backbeat Science: Unser Gehör – Teil I

Für Musik stellt das menschliche Ohr das entscheidende Sinnesorgan dar. Grund genug, sich näher damit zu beschäftigen. Im ersten Teil dieser neuen Serie geht es um Aufbau und Funktionsweise des Gehörs und den Hörbereich des Menschen.

Zuallererst ist natürlich wichtig zu verstehen, wie der von außen in Form von Druckschwankungen eintreffende Schall in unsere Ohren gelangt, dort weiterverarbeitet und schließlich als Klang wahrgenommen wird. Begeben wir uns also auf eine kurze Reise ins Innere unserer Ohren:

Das Außenohr

Das Außenohr hat die Aufgabe den Schall aus der Umgebung zum Trommelfell (4) zu leiten. Die Ohrmuscheln dienen dabei aufgrund ihrer Form und Stellung zueinander dazu, den Schall aufzunehmen und die Schallquelle zu orten. Der Gehörgang (2) ist ca. 27 Millimeter lang. An seinem Ende befindet sich das Trommelfell, das die eintreffenden Schwingungen an das Mittelohr weitergibt.

Das Mittelohr

Das Mittelohr dient in erster Linie der Schallübertragung vom Außen- zum Innenohr, genauer der sogenannten „Impedanzanpassung“. Diese ist notwendig, da die Schnecke (10) im Innenohr mit Lymphflüssigkeit gefüllt ist. Bei einem direkten Übergang des Schalls von der Luft im Außenohr zur Flüssigkeit im Innenohr würden fast die gesamten Schallschwingungen aufgrund des größeren Widerstands der Flüssigkeit verloren gehen. Daher muß der Druck der auf das Trommelfell wirkt, am ovalen Fenster (5) – dem „Übergang“ zum Innenohr – entsprechend größer sein.

Die benötigte Druckverstärkung wird durch die drei wohl bekannten Gehörknöchelchen Hammer (6), Amboß (7) und Steigbügel (8) ermöglicht. Diese Funktion kann im Prinzip mit einer mechanischen Hebelwirkung verglichen werden, wodurch der durch den Steigbügel verursachten Druck am ovalen Fenster circa 22-mal größer wird als am Trommelfell und nur etwa 40 Prozent des eintreffenden Schalls verloren gehen.

Gleichzeitig übernimmt das Mittelohr aber auch eine wichtige Schutzfunktion: Bei zu lautem Schall ziehen sich die im Mittelohr zusammen und schränken dadurch die Schwing-Fähigkeit des Steigbügels ein, wodurch zu lauter Schall – ab ca. 80 Dezibel (dB) abgeschwächt an das Innenohr weitergeleitet wird.

Das Innenohr

Das Innenohr besteht im Wesentlichen aus der Schnecke (10). Hier beginnt die eigentliche Hörwahrnehmung. Kurz gesagt befindet sich in der Schnecke unter anderem die Basilarmembran, auf der sich wiederum das Cortische Organ befindet, das über 20 000 sogenannte Haarzellen besitzt. Diese werden bei Schallübertragung angeregt und senden Nervenimpulse an den Hörnerv weiter, der schließlich die Signale zum Gehirn transportiert.

Die aktuell gängige Theorie, wie Schall im Innenohr tatsächlich in Nervenimpulse umgewandelt wird, geht im Kern auf Georg von Békésy zurück, der 1961 für seine Erkenntnisse den Nobelpreis erhielt. Eintreffender Schall erzeugt in der Schnecke eine Wanderwelle, die sich Richtung Schneckenspitze weiterbewegt. Je nach Frequenz des Schalls werden bestimmte Bereiche auf der Basilarmembran und die dort liegenden Haarzellen angeregt. Hohe Frequenzen werden nahe am ovalen Fenster aufgenommen, tiefe Frequenzen weiter weg in Richtung Schneckenspitze. Die angeregten Haarzellen geben schließlich durch Nervenimpulse eine Struktur der eingetroffenen Schwingungen wieder. Soweit eine etwas vereinfachte Darstellung der Hörtheorie.

Der Hörbereich

Der wahrnehmbare Frequenzbereich beim Menschen liegt ungefähr zwischen 16 Hertz (Hz) und 20 000 Hz (In Ausnahmefällen auch bis zu rund 26 000 Hz; mit zunehmendem Alter wird der wahrnehmbare Frequenzbereich kleiner). Genutzt wird der begrenzte Hörbereich des Menschen zum Beispiel bei Audio-Komprimierungsverfahren (mp3 etc.), in denen unhörbare Frequenzen entfernt werden.

Ob bestimmte Frequenzen gehört werden können hängt jedoch auch von deren Schallpegel – gemessen in Dezibel (dB) – ab. Die Schmerzgrenze liegt bei circa 130 dB, was etwa dem Start eines Düsenflugzeugs in 500 Meter Entfernung entspricht. Jedoch besteht bereits ab ungefähr 100 dB ein Risiko von bleibenden Gehörsschaden, wenn die Ohren diesem Schalldruck – der etwa auf Live-Konzerten leicht überschritten wird – länger ausgesetzt sind. Dabei ist zu beachten, daß die Einheit Dezibel ein logarithmisches Vergleichsmaß zwischen zwei Schallpegeln ist. Wenn kein anderer Bezugsschallpegel definiert ist, bezieht sich die Einheit in der Regel auf den gerade hörbaren Schallpegel. Da Dezibel eine logarithmische Einheit ist, entsprechen bereits 10 dB einer Verdopplung der subjektiv empfundenen Lautstärke, wodurch zum Beispiel 110 dB als doppelt so laut empfunden werden wie 100 dB.

Ohne den Spaß an der Sache zu vernachlässigen, empfiehlt sich also bereits bei längeren Konzerten, Übungseinheiten am Schlagzeug und Bandproben das Tragen von Gehörschutz.

Der Hörbereich im Detail

In der Grafik werden sowohl Hörschwelle (untere Kurve) als auch Schmerzgrenze (obere Kurve) veranschaulicht. Es ist die Frequenz (horizontal) in Kilohertz (kHz) in Bezug zum Schallpegel (vertikal) in dB aufgetragen. Wie zu sehen ist, ist die Hörschwelle im Bereich von circa 200 Hz – 10 000 Hz etwas abgeflacht, was bedeutet, daß in diesem Frequenzbereich ein geringerer Schallpegel nötig ist, um akustische Reize wahrzunehmen, was wiederum bedeutet, daß hier die Hörleistung des Menschen am besten ist. Die deutliche „Senke“ zwischen 2 000 – 5 000 Hz ist auf die Eigenresonanz des Gehörgangs zurückzuführen, durch die akustische Signale in diesem Bereich zusätzlich verstärkt werden.

Sinnvollerweise haben sich sowohl Sprache (schwarze Fläche) als auch Musik (graue Fläche) genauso entwickelt, daß sie sich in diesem für den Menschen am besten hörbaren Freqeunzbereich abspielen.

Die Kurve der Schmerzgrenze ist im Vergleich zu der der Hörschwelle eher flach. Das bedeutet, daß die Schmerzgrenze relativ frequenzunabhängig ist. Schallpegel ab 120 dB werden also in fast allen hörbaren Frequenz als schmerzhaft empfunden.

Hier noch ein kurzes Video zum Hörbereich:

Im nächsten Teil beschäftigen wir uns mit interessanten Phänomenen in der Hörwahrnehmung und akustischen Täuschungen.

Interview: Matthias Rigal
Bilder: http://www.moataznasr.com, Wikipedia