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Detektionsschwellen von Infraschall-Tonkomplexen

16.06.2020

Die steigende Anzahl an Infraschallquellen (Infraschall: Frequenzen unter 20 Hz) in unserer Umwelt hat zur Folge, dass die Infraschall-Exposition zunehmend im gesellschaftlichen Interesse steht. Die PTB hat sich zusammen mit der Abteilung für Experimentelle Audiologie der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg in dem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Projekt „Infraschall und seine Bedeutung für den Hörschall“ mit der Frage auseinandergesetzt, wie Infraschall vom Menschen mit dem Gehör wahrgenommen wird. In diesem Rahmen wurde mit Signalen aus mehreren Infraschallkomponenten (Mehrtonkomplexen) untersucht, welchen Effekt die Anzahl der Komponenten auf die Erkennbarkeit des Signals hat (Detektionsschwelle). Dies erlaubt Rückschlüsse auf die Wahrnehmung von komplexen Signalen, die den in der realen Umwelt vorkommenden Signalen deutlich ähnlicher sind, als Signale mit nur einer Frequenz.

Infraschall mit Frequenzen f < 20 Hz liegt außerhalb des klassischen Hörfrequenzbereiches. In mehreren Studien wurde jedoch bereits eine Hörwahrnehmung bis hinunter zu 2 Hz belegt, sofern der Schalldruckpegel hinreichend hoch ist (siehe z. B. [1] und [2]). Die entsprechenden psychoakustischen Messungen werden üblicherweise mit Einzeltönen durchgeführt. Aus deren Ergebnissen können jedoch keine direkten Rückschlüsse auf die Wahrnehmung abgeleitet werden, wenn – wie bei echten Umweltgeräuschen – mehr als eine Infraschall-Frequenzkomponente vorhanden ist. In der vorliegenden Studie wurde daher der Frage nachgegangen, welchen Effekt die Anzahl der Infraschall-Komponenten auf die Detektionsschwelle eines Tonkomplexes hat.

Als Mechanismen für die Verarbeitung von Mehrtonkomplexen hat Green [3] für den Hörschallbereich zwischen 20 Hz und 20 kHz bereits vor über sechzig Jahren drei Mechanismen vorgeschlagen:

  1. Dominanz einer Komponente: Wenn eine Komponente eines Tonkomplexes alle anderen dominiert, müsste die Detektionsschwelle des Tonkomplexes genauso groß sein wie die der dominanten Komponente, wenn diese als Einzelton präsentiert wird. Der Pegel an der Schwelle würde sich in diesem Falle nicht ändern.
  2. Integration der Information: Wenn die Informationen der Komponenten eines Tonkomplexes integriert werden, weist dies darauf hin, dass die Komponenten spektral so weit auseinanderliegen, dass jede Komponente eine andere Frequenzgruppe anregt. Der Pegel an der Schwelle würde in diesem Falle gerundet um 1,5 dB bei einem Zwei- und um 2,4 dB bei einem Dreitonkomplex sinken.
  3. Integration der Intensität: Wenn sich die spektralen Intensitäten der einzelnen Komponenten des Tonkomplexes addierten, weist dies auf die Verarbeitung der Komponenten innerhalb einer Frequenzgruppe hin. Der Pegel an der Schwelle würde hier gerundet um 3 dB bei einem Zwei- und um 4,8 dB bei einem Dreitonkomplex kleiner sein.

Mit einer Gruppe von 14 Versuchspersonen wurde untersucht, ob einer dieser Mechanismen die Detektionsschwellen von Tonkomplexen, bestehend aus zwei und drei verschiedenen Infraschall-Komponenten, erklären kann. Bild 1 zeigt die Gruppenmediane (ausgefüllte Punkte) und die dazugehörigen Interquartilsabstände (vertikale Fehlerbalken) der Pegel an der Detektionsschwelle eines 4-Hz-Einzeltons (blau), von zwei Zweitonkomplexen (4 Hz und 8 Hz sowie 4 Hz und 12 Hz; beide in violett) und eines Dreitonkomplexes (4 Hz, 8 Hz und 12 Hz; in orange). Zusätzlich sind in Form von hervorgehobenen horizontalen Linien die von den drei Mechanismen vorhergesagten Schwellen eingezeichnet. Der Einzelton hat definitionsgemäß und unabhängig vom Mechanismus eine Schwelle von 0 dB (durchgezogene dunkelgraue Linie).

 

 

Bild 1: Gemessene und vorhergesagte Schwellenpegel in dB für Infraschall-Tonkomplexe (violett und orange) sowie für einen Einzelton (blau). Die Gruppenmediane der gemessenen Schwellen werden durch ausgefüllte Punkte dargestellt, die dazugehörigen Interquartilsabstände durch Fehlerbalken. Die hervorgehobenen horizontalen Linien repräsentieren die von den drei Mechanismen vorhergesagten Schwellen: Die durchgezogene dunkelgraue Linie entspricht für alle Tonkomplexe die Vorhersage bei Dominanz einer Komponente; die gepunkteten Linien entsprechen für die Zweitonkomplexe und den Dreitonkomplex (violett beziehungsweise orange) der Vorhersage bei Informationsintegration; die gestrichelten Linien entsprechen für dieselben Signale (wie zuvor violett beziehungsweise orange) der Vorhersage bei Intensitätsintegration.

 

Die Ergebnisse zeigen, dass die Detektionsschwelle von Infraschall-Tonkomplexen nicht durch eine dominante Komponente bestimmt ist, sondern dass im Wesentlichen eine spektrale Integration (Intensitätsintegration) vorliegt. Die Detektionsschwellen des Dreitonkomplexes sind allerdings nicht vollständig mit der Idee der Intensitätsintegration vereinbar. Der Abfall ist nicht ganz so groß wie für eine Intensitätsintegration erwartet (gestrichelte orangefarbene Linie). Diese Abweichung könnte darauf hindeuten, dass dieser Mechanismus in irgendeiner Weise begrenzt ist. Es sind weitere Experimente mit einer größeren Datenbasis vorgesehen, um diese Diskrepanz aufzuklären.

Weitere Information über die Ergebnisse dieser Studie sind in unserer Veröffentlichung [4] zu finden.

Diese Studie ist Teil des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Projekts „Infraschall und seine Bedeutung für den Hörschall“ (FE 1192/3-1 | VE 373/4-1).

 

Literatur:

[1] H. Møller, C. S. Pedersen: Hearing at low and infrasonic frequencies. Noise and Health 6 (2004) 37–57.

[2] R. Kühler, T. Fedtke, J. Hensel: Infrasonic and low-frequency insert earphone hearing threshold. JASA 137 (2015), EL347–EL353, Opens external link in new windowDOI: 10.1121/1.4916795.

[3] D. M. Green: Detection of multiple component signals in noise. JASA 30 (1958), 904–911, Opens external link in new windowDOI: 10.1121/1.1909400.

[4] B. Friedrich, H. Joost, T. Fedtke, J. L. Verhey: Spectral integration of infrasound at threshold. JASA 147 (2020), EL259–EL263, Opens external link in new windowDOI: 10.1121/10.0000897.

 

Ansprechpartner:

Holger Joost, FB 1.6, AG 1.61, E-Mail: Opens window for sending emailholger.joost(at)ptb.de