Das menschliche Ohr - Physik
Das menschliche Ohr - Physik
Das menschliche Ohr - Physik
Das menschliche Ohr ist ein empfindlicher Schallempfänger. Es nimmt Druckschwankungen der Luft auf, wandelt sie in mechanische Schwingungen um und überträgt diese schließlich als elektrische Signale an das Gehirn. In diesem aiMOOC untersuchst Du vor allem die physikalischen Vorgänge: Schallwellen, Resonanz, Schwingungsübertragung, Frequenzzerlegung, Schallpegel und räumliches Hören.
Einleitung
Hören beginnt nicht erst im Ohr. Zunächst erzeugt eine Schallquelle – zum Beispiel eine Lautsprechermembran, eine Gitarrensaite oder die menschliche Stimme – Schwingungen. Diese Schwingungen versetzen die umgebende Luft in Bewegung. Es entstehen abwechselnd Bereiche höheren und niedrigeren Drucks, die sich als Schallwelle ausbreiten.
Das Ohr nimmt diese sehr kleinen Druckänderungen auf. Außenohr, Mittelohr und Innenohr erfüllen dabei verschiedene Aufgaben. Das Außenohr sammelt und filtert den Schall. Das Mittelohr überträgt die Schwingung auf eine Flüssigkeit. Das Innenohr zerlegt das Schallsignal nach Frequenzen und wandelt die Bewegung in Nervenimpulse um.
Schall als physikalische Welle
Entstehung und Ausbreitung
Schall ist eine mechanische Welle. Er benötigt ein Medium wie Luft, Wasser oder einen Festkörper. Im Vakuum kann sich Schall nicht ausbreiten. In Luft bewegen sich die Teilchen im Wesentlichen parallel zur Ausbreitungsrichtung hin und her. Deshalb ist Luftschall eine Longitudinalwelle.
Die Luftteilchen wandern dabei nicht mit der Welle bis zum Ohr. Sie schwingen nur um ihre Ruhelage. Weitergegeben werden Energie und Information.
Frequenz, Periodendauer und Tonhöhe
Die Frequenz gibt an, wie viele Schwingungen in einer Sekunde stattfinden. Ihre Einheit ist Hertz mit dem Einheitenzeichen Hz. Die Periodendauer ist die Zeit für eine vollständige Schwingung.
Eine hohe Frequenz wird meist als hoher Ton wahrgenommen, eine niedrige Frequenz als tiefer Ton. Junge Menschen können ungefähr Frequenzen zwischen 20 Hz und 20 000 Hz hören. Die tatsächliche Hörgrenze ist individuell und verändert sich häufig mit dem Alter.
Wellenlänge und Schallgeschwindigkeit
Zwischen Schallgeschwindigkeit , Wellenlänge und Frequenz gilt:
Bei gleichbleibender Schallgeschwindigkeit besitzt ein hoher Ton eine kleinere Wellenlänge als ein tiefer Ton. In Luft hängt die Schallgeschwindigkeit unter anderem von der Temperatur ab.
Amplitude, Schalldruck und Lautstärke
Die Amplitude beschreibt die Stärke einer Schwingung. Bei Schall betrachtet man häufig den Schalldruck. Größere Schalldruckschwankungen führen in der Regel zu einem lauteren Höreindruck. Wahrgenommene Lautstärke und Schalldruck sind jedoch nicht einfach proportional, weil das Gehör nicht für alle Frequenzen gleich empfindlich ist.
Der Schalldruckpegel wird in Dezibel angegeben. Er ist logarithmisch definiert:
Dabei ist der gemessene Effektivwert des Schalldrucks und der Bezugsschalldruck in Luft. Eine logarithmische Skala ist sinnvoll, weil das Ohr einen sehr großen Bereich von Schalldrücken verarbeiten kann.
Der Aufbau des Ohres als Übertragungssystem
Außenohr: Sammeln und Filtern
Zum Außenohr gehören Ohrmuschel und äußerer Gehörgang. Die Ohrmuschel sammelt Schall und verändert sein Frequenzspektrum abhängig von der Einfallsrichtung. Dadurch erhält das Gehirn Hinweise darauf, ob eine Schallquelle zum Beispiel von vorn, hinten, oben oder unten kommt.
Der Gehörgang leitet den Schall zum Trommelfell. Wie ein einseitig offenes Rohr besitzt er Resonanzeigenschaften. Bestimmte Frequenzen werden deshalb stärker übertragen als andere.
Trommelfell: Vom Luftdruck zur Schwingung
Das Trommelfell ist eine dünne Membran. Druckschwankungen der Luft versetzen es in Schwingung. Damit wird aus einer Schallwelle in Luft eine mechanische Bewegung des Trommelfells.
Die Bewegung ist sehr klein, kann aber Informationen über Frequenz, Zeitverlauf und Stärke des Schalls enthalten. Das Trommelfell reagiert nicht nur auf einen einzigen Ton, sondern kann komplexe Schallgemische übertragen.
Mittelohr: Mechanische Übertragung
Im Mittelohr liegen die drei Gehörknöchelchen Hammer, Amboss und Steigbügel. Sie bilden eine bewegliche Kette zwischen Trommelfell und ovalem Fenster des Innenohrs.
Das Mittelohr verbessert die Übertragung von Luftschwingungen auf die Flüssigkeit im Innenohr. Ohne diese Anpassung würde ein großer Teil der Schallenergie an der Grenze zwischen Luft und Flüssigkeit reflektiert. Die Wirkung entsteht vor allem durch die unterschiedlichen Flächen von Trommelfell und ovalem Fenster sowie durch die Hebelwirkung der Knöchelchenkette.
Der Steigbügel bewegt sich am ovalen Fenster annähernd wie ein kleiner Kolben. So erzeugt er Druckschwankungen in der Flüssigkeit der Hörschnecke.
Innenohr: Frequenzen werden räumlich getrennt
Die Hörschnecke ist ein flüssigkeitsgefülltes, spiralig gewundenes System. Der Steigbügel regt am ovalen Fenster eine Wanderwelle an. Diese bewegt sich entlang der Basilarmembran.
Die Basilarmembran besitzt nicht überall dieselben mechanischen Eigenschaften. Nahe dem ovalen Fenster ist sie steifer und reagiert besonders auf hohe Frequenzen. Weiter in Richtung Schneckenspitze reagieren Bereiche stärker auf tiefe Frequenzen. Das Ohr bildet Frequenzen dadurch auf Orte ab. Diese Ordnung heißt Tonotopie.
Ein komplexes Geräusch besteht aus vielen Frequenzanteilen. Die Cochlea führt deshalb eine mechanische Frequenzanalyse durch: Verschiedene Anteile eines Signals regen verschiedene Orte der Basilarmembran besonders stark an.
Haarzellen: Von Bewegung zu elektrischen Signalen
Auf der Basilarmembran liegt das Corti-Organ mit inneren und äußeren Haarzellen. Wenn sich die Basilarmembran bewegt, werden feine Härchen an den Sinneszellen ausgelenkt. Dadurch öffnen oder schließen sich mechanisch gesteuerte Ionenkanäle. Die mechanische Schwingung wird in ein elektrisches Signal umgewandelt.
Die inneren Haarzellen liefern den größten Teil der Information an den Hörnerv. Äußere Haarzellen verändern aktiv die Bewegung in der Cochlea und verbessern Empfindlichkeit sowie Frequenztrennung. Starke oder lang andauernde Schalleinwirkung kann Haarzellen schädigen. Beim Menschen wachsen zerstörte Haarzellen in der Regel nicht vollständig nach.
Vom Ton zum Höreindruck
Reine Töne, Klänge und Geräusche
Ein idealer reiner Ton entspricht einer sinusförmigen Schwingung mit nur einer Frequenz. Ein Klang enthält eine Grundfrequenz und weitere Frequenzanteile. Ein Geräusch besitzt meist ein breites und unregelmäßiges Frequenzspektrum.
Das Ohr empfängt stets den zeitlichen Verlauf des Schalldrucks. Die Cochlea trennt viele Frequenzanteile räumlich, während das Nervensystem zusätzlich zeitliche Muster auswertet. Der Höreindruck entsteht daher aus dem Zusammenspiel von Physik, Sinneszellen und Verarbeitung im Gehirn.
Räumliches Hören
Mit zwei Ohren kann das Gehirn Schallquellen im Raum lokalisieren. Trifft ein Geräusch von der Seite ein, erreicht es das nähere Ohr etwas früher. Außerdem kann der Kopf den Schall für das weiter entfernte Ohr abschwächen.
Für die Richtungsauswertung sind besonders zwei Unterschiede wichtig:
- Interaurale Laufzeitdifferenz: Das Signal erreicht beide Ohren zu leicht verschiedenen Zeiten.
- Interaurale Pegeldifferenz: Das Signal besitzt an beiden Ohren unterschiedliche Pegel.
Die Ohrmuscheln ergänzen diese Hinweise durch richtungsabhängige Filterung. Räumliches Hören ist deshalb eine Auswertung mehrerer physikalischer Merkmale.
Knochenleitung
Schall kann das Innenohr nicht nur über Luft, Trommelfell und Gehörknöchelchen erreichen. Bei der Knochenleitung übertragen Schwingungen des Schädels Energie direkt auf das Innenohr. Deshalb klingt die eigene Stimme auf einer Aufnahme oft anders als beim Sprechen: Beim eigenen Hören trägt zusätzlich die Knochenleitung zum Höreindruck bei.
Hörbereich und Gehörschutz
Der Hörbereich ist keine starre Grenze. Er hängt unter anderem von Frequenz, Schalldruckpegel, Alter und individuellem Hörvermögen ab. Sehr tiefe Frequenzen unterhalb des üblichen Hörbereichs heißen Infraschall, sehr hohe Frequenzen oberhalb des Hörbereichs Ultraschall.
Ein hoher Schallpegel ist nicht allein entscheidend für eine mögliche Schädigung. Auch die Einwirkungsdauer spielt eine wichtige Rolle. Sinnvolle Schutzmaßnahmen sind Abstand zur Schallquelle, kürzere Beschallungszeiten, ruhige Pausen und geeigneter Gehörschutz. Nach sehr lauten Ereignissen auftretendes Pfeifen oder dumpfes Hören ist ein Warnsignal.
Ein einfaches physikalisches Modell
Der Hörvorgang lässt sich als Kette von Energie- und Signalumwandlungen darstellen:
- Schallquelle: Eine schwingende Quelle erzeugt Druckschwankungen.
- Außenohr: Schall wird gesammelt, gefiltert und zum Trommelfell geleitet.
- Trommelfell: Luftdruckschwankungen werden zu Membranschwingungen.
- Mittelohr: Die Knöchelchenkette überträgt die Bewegung auf das ovale Fenster.
- Cochlea: Flüssigkeitsbewegung erzeugt frequenzabhängige Wanderwellen.
- Haarzelle: Mechanische Auslenkung wird in elektrische Signale umgewandelt.
- Hörnerv: Signale gelangen zur Verarbeitung ins Gehirn.
Dieses Modell zeigt, dass Hören keine einzelne Messung ist. Es ist ein mehrstufiger Prozess aus Wellenbewegung, mechanischer Kopplung, Frequenzanalyse und Signalverarbeitung.
Interaktive Aufgaben
Quiz: Teste Dein Wissen
Warum kann sich Schall im Vakuum nicht ausbreiten? (Weil ein schwingungsfähiges Medium fehlt) (!Weil Schall immer Licht benötigt) (!Weil im Vakuum nur tiefe Töne entstehen) (!Weil das Trommelfell dort nicht gespannt ist)
Welche physikalische Größe bestimmt vor allem die Tonhöhe? (Frequenz) (!Schallgeschwindigkeit) (!Dichte des Trommelfells) (!Entfernung zur Schallquelle)
Welche Beziehung gilt zwischen Frequenz und Periodendauer? (Frequenz ist der Kehrwert der Periodendauer) (!Frequenz ist das Quadrat der Periodendauer) (!Frequenz und Periodendauer sind immer gleich) (!Frequenz ist unabhängig von der Periodendauer)
Wie lautet die Grundbeziehung für eine Welle? (Schallgeschwindigkeit ist Frequenz mal Wellenlänge) (!Schallgeschwindigkeit ist Frequenz plus Wellenlänge) (!Wellenlänge ist Frequenz mal Periodendauer) (!Frequenz ist Schallgeschwindigkeit mal Wellenlänge)
Welche Struktur wird durch Luftdruckschwankungen direkt in Schwingung versetzt? (Trommelfell) (!Hörnerv) (!Basilarmembran) (!Ohrläppchen)
Welche Gehörknöchelchen übertragen die Schwingung im Mittelohr? (Hammer Amboss und Steigbügel) (!Schnecke Vorhof und Bogengänge) (!Ohrmuschel Gehörgang und Hörnerv) (!Basilarmembran Deckmembran und Haarzellen)
Wo reagieren Bereiche besonders auf hohe Frequenzen? (Nahe der Basis der Cochlea) (!Nur im äußeren Gehörgang) (!An der Spitze der Ohrmuschel) (!Ausschließlich im Hörnerv)
Warum wird der Schalldruckpegel logarithmisch angegeben? (Weil das Ohr einen sehr großen Schalldruckbereich verarbeitet) (!Weil Schall nur in ganzen Zahlen vorkommt) (!Weil die Schallgeschwindigkeit logarithmisch wächst) (!Weil jede Frequenz denselben Schalldruck besitzt)
Welche Zellen wandeln mechanische Bewegung in elektrische Signale um? (Haarzellen) (!Knorpelzellen) (!Knochenzellen) (!Blutzellen)
Welche Information unterstützt das Richtungshören mit zwei Ohren? (Laufzeitunterschied zwischen beiden Ohren) (!Farbe der Schallquelle) (!Temperatur des Trommelfells) (!Länge des Hörnervs)
Memory
| Frequenz | Tonhöhe |
| Periodendauer | Zeit einer Schwingung |
| Trommelfell | Schwingende Membran |
| Steigbügel | Bewegung am ovalen Fenster |
| Basilarmembran | Ortsabhängige Frequenzanalyse |
| Haarzelle | Mechanisch elektrische Umwandlung |
| Schalldruckpegel | Dezibelskala |
| Laufzeitdifferenz | Richtungshinweis |
Drag and Drop
| Ordne die richtigen Begriffe zu. | Physikalische Aufgabe |
|---|---|
| Ohrmuschel | Schall sammeln und richtungsabhängig filtern |
| Trommelfell | Luftdruckschwankungen in Membranschwingungen umwandeln |
| Gehörknöchelchen | Schwingungen mechanisch auf das Innenohr übertragen |
| Basilarmembran | Frequenzanteile räumlich trennen |
| Haarzellen | Mechanische Auslenkung in elektrische Signale umwandeln |
| Hörnerv | Elektrische Signale zum Gehirn weiterleiten |
Kreuzworträtsel
| Frequenz | Welche Größe wird in Hertz gemessen und beeinflusst die Tonhöhe? |
| Trommelfell | Welche Membran trennt Außen- und Mittelohr? |
| Steigbügel | Welches Gehörknöchelchen bewegt das ovale Fenster? |
| Cochlea | Wie lautet der lateinische Name der Hörschnecke? |
| Haarzelle | Welche Sinneszelle reagiert auf mechanische Auslenkung? |
| Dezibel | In welcher Einheit wird der Schallpegel angegeben? |
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Lückentext
Offene Aufgaben
Leicht
- Schalltagebuch: Notiere einen Tag lang fünf Hörsituationen und beschreibe jeweils Schallquelle, vermutete Tonhöhe und Lautstärkeeindruck.
- Ohrmodell: Zeichne ein vereinfachtes Flussdiagramm vom Schallereignis bis zum Hörnerv und kennzeichne jede Energie- oder Signalumwandlung.
- Stimmgabelversuch: Beobachte eine angeschlagene Stimmgabel in Luft und nach vorsichtigem Aufsetzen auf eine geeignete Resonanzfläche. Beschreibe den Unterschied.
- Gehörschutzplakat: Gestalte ein verständliches Plakat mit vier physikalisch begründeten Regeln für hörschonendes Verhalten.
Standard
- Frequenzmessung: Erzeuge mit einem Tongenerator mehrere Frequenzen und ordne sie nach wahrgenommener Tonhöhe. Arbeite nur bei angenehmer Lautstärke.
- Resonanz im Rohr: Untersuche mit unterschiedlich langen Pappröhren, wie sich die verstärkten Frequenzbereiche verändern, und erkläre den Zusammenhang mit der Rohrlänge.
- Schallpegelkartierung: Miss mit einem geeigneten Schallpegelmessgerät verschiedene Orte der Schule und erstelle eine Karte. Beurteile Messunsicherheiten.
- Richtungshören: Entwickle einen sicheren Versuch zur Schallortung mit geschlossenen Augen und untersuche, wann die Richtung schwer zu bestimmen ist.
Schwer
- Fourieranalyse: Nimm einen Vokal und einen reinen Ton auf, vergleiche ihre Frequenzspektren und erkläre die Unterschiede.
- Mittelohrmodell: Baue ein Modell aus Membranen und Hebeln, das die Übertragung vom Trommelfell zum ovalen Fenster veranschaulicht, und diskutiere seine Grenzen.
- Cochlea-Modell: Entwickle ein Modell mit unterschiedlich abgestimmten schwingenden Elementen, das die Ortsabhängigkeit der Frequenzanalyse zeigt.
- Forschungsinterview: Befrage eine Fachperson aus Hörakustik, Medizin oder Tontechnik zur Messung des Hörvermögens und werte die Antworten physikalisch aus.
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Lernkontrolle
- Signalumwandlung: Erkläre an einem selbst gewählten Alltagsgeräusch, wie aus der Bewegung einer Schallquelle ein elektrisches Signal im Hörnerv entsteht.
- Modellkritik: Beurteile die Aussage „Das Ohr funktioniert wie ein Mikrofon“. Nenne Gemeinsamkeiten, Unterschiede und Grenzen des Vergleichs.
- Frequenz und Wellenlänge: Zwei Töne breiten sich in derselben Luft aus. Der zweite Ton hat die doppelte Frequenz. Leite ab, wie sich seine Wellenlänge verändert.
- Richtungshören im Alltag: Erkläre, warum die Ortung einer Schallquelle schwieriger werden kann, wenn beide Ohren dasselbe Signal über Kopfhörer erhalten.
- Gehörschutzentscheidung: Vergleiche die Maßnahmen Abstand vergrößern, Einwirkungszeit verkürzen und Gehörschutz tragen. Begründe, in welcher Situation welche Maßnahme sinnvoll ist.
- Cochlea und Spektrum: Beschreibe, wie die Basilarmembran auf einen reinen Ton und auf einen Klang mit mehreren Frequenzanteilen unterschiedlich reagiert.
Lernnachweis
Für einen Lernnachweis zu diesem Thema solltest Du zeigen, dass Du:
- Schallwellen als mechanische Druckschwankungen erklären kannst.
- die Größen Frequenz, Periodendauer, Wellenlänge und Schallgeschwindigkeit miteinander verknüpfen kannst.
- die Funktion von Außenohr, Trommelfell, Mittelohr, Cochlea und Haarzellen physikalisch beschreiben kannst.
- die Frequenz-Orts-Zuordnung auf der Basilarmembran erklären kannst.
- den logarithmischen Charakter des Schalldruckpegels grundlegend verstehst.
- Laufzeit- und Pegeldifferenzen als Grundlagen des räumlichen Hörens anwenden kannst.
- ein Experiment oder Modell planen, auswerten und hinsichtlich seiner Grenzen beurteilen kannst.
- Maßnahmen zum Gehörschutz physikalisch begründen kannst.
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