der Gegenstände zu erkennen. In vielen Fällen erkannten die Vpn Größe und Form. Zum Erkennen benutzten sie entweder Zischlaute oder sie schnalzten mit der Zunge.

6.2 Orientierung durch von Objekten ausgesandte Töne

Es ist klar, daß man ein Objekt, auch mit geschlossenen Augen, gut lokalisieren kann, wenn es selbst Töne erzeugt. In unserer Umgebung ist dies jedoch meistens nicht der Fall. Goldstein (1996) beschreibt ein System, welches von 2 amerikanischen Universitäten entwickelt worden ist. Auf dieses System soll hier kurz eingegangen werden. Bei diesem System wird eine Person mit einem elektronischen Kompaß, einem Sender und Empfänger sowie Kopfhörern ausgestattet. Der Sender und Empfänger stehen im direkten Kontakt mit einem Satellit. Mit Hilfe der Daten des elektronischen Kompasses ermittelt der Satellit die Position der Person, bis auf einen Meter genau. Die Daten werden in einem Computer, der mit einer Karte der Gegend programmiert ist, umgerechnet. über Kopfhörer wird der Person nun die Position der Objekte mitgeteilt, und zwar so, als ob das Objekt selber seine Position mitteilen würde.
Die Probleme diese Systems liegen auf der Hand. Erstens muß der Computer mit einer aktuellen Karte der Gegend programmiert sein. Und zweitens können keine Objekte erkannt werden, die nicht fest sind, z.B. Menschen, Tiere, Fahrzeuge etc. Man stelle sich das Gesicht einer Vp vor, die zwar elegant sämtliche feste Hindernisse umkurvt und hinter der letzten Telefonzelle, da sie ja durch den Kopfhörer die Umweltgeräusche nicht bzw. nur gemindert wahrnehmen kann, unter den nächsten Bus rennt.

7. Hörillusion

Demonstration
(Auch hierfür benötigen Sie einen Kopfhörer)

Töne von 400 und 800 Hz wechseln sich auf beiden Ohren in entgegengesetzter Phase ab. Das heißt, wenn das linke Ohr 400 Hz empfängt, empfängt das rechte Ohr 800 Hz.
Ca. 99% der Hörer hören einen einzelnen niedrig-frequentierten Ton auf dem einen Ohr und einen hoch-frequentierten Ton auf dem anderen Ohr.
Erstaunlich ist, daß wenn man die Kopfhörer umdreht, viele den hohen Ton und den niedrigen Ton auf den gleichen Ohren hören wie zuvor.
Rechtshänder hören gewöhnlich den hohen Ton im rechten Ohr und den niedrigen im linken Ohr, egal wie die Kopfhörer orientiert sind.
Bei Linkshänder dagegen ist es genauso wahrscheinlich, daß sie den hohen Ton auf dem rechten Ohr hören, wie auf dem linken Ohr. Dieses läßt sich darauf zurückführen, daß bei einem Rechtshänder die linke Hemisphäre dominant ist (und der erste "Hörinput" erfolgt auf dem rechten Ohr), während bei einem Linkshänder beide Hemispheren dominant sein können. Hohe Töne werden dann offensichtlich als von dem Ohr gehört wahrgenommen, welches mit der dominanten Hemisphere verbunden ist.

Literaturverzeichnis:

Campenhausen von, C. (1993). Die Sinne des Menschen. Stuttgart, New York: Thieme.
Goldstein, E. B. (1996). Sensation & Perception. Pacific Grove, CA: Brooks / Cole.
Grantham, D. W. (1995). Spatial Hearing and Related Phenomena. In C. J. Moore (ed.), Hearing. San Diego: Academic Press.
Hellbrück , J.(1993). Hören: Physiologie,Psychologie und Pathologie. Göttingen: Hofgrefe.