1 Einführung

In der Einführung werde ich die wichtigsten Grundlagen erläutern, die notwendig sind, um die Experimente, die Diskussion und die Ausblicke der späteren Kapitel verfolgen zu können. Ich gehe auf die Biologie des Ohres und der Hörwahrnehmung ein, sowie auf die Methode der Psychophysik. Am Ende stelle ich ein Korrelationsmodell zur Tonhöhenwahrnehmung vor.

Die Tonhöhenwahrnehmung ist ein bis heute rätselhafter Vorgang. Die alltägliche Erfahrung zeigt, daß jeder Mensch in der Lage ist, zwei Töne aufgrund einer offenbar inhärenten Eigenschaft in ihrer ,,Tonhöhe`` anzuordnen. Was diese Tonhöhe aber genau ist, ist nicht offensichtlich, und wir werden im Verlauf dieser Arbeit feststellen, daß sie nicht objektiv meßbar ist.
Die meisten in der Natur vorkommenden Töne haben eine eindeutige Tonhöhe, die von allen enthaltenen spektralen Komponenten abhängt. Alle Musikinstrumente, die menschliche Sprache und auch die meisten Laute von Tieren zeigen diese Eigenschaft. Andere Quellen erzeugen unharmonische Geräusche: Das Rauschen des Windes in den Blättern eines Baumes ist kein harmonisches Geräusch; wir können ihm keine Tonhöhe zuordnen. Auch viele von Menschen erzeugte Klänge haben keine einheitliche Tonhöhe, zum Beispiel Kirchenglocken. Das Spektrum von Glocken ist unregelmäßig und nicht auf eine einheitliche Grundfrequenz zurückzuführen. Das ist vermutlich auch der Grund, warum Glocken nur selten für musikalische Zwecke eingesetzt werden.

Einfache Experimente zeigen, daß die Tonhöhe in einigen Fällen vieldeutig sein kann, also nicht objektiv eindeutig meßbar ist. Einige der Experimente, die im weiteren Verlauf dieser Arbeit vorgestellt werden, haben den Zweck, dieses Phänomen zu untersuchen. Es wird sich herausstellen, daß das Perzept ,,Tonhöhe`` von verschiedenen Leuten verschieden bewertet wird. Manche Menschen nehmen gewisse Töne höher oder tiefer wahr als andere Menschen.
Menschen hören subjektiv unterschiedlich. Aus den physikalisch objektiv meßbaren Spektren lassen sich nur bedingt Aussagen über die damit verbundene Tonhöhe machen. Dies deutet auf ein Problem der Forschung über Tonhöhe hin: die Beschreibung der Vorgänge der Tonhöhenwahrnehmung sind weitgehend unbekannt.
In der Akustik ist es genauso schwierig, subjektive Eindrücke zu beschreiben wie in der Optik. So lassen sich bekannte Phänomene der optischen Täuschungen analog auch in der Akustik erzeugen. Dies betrifft akustische Wahrnehmungen wie die Tonhöhe, aber auch Zeitverläufe oder örtliche Orientierung. Von allen diesen Wahrnehmungen glauben wir im Alltag, daß sie objektiv sind und daß sie jeder Mensch gleich empfindet. Dies ist aber nur teilweise richtig. Im allgemeinen unterscheiden sich die subjektiven akustischen Wahrnehmungen erheblich.
Es ist einfach, die physikalischen Eigenschaften eines akustischen Signals zu beschreiben. Ein akustisches Signal ist durch die physikalischen Größen Zeitverlauf, Frequenz, Phase und Intensität eindeutig beschrieben. Der subjektive Eindruck, den ein solches Signal erzeugt, ist jedoch nur sehr schwierig zu erfassen.
Das menschliche Gehör ist ein Organ, das in seiner Funktionsweise unter anderem auf die menschliche Kommunikation, also vor allem auf die Sprache abgestimmt ist. Andererseits ist auch die Sprache auf die Leistungsfähigkeit des Stimmbildungsapparats und des Hörvermögens abgestimmt.

  
Abbildung: Sonagramm des Wortes ,,Alufolie``. Nach rechts ist der Zeitverlauf aufgetragen, nach oben die im Wort vorhandenen Frequenzen. Die Schwärzung ist ein Maß für die Intensität dieser Frequenzkomponente.

In Abbildung 1.1 ist das Frequenzspektrum des Wortes ,,Alufolie`` dargestellt. Die horizontale Achse stellt die Zeit dar, die vertikale Achse die Frequenz. Die Schwärzung deutet an, wie intensiv die Frequenzkomponente zur entsprechenden Zeit ist. Wie zu sehen ist, besteht das Wort aus harmonischen Teilen, die an der regelmäßigen Struktur paralleler Linien zu erkennen sind, sowie unharmonischen Teilen, erkennbar an den verwaschenen Bereichen ohne klare Struktur. Die harmonischen Bereiche entsprechen den Vokalen, ,,a``,,,e``,,,i``,,,o``,,,u``, die dazwischenliegenden unscharfen Bereiche den Konsonanten. Die Vokale bestehen aus einer Grundfrequenz und harmonischen Obertönen. Die Grundfrequenz ist die unterste Frequenzkomponente, also in Abbildung 1.1 die unterste der horizontalen Linien. Alle anderen Linien sind Obertöne, also harmonische Vielfache der Grundfrequenz. In der Abbildung 1.1 ist zu erkennen, daß sich die Grundfrequenz während des Wortes nur wenig ändert. Sie bleibt auch zwischen den Vokalen konstant.
Die Konsonanten bestehen dagegen vor allem aus rauschhaften und unharmonischen Anteilen. In der Abbildung 1.1 ist vor allem das ,,f`` als breites Band von Rauschen zu erkennen.
Ein Teil der Information der menschlichen Sprache wird von Vokalen getragen, steckt also in den spektralen Komponenten, die besonders stark vertreten sind. Diese Bereiche nennt man Formanten. Im Sonagramm erkennt man die Formanten an den besonders schwarzen Gebieten. Anhand der Formanten können die Vokale unterschieden werden. Ein ,,u`` zum Beispiel besitzt viel Energie im unteren Teil des Spektrums bei 1000Hz und einen Teil im hohen Bereich bei 5000Hz, ein ,,a`` hingegen hat eine größere Energie in höheren Frequenzbereichen bei 5000Hz.
Diese Formantbereiche ändern sich nur wenig zwischen den Sprechern. Jeder Mensch, der ein ,,a`` ausspricht, erzeugt eine Intensitätsverteilung wie in Abbildung 1.1 gezeigt.

Die Tonhöhe, die wir problemlos jedem Menschen zuordnen können (vor allem wenn er singt), hängt allerdings nicht von der Lage der Frequenzen im Spektrum ab, also von den Formanten, sondern hauptsächlich von der Grundfrequenz der einzelnen Vokale. Ein ,,a`` von einem männlichen Sprecher besteht in der Summe hauptsächlich aus höheren Frequenzen, als ein ,,i`` von einer weiblichen Sprecherin, das aus viel tieferen Frequenzen besteht. Trotzdem klingt die weibliche Stimme höher als die des Mannes. Der Grund dafür ist, daß die weibliche Sprecherin eine höhere Grundfrequenz benutzt als der männliche Sprecher und wir die Grundfrequenz mit der Tonhöhe identifizieren, nicht aber die tatsächlich vorhandenen Frequenzen.
Aus diesen Ausführungen ist zu entnehmen, welche Bedeutung die Tonhöhe für die menschliche Kommunikation hat. Sie trägt zwar keine Information über den Inhalt einer Sprachäußerung (die ,,Notion``), dafür aber über ihre ,,emotionale`` Bedeutung (,,Kontext``). Das ist es, was als Sprachmelodie bezeichnet wird.
Die Erkennung der Tonhöhe ermöglicht es auch, Stimmen zu identifizieren und zu klassifizieren, um z.B. männliche von weiblichen Sprechern zu unterscheiden. Im weiteren Verlauf der Evolution ist für den Menschen dann auch noch eine Bedeutung der Tonhöhe hinzugekommen, nämlich die, die ihr in der Musik beigemessen wird. In der Musik ist die Tonhöhe die wichtigste Trägerin von (musikalischer) Information.

 
• 1.1 Grundlagen der Physiologie des Ohres
  • 1.1.1 Außen und Mittelohr
  • 1.1.2 Das Innenohr
• 1.2 Neuronale Grundlagen
  • 1.2.1 Funktionsweise von Neuronen
  • 1.2.2 Aufbau der Hörbahn
  • 1.2.3 Funktionen des Hörnervs
• 1.3 Grundlagen der Psychophysik
  • 1.3.1 Musikalische Empfindungsklassen
  • 1.3.2 Physikalische Grundlagen der Tonhöhenwahrnehmung
  • 1.3.3 Die Wahrnehmung von Tonhöhe
  • 1.3.4 Der Stimulus: Sinusförmige Amplitudenmodulationen
• 1.4 Ansätze zur Modellbildung
• 1.5 Das neuronale Korrelationsmodell
  • 1.5.1 Die Korrelationsgleichung
  • 1.5.2 Übersicht über das neuronale Korrelationsmodell
  • 1.5.3 Das Triggerneuron
  • 1.5.4 Die Oszillatorneurone
  • 1.5.5 Die Integratorneurone
  • 1.5.6 Das Koinzidenzneuron
  • 1.5.7 Funktionsweise des Korrelationsmodells