Messung der Separiertheit akustischer Ströme - CES

Julian Kurz — Separiertheit von Strömen 1
Abbildung 1: Verschiedene Frequenzen regen unterschiedliche Bereiche der Basilarmembran
an.
1 Einführung und Motivation
In einer natürlichen Umgebung ist ein Mensch vielen akustischen Signalen unterschiedlicher
Quellen gleichzeitig und nacheinander ausgesetzt. Um mit diesen Signalen etwas anfangen
zu können und die akustische Wahrnehmung sinnvoll einzusetzen, muss der Mensch in der
Lage sein, diese Signale, die als ein Gemisch bei ihm ankommen, in einzelne Objekte –
die akustischen Ströme – zu trennen. Auf diese Weise kann er in seiner Wahrnehmung ein
Bild seiner Umgebung konstruieren, das dieser möglichst genau entspricht. Festzustellen
sind dabei insbesondere, ob aufeinander folgende bzw. welche von mehreren aufeinander
folgenden Tönen zusammengehören, also einen akustischen Strom bilden (sequentielle Separierung),
sowie die Frage, aus welchen einzelnen Strömen gleichzeitig wahrgenommene
Töne bestehen (simultane Separierung).
Bregman [Bre99] stellt dabei starke Analogien zur visuellen Wahrnehmung fest, die
ebenfalls in der Lage dazu ist, aus der Matrix von zeitlich veränderlichen Bildpunkten, die
von der Netzhaut im Auge wahrgenommen wird, einzelne Objekte zu bilden, die eindeutig
voneinander zu trennen sind. Bei der visuellen wie auch der akustischen Wahrnehmung
spielt dabei das Prinzip der exklusiven Zuordnung (exclusive allocation) eine große Rolle:
Ein visuelles bzw. akustisches Signal kann zu einem Zeitpunkt immer nur zu einem
wahrgenommenen Objekt gehören, nie zu mehreren gleichzeitig.
Wichtig zum Verständnis der Separierung in akustische Ströme ist dabei die Kenntnis
darüber, wie das menschliche Ohr Töne wahrnimmt. Das Trommelfell nimmt lediglich die
überlagerten Luftschwingungen auf, die verschiedene Schallquellen erzeugen. Aus diesen
scheinbar ungeordneten Variationen direkt Merkmale zu extrahieren scheint unmöglich.
Entscheidend ist die Funktion der Gehörschnecke und der Basilarmembran. Schwingungen
unterschiedlicher Frequenzen dringen unterschiedlich weit in die Gehörschnecke ein und
regen unterschiedliche Regionen der Basilarmembran an (siehe Abbildung 1). Anstatt also
zu jedem Zeitpunkt nur die momentane Amplitude der Schwingungen zu messen, führt das
Ohr eine Frequenzanalyse des ankommenden Schalls durch. [Lit65]
Es ergibt sich nun die Fragestellung, wie das Gehirn aus dem Ergebnis der Frequenzanalyse
der Ohren einzelne akustische Ströme bildet; welche Merkmale dazu in welchem
Maße beitragen, wie dies qualitativ und quantitativ zu messen ist, wo dabei die Grenzen
liegen und inwieweit sie von anderen Effekten beeinflusst oder verfälscht werden können.