1.3.3 Die Wahrnehmung von Tonhöhe

Jeder Mensch hat ein intuitives Verständnis dafür, was Tonhöhe ist, und kann im Normalfall beliebige Töne nach der Tonhöhe anordnen. Niemandem fällt es normalerweise schwer [17], zwei Töne miteinander zu vergleichen und zu sagen, ob der eine höher oder tiefer als der andere ist. Doch was ist Tonhöhe genau? Wir haben oben gesehen, daß eine Definition schwerfällt.
Wovon hängt die Tonhöhe eines Klanges ab? In erster Näherung ist es sicher richtig zu sagen, daß die Tonhöhe von der Grundfrequenz des Klanges bestimmt wird. Wenn der Klang aus harmonischen Obertönen besteht, ist die Tonhöhe des Klanges genau die Tonhöhe seines Grundtons. Wenn aber der Klang nicht harmonisch ist, ist es nicht mehr so leicht zu sagen, wie hoch seine Tonhöhe ist. Die folgenden Abschnitte beschäftigen sich mit der Frage, wie hoch ein nichtharmonischer Klang klingt.

Das Phänomen der ,,fehlenden Grundfrequenz``

Unser Gehör nutzt die harmonischen Verhältnisse von Teiltönen in einem Klanggemisch untereinander aus, um Informationen über die Grundfrequenz und die Tonhöhe zu gewinnen. So können wir die Grundtonhöhe eines Tones auch dann noch eindeutig bestimmen, wenn die Grundfrequenz gar nicht im Spektrum vorhanden ist, sondern nur Harmonische der Grundfrequenz.
Das Telefon ist ein alltägliches Beispiel für eine fehlende Grundfrequenz, die wir dennoch wahrnehmen. Durch das Telefon werden Frequenzen erst ab 300Hz übertragen, alle tieferen Frequenzen werden herausgefiltert. Nun liegt die Grundfrequenz der Sprache des Menschen aber bei Frauen bei 240Hz und bei Männern bei 120Hz, also deutlich unter 300Hz. Trotzdem können wir nicht nur Sprache am Telefon verstehen, wir können auch Stimmen zweifelsfrei identifizieren. Wir merken noch nicht einmal, daß die Frequenz, die der Tonhöhe des Sprechers entspricht, gar nicht vorhanden ist. Im allgemeinen reicht sogar ein viel kleinerer Frequenzbereich aus, um eine Grundtonhöhe wahrnehmen zu können.
Viele Messungen wurden gemacht, um dieses Phänomen der fehlenden Grundfrequenz (,,missing fundamental``) genauer zu studieren [49, 53].
Als ein kurioses Kapitel der Geschichte der Wissenschaft ist die Diskussion über die Existenz des Phänomens der fehlenden Grundfreqenz eingegangen, da zunächst ihre Existenz angezweifelt wurde (siehe Anhang A).
Würden wir keine Frequenzverhältnisse erkennen können, könnten wir keine Melodien wahrnehmen. Zwei verschieden hohe Töne, die gleichzeitig oder nacheinander erklingen, ergeben ein Intervall. Das Gehör registriert solche Tonabstände an beliebiger Stelle der Tonskala als gleich groß, wenn die Grundfrequenzen der beiden Töne im gleichen Verhältnis zueinander stehen. Dieses Prinzip ist eine der Grundlagen unserer temperierten Tonskala (,,temperiert``, weil die physikalisch ,,richtigen`` Frequenzverhältnisse nur angenähert stimmen). Das kleinste Intervall der traditionellen europäischen Musik ist der Halbton, der einem Frequenzverhältnis von ungefähr 17/18 entspricht.

Theorien zur Tonhöhenwahrnehmung

Die meisten der geläufigen Theorien (siehe vor allem Whightman [34], Goldstein [3, , 32] und Terhardt [62, 63, 64, 18]) gehen davon aus, daß das Erkennen der Tonhöhe ein zweistufiger Prozeß ist. In der ersten Stufe wird der Stimulus durch eine Frequenzanalyse getrennt, und die tieferen Partialtöne werden aufgelöst. Im zweiten Teil der Verarbeitung wird die Tonhöhe aus den erkannten Teilfrequenzen in einem Mustererkennungsprozess zusammengesetzt. Diese Theorien arbeiten vor allem mit den in den Signalen vorhandenen Frequenzen und heißen deshalb ,,spektrale Theorien``.
Andere, sogenannte ,,zeitliche`` Theorien arbeiten mit der Feinstruktur der Wellenform der Signale. Die Feinstruktur enthält zeitliche Informationen, die den spektralen Informationen äquivalent sind. Ein Vertreter dieser zeitlichen Theorien ist die von Langner vorgeschlagene Korrelationsanalyse [40]. Diese Theorie wird im nächsten Kapitel ausführlich besprochen.
Ein Problem der Interpretation tritt nun auf, wenn im Signal die Grundtonhöhe nicht vorhanden ist. Was interpretieren wir dann als Tonhöhe des Klanges? Nach den spektralen Theorien wird die Grundtonhöhe aus den erkannten und separierten Frequenzen ,,errechnet``. Wenn aber die spektralen Komponenten eines Klanges nicht mehr nur harmonische sind, ergeben sich Schwierigkeiten. In einem solchen Fall ist die Wahrnehmung nicht mehr eindeutig. Solche nichtharmonischen Klänge eignen sich für die Untersuchung von Tonhöhenwahrnehmung sehr gut, weil viele Effekte an ihnen deutlich werden. Auf eine genauere Darstellung der verschiedenen Theorien zur Tonhöhenwahrnehmung und ihrer Entstehung sei auf den Anhang verwiesen.