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Experimente zum räumlichen Hören ermöglichen 91 einzeln ansteuerbare Lautsprecher © ÖAW/Klaus Pichler
Experimente zum räumlichen Hören ermöglichen 91 einzeln ansteuerbare Lautsprecher © ÖAW/Klaus Pichler

Kooperationsmeldung

Von Lärm bis Hörgenuss: Dem Schall auf der Spur

07.05.2018

Diese Meldung ist Teil der Reportage-Reihe "APA-Science zu Besuch ..."

Wie funktioniert räumliches Hören und wie lässt es sich auf Kopfhörer übertragen? Warum hilft eine Lärmschutzwand gegen Autobahn-Geräusche nur bedingt? Wie kann man das Hörerlebnis von Cochlea-Implantatträgern verbessern? Spannenden Fragen wie diesen gehen die rund 40 Forscherinnen und Forscher vom Institut für Schallforschung der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) nach.

Das Feld der Schallforschung ist ein weites: Es geht vom Sprechen und der Produktion von Schall über die (Signal-)Übertragung bis hin zum Hören. Schallforscher wird man über Umwege. "Wir vereinen viele Disziplinen und profitieren enorm von den unterschiedlichen Ansichten und Zugängen - auch wenn man anfangs vielleicht erst eine gemeinsame Sprache finden muss", streicht Direktor Peter Balazs, ehemaliger START-Preisträger, beim Besuch von APA-Science eine Besonderheit seines Instituts hervor. So kooperieren Mathematiker, Numeriker, Musikwissenschafter und Toningenieure eng mit Psychologen, Sprachwissenschaftern, Elektrotechnikern, Informatikern oder Bauingenieuren.

Lärm durch Rumpelstreifen

Das Institut betreibt Grundlagenforschung, die Ausgangsfrage eines Projekts betrifft dennoch meist eine konkrete Anwendung. So wurde in Kooperation mit der Technischen Universität (TU) Wien im Rahmen eines Projekts der Forschungsförderungsgesellschaft (FFG) für die ASFINAG untersucht, ob und wie sich die Lärmbelästigung für Anrainer durch Rumpelstreifen am Fahrbahnrand verringern lässt, ohne dadurch ihre sicherheitserhöhende Wirkung - sie erzeugen Vibrationen und ein störendes Geräusch, sobald sie befahren werden - zu mindern. Experimentiert wurde mit einer Variation der Abstände der gefrästen Rillen.

Warum gegen den Lärm nicht einfach Lärmschutzwände aufstellen? Diese bringen nicht immer die gewünschte Wirkung, denn tiefe Frequenzen schwingen über die Wand hinweg. Dadurch ändere sich das Klangspektrum, was bei Anrainern den positiven Effekt der Lärmschutzwand geringfügig vermindern könne. Und auch die Eigenschaft einer Lärmschutzwand, Geräusche zu absorbieren, hat einen wichtigen Effekt: ohne Absorption wird Lärm auf die andere Seite reflektiert, somit nimmt bei stark reflektierenden Lärmschutzwänden, etwa aus Glas, die Lärmbelastung dort unter Umständen zu. "Lärm ist sehr individuell. Da man jedoch nach Statistiken arbeiten muss, wird es leider in der Regel immer Menschen geben, die mit der Lösung unzufrieden sind", bedauert Kaseß.

Hallo, entschuldigen Sie!?

Ein Kernstück des Instituts ist das "europaweit einmalige" Loudspeaker-Array-Studio mit 91 individuell ansteuerbaren Lautsprechern, so Piotr Majdak von der Arbeitsgruppe Psychoakustik und experimentelle Audiologie (EAP). Während der Mensch intuitiv feststellt, aus welcher Richtung und Entfernung ein Geräusch kommt, gibt das räumliche Hören der Forschung nach wie vor Rätsel auf. Mit dem mobilen Labor kann virtuelle Akustik, das heißt Schallfelder oder Schallquellen in beliebiger Distanz und Richtung, erzeugt werden. "Hört man über das Handy Musik und es ruft jemand an, wäre es toll, wenn die Musik in den Hintergrund rückte und die Stimme des Anrufers von vorne käme. Noch ist das nicht möglich, weil wir räumliches Hören zu wenig verstehen: noch bricht die Musik ab und man hat die Stimme mitten im Kopf", zeigt Majdak ein mögliches Anwendungsfeld auf.

Das mobile Labor, in dessen Mitte ein bequemer Lehnstuhl angebracht ist, wird projektspezifisch gebucht und steht allen Gruppen zur Verfügung. "Wir können damit virtuelle Akustik, das heißt Schallquellen in beliebiger Distanz und Richtung erzeugen", so der Toningenieur. "Hört man über das Handy Musik und es ruft jemand an, wäre es toll, wenn die Musik in den Hintergrund rückte und die Stimme des Anrufers von vorne käme. Noch ist das nicht möglich, weil wir räumliches Hören zu wenig verstehen: noch bricht die Musik ab und man hat die Stimme im Kopf", zeigt Majdak ein mögliches Anwendungsfeld auf.

Die Anlage wurde gemeinsam mit dem Grazer Unternehmen Sonible entwickelt, einem Spezialisten für die Entwicklung von Verstärkern und audiovisuellen Anlagen.

Mit der Lokalisation von Schall setzt sich auch Holger Waubke, Gruppenleiter der physikalischen und numerischen Akustik, auseinander. Woher kommt der Lärm in einer Fabrikshalle? Wo befindet sich die Schallquelle bei Schnellzügen oder Flugzeugen? Derzeit versuche man, komplexere Verfahren wie die akustische Holographie (Anm.: zur Analyse komplexer Schall-Abstrahlungsquellen) auf schnellbewegten Quellen anzuwenden. "Wir planen dazu gerade ein Projekt unter anderem mit der TU Berlin, der Beuth Hochschule für Technik in Berlin und der Schweizer Materialprüfungs- und Forschungsanstalt EMPA", so der Bauingenieur, auf den die Akustik einen besonderen Reiz ausübt. "Ich betrachte die physikalische Akustik als einen Teil der Mechanik. Es ist spannend, die Verfahren, die man numerisch im Bauwesen ja schon sehr früh eingesetzt hat, jetzt auf viel komplexere Probleme, auf hohe Frequenzen, zu adaptieren. Man benötigt dazu viel mehr Rechenleistung und adaptierte Algorithmen - dafür haben wir auch viele Mathematiker bei uns dabei."

Ironie: Viel mehr als Worte

Ironie wird bei Hörenden über eine Grundfrequenz übertragen, die Tonhöhe. Mit der Wahrnehmung von Ironie unter Cochlea-Implantat-Trägern im Vergleich zu normal Hörenden beschäftigt sich ein Projekt der Forschungsgruppe Akustische Phonetik, an dem die Phonetikerin Hannah Leykum arbeitet. Trägt man ein Cochlea-Implantat, wird diese Grundfrequenz nicht so gut wahrgenommen. Da sich bei Implantaten nur eine bestimmte Anzahl von Frequenzbändern darstellen lässt, fehlt aus allen Frequenzbereichen ein klein wenig - das Gehörte klingt gefiltert, ein wenig "blechern" und emotionslos. Das allerdings ist nur eine Vermutung, denn jeder Implantatträger lernt mit seinem Gerät zu hören und hat ein individuelles Hörerlebnis, das sich nicht objektiv darstellen lässt. "Implantate werden auf die Sprachverständlichkeit optimiert und weniger darauf, beispielsweise Musik möglichst schön zu hören", erklärt Pucher. Die in der Forschung gewonnenen Erkenntnisse könnten unter anderem dabei helfen, aufzuzeigen, wie viel es den Betroffenen bringe, die Wahrnehmung der Grundfrequenz zu verbessern.

Über eine Art Helm, an dem eine Videokamera angebracht ist, werden Gesichtsbewegungen in einem einzigen Bild "getrackt" und können beispielsweise am Bildschirm auch auf einen Avatar übertragen werden. Eine genauere Möglichkeit bieten Marker, die auf das Gesicht geklebt und mittels Infrarotkameras einzeln getrackt werden. "An den Gesichtsbewegungen können wir einerseits die Laute unterscheiden, etwa 'i' oder 'ü'. Andererseits natürlich Emotionen", erklärte Gruppenleiter Michael Pucher. "Mit dem Tracking können wir objektiv messen, wie sich eine ironische von einer nicht-ironischen Aussage unterscheidet." Bei der sogenannten "Silent Speech" schließt der Mensch auf das zugrunde liegende akustische Signal. "Darauf greifen auch normal Hörende automatisch bei Lärm zurück, sie verlassen sich dann eher auf visuelle Signale wie die Mundbewegungen", so der Informatiker.

Hoffnung für beschädigte Musikstücke

Mit Audio Impainting, der Restauration von Musikstücken, befasst sich unter anderem die Arbeitsgruppe Mathematik und Signalverarbeitung in der Akustik. Entwickelt wurde ein Verfahren, um mehrere Sekunden lange Lücken - Kratzer auf Schallplatten, Download-Fehler bei digitalen Dateien - zu schließen. "Der Algorithmus merkt sich die Randstellen der Lücken und durchsucht das Stück nach möglichst ähnlichen Segmenten. Hat er eines gefunden, kopiert er dessen Mittelteil in die Lücke", erklärte Gruppenleiter Georg Tauböck. Nachdem sich vor allem in klassischen Musikstücken viele Passagen wiederholen, ist der Eingriff für den Hörer kaum zu erkennen. "Schwieriger ist es bei Stücken mit Text - da kann es durchaus passieren, dass sich eine Stelle von der ersten Strophe in einer Lücke der dritten Strophe findet", so der Mathematiker und Elektrotechniker bei der Präsentation eines Demos, das man anlässlich des vor kurzem begangenen Tags gegen Lärm, an dem es auch am Institut zahlreiche Stationen gab, entwickelt hat.

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