Akustische Maskierung: Sounds mit Sounds kontrollieren

Um uns herum konkurrieren unzählige Geräusche um unsere Wahrnehmung. Aber glücklicherweise sind nicht alle Sounds, die wir hören können auch die, die wir tatsächlich hören. Viele der mechanischen, umweltbedingten und gesellschaftlichen Geräusche, die in unserer modernen Welt üblich sind, werden durch andere Geräusche überlagert: Ein Phänomen, das als akustische Maskierung bekannt ist. Die Überlagerung von Sounds, bei der ein Sound einen anderen blockiert, geschieht entweder auf natürliche Weise (wie Donner über einem konstanten Regen) oder gezielt (wie Umgebungsgeräusche in einer Zahnarztpraxis).

Was ist akustische Maskierung?

Akustische Maskierung ist die Senkung der Wahrnehmung eines Sounds durch das Vorhandensein eines anderen Sounds. In medizinischen oder juristischen Einrichtungen, in denen ein hohes Maß an Privatsphäre erforderlich ist, kann die Soundmaskierung eine Decke aus weißem Rauschen erzeugen, um zu verhindern, dass Unbeteiligte vertrauliche Gespräche mithören. Bei Elektrofahrzeugen kann die Zugabe von aktiven Sounds die Hochfrequenztöne des Elektromotors oder das laute, dröhnende Geräusch des Fahrwerks überdecken. Mithilfe der Soundmaskierung können Ingenieure dafür sorgen, dass unerwünschte Sounds (Signale) weniger wahrgenommen werden, indem sie unter anderen Sounds (Maskierer) versteckt werden.

Akustische Maskierung ist besonders in Szenarien sinnvoll, in denen die Geräuschreduzierung schwierig oder unerwünscht ist. Ändert man die Konstruktion, um den Sound zu entfernen, kann dies zu mehr Gewicht führen oder die Funktionsweise des Systems beeinträchtigen, wodurch es langsamer oder weniger effizient wird. Maskiert man die Sounds, anstatt sie zu entfernen, müssen Ingenieure keine Kompromisse bei Konstruktionen eingehen, die funktionell ideal, aber auch laut sind.

Maskierungsarten

Es gibt zwei Arten akustischer Maskierung, die die Wahrnehmung von Sounds beeinflussen: die simultane Maskierung und die zeitliche Maskierung.

Simultane Maskierung

Die simultane Maskierung (auch als spektrale oder Frequenzmaskierung bezeichnet) erfolgt zwischen verschiedenen Frequenzen, wenn das Signal gleichzeitig mit dem Maskierer auftritt. 

Aus physiologischen Gründen kann die Wahrnehmung einiger Frequenzen die Wahrnehmung anderer Frequenzen blockieren. Ein einfaches Beispiel: Wenn ein reiner Ton bei 400 Hz mit einem rosa Rauschen von 200–600 Hz gemischt wird, kann der reine Ton nicht mehr wahrgenommen werden. 

Reiner Ton: ein Sound, der aus einer einzigen Frequenz besteht

Rosa Rauschen: ein Sound, der Frequenzen mit gleicher Energie pro Oktavband enthält

Die simultane Maskierung hängt mit dem dynamischen Verhalten der Basilarmembran in der Cochlea zusammen. Sie tritt auf, wenn die von einem Sound erzeugte Membranschwingung, die normalerweise in einer ruhigen Umgebung wahrgenommen werden würde, von der Schwingung eines anderen Sounds "überlagert" wird, sofern dieser laut genug ist und seine Frequenz nahe genug an der des ersten Sounds liegt. 

Abbildung 3 zeigt die Hörschwellen von reinen Tönen ohne Maskierer (grüne Kurve) gegenüber den Schwellen, bei denen ein Breitbandrauschen von 1.100–1.300 Hz bei verschiedenen Pegeln – 20, 40, 60 und 100 dB SPL – hinzugefügt wird (blaue und rote Kurven).

So wird beispielsweise ein reiner Ton mit 1.000 Hz, der ohne Maskierungsgeräusche mit einem Pegel von 3 dB SPL wahrgenommen wird, nur dann gehört, wenn er eine Intensität von 43 dB SPL hat und das maskierende Breitbandgeräusch 60 dB SPL hat. Je lauter der Maskierer, desto größer ist der Maskierungseffekt und desto größer ist der Frequenzbereich. Außerdem neigen niedrige Frequenzen dazu, höhere Frequenzen leichter zu verdecken als umgekehrt.

Zeitliche Maskierung

Zeitliche Maskierung, auch als zeitliche Auflösung bezeichnet, tritt zwischen aufeinanderfolgenden Tönen auf. Dabei geht der Maskierungssound entweder dem Signalton voraus (Vorwärtsmaskierung) oder folgt ihm (Rückwärtsmaskierung).

Bei der Vorwärtsmaskierung wird der Maskierer vor dem Signal gehört. Dabei kann der Zeitabstand zwischen den beiden Tönen bis zu 200 ms sein. Die Vorwärtsmaskierung ist auf die Persistenz der neuronalen Aktivität zurückzuführen, die die Erkennung des Signals beeinträchtigen kann.

Bei der Rückwärtsmaskierung wird der Maskierer nach dem Signal gehört. Dabei muss der Zeitabstand kleiner als 20 ms sein. Daher ist die Rückwärtsmaskierung weniger effizient als die Vorwärtsmaskierung. Die Rückwärtsmaskierung könnte dadurch verursacht werden, dass die Hörenden das Signal mit dem Beginn des Maskierers falsch interpretieren. 

Die zeitliche Maskierung beeinflusst unsere Soundwahrnehmung, denn wenn ein Sound auftritt, verarbeitet unser Gehör möglicherweise bereits andere Sounds. Dies führt zur Wahrnehmung von Überschneidungen zwischen den Sounds, auch wenn sie nicht wirklich zeitgleich stattgefunden haben. 

Sowohl die simultane Maskierung als auch die zeitliche Maskierung werden bei der Berechnung der Soundwahrnehmungsmesswerte berücksichtigt. Die simultane Maskierung wird in den meisten Tonalitätsindikatoren und Lautheitsmodellen für stationäre Signale berücksichtigt, während die zeitliche Maskierung in Lautheitsmodellen für nichtstationäre Sounds und Impulssounds sowie bei der Berechnung der Fluktuationsstärke berücksichtigt wird.

Anwendungen für die akustische Maskierung

Die akustische Maskierung ist in allen Bereichen wichtig, in denen die Soundwahrnehmung durch ablenkende oder unangenehme Geräusche negativ beeinflusst werden kann. Das Verständnis und die Quantifizierung dieses Phänomens tragen zur Verbesserung der Kommunikation, der Produktivität und der Sicherheit bei.

• Schutz der Privatsphäre: In Umgebungen, in denen Vertraulichkeit und Diskretion gefragt sind, kann die akustische Maskierung die Sprachverständlichkeit reduzieren, damit private Gespräche von Unbeteiligten mitgehört werden können.
• Sprachverbesserung: Bei Kommunikationssystemen, wie z. B. Hörgeräten, kann die Maskierung das Sprachverstehen verbessern, weil Frequenzkomponenten selektiv verstärkt oder unterdrückt werden.
• Audiokomprimierung: Zur Einsparung von Speicherplatz lassen MP3 und ATRAC (Adaptive Transform Acoustic Coding) maskierte Töne weg, um die Dateigröße mit einer nicht wahrnehmbaren Veränderung der Klangqualität zu komprimieren.

Mit einer Engineering Software wie Ansys Sound können Techniker in verschiedenen Branchen und Anwendungen Soundquellen anhören, analysieren und entwickeln, wobei der wahrgenommene Maskierungseffekt berücksichtigt wird.

Lautstärke erhöhen

Paradox, aber wahr: Zur Beseitigung unerwünschter Geräusche ist es oft die beste Lösung, mehr Geräusche hinzuzufügen. Durch strategisches Überlagern von Sounds mit der richtigen Frequenz und zum richtigen Zeitpunkt kann die akustische Maskierung die Wahrnehmung völlig verändern, so dass bestimmte Sounds verschwinden und andere klarer und ausgewogener werden.

Weitere Informationen zur Psychologie und Physiologie des Hörens finden Sie im Blogbeitrag "Psychoacoustics: Understanding the Listening Experience" ("Psychoakustik: Das Hörerlebnis verstehen").