A.6.1 Ortstheorien

Spektrale Theorien basieren auf der Grundlage einer Mustererkennung. Dabei findet ein großer Teil der Analyse schon auf der Cochlea statt. Die Vorraussetzung dafür ist, daß die Basilarmembran in der Lage ist, mit hoher Genauigkeit eine Zerlegung der Frequenzen zu leisten. Diese ,,Ortstheorien`` [43] nehmen an, daß die dabei aufgelösten Frequenzen in einem neuronalen Prozessor mit einem Mustererkennungsprozeß weiterverarbeitet werden.

Ein Vertreter dieser Gattung von Theorien ist die ,,virtuelle Tonhöhentheorie`` von Terhardt A.6 [62]. Die Idee dieses Modells ist, daß die virtuelle Tonhöhe in etwa wie ein virtuelles Bild wahrgenommmen werden kann. Obwohl in Abbildung A.5 die Umrisse nicht gezeichnet sind, kann man sie doch wahrnehmen. Das Auge erzeugt sich die fehlenden Linien selbst. Wir erkennen im rechten Teil der Abbildung deutlich ein Quadrat, obwohl objektiv keins vorhanden ist.
So wie ein optischer Eindruck von etwas entsteht, was nicht vorhanden ist, so soll die Erkennung einer Tonhöhe erfolgen als von etwas, ,,was nicht vorhanden ist, aber eigentlich hin gehört``. Wichtig dabei ist, daß der Wahrnehmungszustand und die Erwartungshaltung des Hörers einen Einfluß auf die Wahrnehmung hat.

Abbildung: Eine Analogie zwischen virtueller Tonhöhenwahrnehmung und virtuellen optischer Wahrnehmung. In diesen Bildern erkennen wir Strukturen, die objektiv nicht vorhanden sind.

Diese Modelle wurden durch Terhard und andere weiter verfeinert. Whightman schlug eine Mustererkennung der spektralen Klangkomponenten vor [34]. Goldstein entwickelte eine Theorie eines ,,optimalen Prozessors``, der eine genaue Analyse der aus den spektralen Komponenten entstehenden Muster vornimmt.
Terhard konzipierte aus diesen Komponenten schließlich ein Modell, um die Wahrnehmung komplexer Töne zu erklären [18]. Dieses Modell wird im folgenden als Beispiel einer spektralen Theorie genauer vorgestellt: In Terhards Modell werden zwei Begriffe der Tonhöhe unterschieden:

spektrale Tonhöhe:

die tatsächlich vorhandenen Frequenzen im Spektrum. Sie kann nur auftreten, wenn der entsprechende Teilton im Klang objektiv vorhanden ist.

virtuelle Tonhöhe:

die von einem Menschen subjektiv empfundene Tonhöhe. Die entsprechende Komponente muß nicht im Spektrum vorhanden sein. Ihr wichtigster Vertreter ist die erwähnte Residualtonhöhe.

1. Beim holistischen Hören wird die virtuelle Tonhöhe wahrgenommen.
2. Beim analytischen Hören kann man sich auf einzelne Komponenten konzentrieren, wodurch die spektralen Tonhöhen wahrnehmbar werden.

Beide Arten des Hörens führen in Terhards Modell zu Abbildungen der Tonhöhe in Mustern. In diesen Mustern stecken alle Informationen über virtuelle oder spektrale Tonhöhen. Dieses Muster wird von einem Msutererkennungsprozeß weiterverarbeitet.

Abbildung: Funktioneller Aufbau eines Modells zur Tonhöhenerkennung.

Die Muster entstehen aus dem Signal durch eine komplexe Verarbeitung. Die Funktionsweise des Modells ist in Abbildung A.6 skizziert. In einem Flußdiagramm ist der Weg der Verarbeitung von der Quelle (Signal) bis zu einer Abbildung in einem Muster der gewichteten Tonhöhen dargestellt.
Zu Beginn steht das Signal, das in einer spektralen Analyse in seine einzelnen Komponenten zerlegt wird. Dafür wird im Modell eine Fourierzerlegung des Signals angenommen.
Aus diesem Spektrum werden nach einer Gewichtungsfunktion diejenigen Komponenten herausgefiltert, die wichtig sind für die Tonhöhen. Die Auswahl dieser sogenannten ,,tonalen`` Komponenten erfolgt dabei nach ihrer relativen Intensität im Spektrum.
Die tonalen Komponenten werden durch verschiedene Mechanismen des Maskierens und der Tonhöhenverschiebung gewichtet.
Das Ergebnis wird durch eine spektrale Dominanzfunktion beurteilt. Diese Funktion wird gewichtet nach der Dominanz der Region im Bereich der sprachrelevanten Frequenzen.
Die Ausgabe des Modells ist eine Güteklassifizierung aller spektralen und virtuellen Frequenzen.
In jeder Verarbeitungsstufe des Modells treten Parameter auf, die frei wählbar sind. Diese Parameter wurden schließlich durch psychohysikalische Messungen mit vielen Versuchspersonen kalibriert. Durch die zwei Verarbeitungsmethoden, die des holistischen und die des analytischen Hörens, entstehen zwei verschiedene Muster, die miteinander, je nach Aufmerksamkeitszustand des Hörers, verechnet werden. Die Kombination der Bewertung von spektralen und virtuellen Komponenten bestimmen die Tonhöhe.
Das Ergebnis ist die Wahrnehmung einer Tonhöhe. Wie in den Experimenten auch, gibt es verschiedene Möglichkeiten des subjektiven Hörens, die sich in den nicht reproduzierbaren Ergebnissen psychophysikalischer Experimente wiederspiegeln.

Dieses Modell ist in der Lage, den ersten Effekt der Tonhöhenverschiebung zu erklären. Es verwendet dazu alle vorhandenen Partialtöne und errechnet daraus die verschobene Tonhöhe. Dieser Effekt wird in Terhards Modell gelernt. Er kann zwar nach dem Lernen quantifiziert werden, aber es besteht keine Notwendigkeit dafür, daß es zu einer Verschiebung kommt .
Die Entstehung des zweiten Effekts der Tonhöhenverschiebung wird im Modell darauf zurückgeführt, daß Kombinationstöne einen Einfluß auf die Komponenten haben [58]

Durch die Annahme vieler freier Parameter bietet das Modell eine gute Möglichkeit der Beschreibung vieler psychoakustischer Phänomene. Es wurde durch sehr viele Meßergebnisse kalibriert und kann viele Effekte beschreiben.
Um die Parameter zu bestimmen, nimmt Terhard einen Lernprozeß an, der in früher Kindheit stattfindet. Terhard schlug einen auf einer Matrix von Widerständen basieren Lernmechanismus vor, der die Fähigkeit hat, die Parameter durch Lernen zu bestimmen.
Wenn man die Terminologie der heutigen neuronalen Netze gebraucht, könnte man sagen, daß er ein künstliches neuronales Netzwerk entwarf, daß durch Lernen ohne Lehrer einen stabilen Zustand findet, indem es die Eingänge durch eine nichtlineare Funktion auf die Ausgänge abbildet. Die heutige Terminologie der Neuronalen Netze gab es allerdings zu der damaligen Zeit noch nicht.