Psychoakustische Schallfeldsynthese für Musik

Dieses Einführungskapitel gibt einen Überblick über das vorliegende Buch, das sich mit der Wahrnehmung von Räumlichkeit in der Musik befasst und in der Entwicklung eines neuartigen psychoakustischen Schallfeldsyntheseansatzes für ein natürliches, räumliches Musikhörerlebnis gipfelt. Nach einigen allgemeinen Bemerkungen zur Motivation und zur Zielgruppe dieses Buches führt die Einleitung den Leser durch die Themen, die in den einzelnen Kapiteln über räumliche Konzepte der Musik, die Biologie des Gehörs, die Psychoakustik, die Akustik von Musikinstrumenten, die Raumakustik, den konventionellen stereophonen Klang, die Wellenfeldsynthese und schließlich die psychoakustische Schallfeldsynthese behandelt werden.

Musik ist in vielerlei Hinsicht räumlich. Musikalische Konzepte und Musikwahrnehmung werden in vielen Kulturen mit räumlichen Begriffen beschrieben. Dieses räumliche Denken spiegelt sich in der Musik wider, von räumlichen Kompositionen bis hin zu stereophonen Aufnahme- und Mischtechniken. Folglich nutzen sowohl traditionelle Musiktheorien als auch moderne Ansätze der computergestützten Musikanalyse räumliche Konzepte und Operationen, um ein tieferes Verständnis von Musik zu erlangen. Dieses Kapitel gibt einen Überblick über die Konzepte der Räumlichkeit in der Musikpsychologie, den Stand der Technik bei der räumlichen Musikkomposition und beim Abmischen im Tonstudio sowie einen Überblick über die Räumlichkeit in der Musiktheorie und der computergestützten Musikanalyse. Die Bedeutung von Raumkonzepten in all diesen theoretischen und praktischen Disziplinen unterstreicht die Bedeutung des Raums in der Musik. Diese tiefe Beziehung wird deutlich, wenn man Musik als kreative Kunst, als akustisches Signal und als psychologisches Phänomen betrachtet.

Das Gehör erkennt Druckschwankungen, die sich als Wellen ausbreiten. Es kann als Nachfolger des Seitenlinienorgans betrachtet werden, das Fischen und einigen Amphibien ermöglicht, Teilchenbeschleunigungen zu erkennen. Diese zeigen den Ort und die Schwimmrichtung von Objekten in der Nähe an. Das Gehör der Fische erweitert den Erfassungsbereich des Seitenlinienorgans. Dementsprechend kann seine ursprüngliche Funktion als räumliche Orientierung und mentale Repräsentation der akustischen Umgebung und nicht als Kommunikation angesehen werden. Ausgehend vom Seitenlinienorgan der Fische und ihrem Gehör werden das menschliche Ohr und die Hörbahn beschrieben. Es zeigt sich, dass räumliche Informationen bereits in den frühesten Stationen der Hörverarbeitung im Gehirn kodiert werden. Schallquellen werden lokalisiert, lange bevor sie erkannt oder bewusst wahrgenommen werden. Der evolutionäre Ursprung des Gehörs und die Beidseitigkeit des Ohrs bestätigen, dass das Hören in vielerlei Hinsicht mit dem Raum verbunden ist. Seine ursprüngliche Funktion steht in enger Beziehung mit der räumlichen Orientierung. Das Gehör verarbeitet die Sinneseindrücke so, dass auf höheren Ebenen des menschlichen Gehirns eine mentale Repräsentation des physischen Außenraums entstehen kann. Eine solche mentale Karte repräsentiert insbesondere räumliche Orte, Ausdehnungen und Beziehungen von Schallquellen und der Umgebung. In diesem Kapitel wird die funktionelle Entwicklung des Gehörs von den Sinneshaarzellen der frühesten Wirbeltiere über das Seitenlinienorgan der Fische bis hin zum menschlichen Ohr nachvollzogen.

Die auditive Wahrnehmung ist die mentale Repräsentation der akustischen Außenwelt. Die Psychoakustik beschreibt die Merkmale der auditiven Wahrnehmung und setzt sie mit der Physik des Schallfeldes in Beziehung. In diesem Kapitel werden die psychoakustischen Grundlagen erörtert, die bei der räumlichen Audiowiedergabe eine Rolle spielen. Für die psychoakustische Schallfeldsynthese sind dies die kritischen Bänder und die Maskierung, die Quellenlokalisierung und die Prinzipien der Auditory Scene Analysis. Deren Auflösung, Grenzen, Schwellenwerte und gerade noch wahrnehmbare Unterschiede können genutzt werden, um die notwendigen Informationen für ein gewünschtes Hörerlebnis mit der für ein natürliches, räumliches Hörerlebnis erforderlichen Präzision zu präsentieren.

Musikinstrumente erzeugen einen räumlichen Klangeindruck. Dieses Kapitel gibt eine Einführung in die Akustik der Schallausbreitung von Musikinstrumenten. Es wird ein Überblick über Mikrofon-Array-Techniken zur Messung der Schallabstrahlungseigenschaften aus dem Nah- und Fernfeld gegeben. Das komplexe Punktquellenmodell vereinfacht die physikalische Konstellation und beschreibt, was der Hörer hört. Es dient als Vereinfachung für die in diesem Buch vorgestellte „Psychoakustische Musik Klangfeldsynthese“ Schließlich werden in diesem Kapitel Strategien zur Visualisierung gemessener Schallabstrahlungseigenschaften vorgestellt. Um einen Zuhörer zu erreichen, muss der Klang von Musikinstrumenten einen Weg zurücklegen, in der Regel durch die Luft. Daher befasst sich der nächste Abschnitt mit den grundlegenden physikalischen Prinzipien der Schallausbreitung. Dies führt zu einem besseren Verständnis der räumlichen Eigenschaften des Klangs, wie z. B. der Abstrahl-Patterns von Musikinstrumenten, die anschließend erörtert werden. Diese räumlichen Eigenschaften tragen wesentlich zum individuellen Klangcharakter von Musikinstrumenten bei. Daher wurden viele Methoden entwickelt, um die Abstrahlcharakteristiken von Musikinstrumenten zu untersuchen und sie so darzustellen, dass qualitative und quantitative Aussagen möglich sind. Eine Diskussion dieser Methoden schließt dieses Kapitel ab.

Eine angemessene Raumakustik ist eine Notwendigkeit für die Musikaufführung. Eine gute Raumakustik unterstützt den direkten Klang von Musikinstrumenten und erleichtert das Ensemblespiel. Geometrischen und architektonischen Mindestanforderungen sind bekannt. Musikexperten, die mit vielen Konzertsälen vertraut sind, haben deren akustische Eigenschaften aus der Sicht der Ausführenden und des Publikums bewertet. Dieser intersubjektive Eindruck lässt sich bis zu einem gewissen Grad durch akustische Parameter erklären, die aus Raumimpulsantworten abgeleitet werden. Es konnte gezeigt werden, dass die am besten bewerteten Konzertsäle den höchsten Grad an Räumlichkeit aufweisen. Räumliche Eindrücke, wie die Einhüllung des Hörers und die wahrgenommene Quellenausdehnung, korrelieren signifikant mit objektiven Parametern, wie dem Binaural Quality Index und der Lateral Energy Fraction. Viele kausale Zusammenhänge müssen jedoch noch gefunden werden.

Konventionelle räumliche Audiosysteme ermöglichen es Toningenieuren und Musikproduzenten das Signal einzelner Lautsprecher zu kontrollieren. Viele Stereo-Aufnahme- und Mixtechniken haben sich etabliert. Diese erzeugen Lautsprechersignale, die beim Hörer bis zu einem gewissen Grad einen gewünschten räumlichen Eindruck hervorrufen. Zu den Eindrücken gehören der wahrgenommene Ort und die räumliche Ausdehnung einer Schallquelle, oder die Reverberance und die Einhüllung des Raums. In diesem Kapitel werden die Prinzipien etablierter stereophoner Audiosysteme beschrieben und bewertet, inwieweit sie die Anforderungen an ein natürliches, räumliches Musikhör-Erlebnis erfüllen. Es zeigt sich, dass die technologischen Fortschritte bei Audiosystemen vor allem räumlicher Natur sind. Von Mono über Stereo, Quadrophonie und Dolby Surround, 5.1 Surround bis hin zu Immersive Audio und binauralen Systemen nimmt die Kontrolle über die Quellorte und den Grad der wahrgenommenen Quellenausdehnung und Listener Envelopment zu. Als logische Konsequenz sollten neue räumliche Audiosysteme die Aspekte der wahrgenommenen Räumlichkeit weiter verbessern.

Schallfeldsynthesemethoden wie Wellenfeldsynthese und Ambisonics zielen darauf ab, ein gewünschtes Schallfeld innerhalb eines Hörbereichs zu synthetisieren. Die Idee dahinter ist, dass die Kontrolle über das Schallfeld auch die Kontrolle über die räumlichen Klangeindrücke der Hörer impliziert. Zu diesen Eindrücken gehören der wahrgenommene Ort und die räumliche Ausdehnung einer Schallquelle oder der wahrgenommene Nachhall und die Eingehülltheit im Raumklang. Dieses Kapitel gibt einen kurzen historischen Überblick über die Schallfeldsynthese. Anschließend wird die Theorie der Schallfeldsynthese am Beispiel der Wellenfeldsynthese hergeleitet. Technische Umsetzungen erfordern Abweichungen vom theoretischen Kern, die zu Synthesefehlern führen. Typische Fehler und Lösungen werden vor dem Hintergrund des räumlichen Klangeindrucks diskutiert. Abschließend wird ein Überblick über bestehende Schallfeldsynthese-Systeme in der Forschung und in der Unterhaltungsbranche gegeben.

Ansätze zur Schallfeldsynthese zielen darauf ab, ein gewünschtes Schallfeld zu erzeugen. Konventionell sind diese Ansätze physikalisch motiviert. Akustische Eigenschaften definieren das gewünschte Schallfeld. Auf die technische Umsetzung folgt eine wahrnehmungsbezogene Bewertung des Hörerlebnisses. Die psychoakustische Schallfeldsynthese, wie sie in diesem Kapitel vorgestellt wird, verfolgt ein anderes Paradigma. Hier bestimmen die psychoakustischen Eigenschaften das gewünschte Schallfeld. Dieses Paradigma erlaubt die Implementierung von Hörschwellen und Integrationszeiten des Gehörs in die Herleitung des Schallfeldsynthesekerns. Dies ermöglicht eine unhörbare Reduzierung der zeitlichen, räumlichen und spektralen Auflösung. Das Ergebnis ist ein natürliches, räumliches Hörerlebnis und eine präzise Schallquellenlokalisation für mehrere Hörer bei vergleichsweise geringem Rechenaufwand und unhörbaren Synthesefehlern.