Frequenzgruppe
Mit Frequenzgruppen (Plural), engl. critical bands, bezeichnet man beim menschlichen Gehör Frequenzbereiche, die gemeinsam ausgewertet werden. Im Deutschen taucht auch häufiger die englische Rückübersetzung „kritische Frequenzbandbreite“ auf, allerdings erscheint diese Bezeichnung eher unpräzise und ist nicht im Sinne ursprünglicher Definitionen der Fachliteratur (siehe hierzu z. B. Zwicker1961, JASA).
Eine Auswertung in Frequenzgruppen erfolgt z. B. bei der Bestimmung der Lautstärke, des Klangs oder der Richtung des Schalls. Eine Ausnahme ist die Auswertung der Tonhöhe: hier ist die Frequenzauflösung wesentlich größer.
Das menschliche Gehör teilt die hörbaren Frequenzen in etwa 24 Frequenzgruppen ein. Eine Frequenzgruppe umfasst hierbei
- bei Frequenzen unterhalb von 500 Hz einen Frequenzbereich von etwa 100 Hz
- bei Frequenzen oberhalb von 500 Hz den Frequenzbereich einer kleinen Terz. Dieses ist ein Frequenzverhältnis von 1,19.
Die Bark-Skala beschreibt die Einteilung des hörbaren Frequenzbereichs in Frequenzgruppen. Eine Frequenzgruppe hat hierbei die Breite von 1 Bark. Siehe auch die ERB-Skala und die Mel-Skala.
Bildung der Frequenzgruppen im Innenohr
Die Bildung der Frequenzgruppen basiert auf der Umsetzung von Schall in Nervenimpulse im Innenohr. Die unterschiedlichen Frequenzen des Schalls werden von der Basilarmembran im Innenohr zu Auslenkungsmaxima an unterschiedlichen räumlichen Positionen umgesetzt und erregen die hier befindlichen Nervenzellen. Jede dieser Nervenzellen ist für eine unterschiedliche Tonhöhenempfindung verantwortlich.
Zur Bildung der Frequenzgruppen wird die Länge der Basilarmembran in 24 gleich lange Abschnitte eingeteilt, und die Nervenimpulse werden aus jedem dieser Abschnitte gemeinsam ausgewertet.
Die Breite der Frequenzgruppen lässt sich einfach in Einheiten der subjektiven Tonhöhe ausdrücken:
- 1 Frequenzgruppe = 100 mel = 1,3 mm auf der Basilarmembran
Signalverarbeitungs-Aspekte
Die Bildung von Frequenzgruppen entspricht einer Filterung der Schallsignale durch 100-Hz-breite Filter bzw. Terzfilter. Bis zu einer Frequenz von 500 Hz beträgt die Breite 100 Hz, darüber haben die Filter näherungsweise die Breite einer Terz. Dieses Filtern bzw. Zusammenfassen von unterschiedlicher Frequenzen hat für das Gehör Vorteile.
Reaktionszeit
Jeder Filter benötigt eine gewisse Zeit zum Einschwingen. Diese Zeit ist umgekehrt proportional zur Bandbreite des Filters.
Die Frequenzgruppenfilter des Gehörs mit einer minimalen Bandbreite von 100 Hz benötigen somit maximal 1/100 Hz = 10 ms zum Einschwingen. Das heißt: erst 10 ms nach dem Einsetzen eines Schallsignals ist der Schalleindruck stabil, erst dann kann sich das Gehör auf die Informationen verlassen.
Eine Auswertung mit schmaleren Frequenzgruppen würde dagegen dazu führen, dass das Gehör länger warten muss, bis eine verlässliche akustische Information vorliegt.
Signalanalyse
Um die Richtung einer Schallquelle zu bestimmen wertet das Gehör die Phase bzw. die Hüllkurve der Signale in den Frequenzgruppen aus.
Dieses ist aber nur dann besonders einfach, wenn die Signale in den Frequenzgruppen den Charakter von modulierten Sinussignalen haben. Hierzu dürfen die Signale in den Frequenzgruppen keine Obertöne besitzen und die Hüllkurve darf sich, gemessen an der Mittenfrequenz der Frequenzgruppe, nur relativ langsam ändern.
Das heißt: Damit keine Obertöne eine Auswertung der Phase erschweren, muss eine Frequenzgruppe wesentlich schmaler sein als eine Oktave, da sich bei der Oktave der erste Oberton befindet. Damit die Hüllkurve sich so langsam ändert, dass sie auswertbar ist, muss die Bandbreite der Frequenzgruppe wesentlich kleiner als die enthaltenen Frequenzen sein, d. h. die Bandbreite muss wesentlich unterhalb einer halben Oktave bleiben.
Mit einer Frequenzgruppen-Breite von einer kleinen Terz (eine Vierteloktave) wird diese Randbedingung erfüllt.
Optimales Verhalten des Gehörs
Aus der Sicht der Signalverarbeitung verhält sich das Gehör mit der Wahl der Frequenzgruppen optimal:
- Die Frequenzgruppen sind breit genug (mindestens 100 Hz), dass eine schnelle Auswertung der Schallsignale möglich ist; bei einer Reaktionszeit von 10 ms.
- Die Frequenzgruppen sind schmal genug (maximal eine kleine Terz), dass eine leichte Analyse von Signalphasen und Hüllkurven möglich ist, um hieraus die Schalleinfallsrichtung leicht bestimmen zu können.
Tabelle der 24 Frequenzgruppen
Nummer
des Bandes
in BarkUntere
Frequenzgrenze
in HzObere
Frequenzgrenze
in HzBandbreite
in Hz1 0 100 100 2 100 200 100 3 200 300 100 4 300 400 100 5 400 510 110 6 510 630 120 7 630 770 140 8 770 920 150 9 920 1080 160 10 1080 1270 190 11 1270 1480 210 12 1480 1720 240 13 1720 2000 280 14 2000 2320 320 15 2320 2700 380 16 2700 3150 450 17 3150 3700 550 18 3700 4400 700 19 4400 5300 900 20 5300 6400 1100 21 6400 7700 1300 22 7700 9500 1800 23 9500 12000 2500 24 12000 15500 3500
Technische Anwendung
Signalverarbeitungsverfahren wie MP3 ahmen die Verarbeitung des menschlichen Gehörs nach. Auch hier werden die Signale in Frequenzgruppen bearbeitet und dabei werden alle Informationen entfernt, die das Gehör innerhalb der Frequenzgruppen nicht wahrnehmen kann. Dieses führt zu einer erheblichen Reduktion der Datenrate.
Literatur
- Eberhard Zwicker und Hugo Fastl: Psychoacoustics Facts and Models. ISBN 3-540-65063-6
- Eberhard Zwicker: Subdivision of the Audible Frequency Range into Critical Bands (Frequenzgruppen). J. Acoust. Soc. Am. Volume 33, Issue 2, pp. 248–248 (February 1961); http://dx.doi.org/10.1121/1.1908630