Vertikale Ortung

Wie ortet das Gehör die Höhe einer Schallquelle — und warum funktioniert eine Phantomschallquelle in der Senkrechten so viel schlechter als in der Waagerechten?

Vertikale Ortung ist die Fähigkeit des Gehörs, die Höhe einer Schallquelle zu bestimmen — also zu erkennen, ob ein Geräusch von oben, von vorn oder von unten kommt. Sie beruht auf einem anderen Mechanismus als die Ortung nach links und rechts, arbeitet deutlich ungenauer und setzt der Erzeugung künstlicher Höhenrichtungen enge Grenzen.

Woher ein Geräusch kommt, erkennst Du links und rechts sehr genau: Der Schall erreicht ein Ohr früher und lauter als das andere. Nach oben und unten geht dieser Vergleich nicht — beide Ohren bekommen dasselbe. Dein Gehör hilft sich mit einem Trick: Deine Ohrmuscheln färben den Klang je nach Höhe leicht anders ein, und aus dieser Färbung schließt Du auf oben oder unten. Das funktioniert, aber viel gröber. Deshalb fällt ein Lautsprecher, der etwas zu hoch oder zu tief sitzt, kaum auf, während derselbe Versatz zur Seite sofort stört.

Ausführliche Erklärung

In der Waagerechten hat das Gehör zwei sehr genaue Hinweise. Eine Quelle links erreicht das linke Ohr früher und lauter als das rechte; aus diesem Laufzeit- und Pegelunterschied zwischen beiden Ohren errechnet die Hörbahn die Richtung. Beide Größen ändern sich stetig mit dem Winkel, und beide lassen sich technisch erzeugen — genau darauf beruht die Phantomschallquelle zwischen zwei Lautsprechern.

Bewegt sich eine Quelle in der Medianebene, also in der senkrechten Ebene genau vor dem Hörer, ändert sich an diesen beiden Größen nahezu nichts: Der Weg zum linken und zum rechten Ohr bleibt gleich lang, ob die Quelle auf Ohrhöhe steht oder an der Decke hängt. Der Vergleich zwischen den Ohren läuft damit leer, und das Gehör braucht eine andere Information.

Diese Information liefert der eigene Körper. Ohrmuschel, Kopf und Oberkörper wirken als Filter, dessen Wirkung von der Einfallsrichtung abhängt: Die Faltungen der Ohrmuschel erzeugen Reflexionen, die sich mit dem direkt eintreffenden Schall überlagern und dabei bestimmte Frequenzbereiche auslöschen oder anheben. Weil die Laufzeit dieser internen Reflexionen mit dem Einfallswinkel wandert, wandern auch die betroffenen Frequenzen. John Hebrank und D. Wright haben diesen Zusammenhang 1974 im Journal of the Acoustical Society of America beschrieben: Eine deutliche Einsenkung im Spektrum verschiebt ihre Mittenfrequenz mit steigender Quellenhöhe von etwa 6 auf etwa 10 Kilohertz, und fehlen die Anteile oberhalb von rund 8 bis 10 Kilohertz, bricht die Höhenortung ein. Jens Blauert, damals an der TU Berlin und später in Bochum, hat in Räumliches Hören (1974) schmale Frequenzbereiche beschrieben, deren Anhebung allein schon die Richtungen vorn, oben und hinten auslöst — die richtungsbestimmenden Bänder.

Aus diesem Mechanismus folgen drei Eigenschaften, die im Wohnraum unmittelbar praktisch werden.

Höheninformation steckt im Hochton. Ein Signal ohne Anteile oberhalb von etwa 4 Kilohertz enthält die Merkmale gar nicht, aus denen sich Höhe ablesen ließe. Tiefe Frequenzen lassen sich in der Senkrechten deshalb kaum orten — der Subwoofer ist dafür nur das bekannteste Beispiel.

Der Filter ist persönlich. Jede Ohrmuschel hat eine eigene Geometrie, also auch eigene Kerbfrequenzen. Wo zwei Menschen dieselbe waagerechte Richtung fast gleich beurteilen, weichen ihre Höhenurteile deutlicher voneinander ab. Verfahren, die Höhe künstlich erzeugen, arbeiten mit gemittelten Kopfübertragungsfunktionen — der messbaren Beschreibung dieses Filters — und stimmen damit für niemanden genau.

Die Auflösung ist gröber. David R. Perrott und Kourosh Saberi haben 1990 gemessen, ab welchem Winkelabstand zwei Quellen als verschieden gelegen erkannt werden: in der Waagerechten im Mittel 0,97 Grad, in der Senkrechten 3,65 Grad — rund um den Faktor vier gröber. Der zweite Befund derselben Messung ist der für die Planung entscheidende: Kippt die Anordnung aus der Senkrechten heraus, fällt die Schwelle sofort wieder auf den waagerechten Wert zurück; bei Neigungen zwischen 10 und 60 Grad lag sie zwischen 0,78 und 1,06 Grad. Der Spielraum gilt also ausschließlich für einen Versatz, der wirklich senkrecht steht.

Die senkrechte Phantomschallquelle

Zwei übereinander angeordnete Lautsprecher, die dasselbe Signal abstrahlen, ergeben nicht das senkrechte Gegenstück zur Stereobasis. Der Grund liegt im Mechanismus: Die Höhe wird aus der Klangfarbe gelesen, und die Überlagerung zweier Wege verändert genau diese Klangfarbe. Was in der Waagerechten ein sauberer Stellhebel ist — mehr Pegel auf einer Seite, das Hörereignis wandert dorthin —, greift in der Senkrechten in dieselbe Größe ein, die als Richtungshinweis dient.

Beobachtet wird deshalb typischerweise nicht ein Wandern des Hörereignisses, sondern ein Aufweiten: Das Ereignis wird höher und unschärfer, statt sich auf eine Zwischenposition zu setzen, und es bleibt oft in der Nähe des unteren Lautsprechers hängen. Wie weit es sich überhaupt verschieben lässt, hängt vom Spektrum des Signals ab — ein breitbandiges Geräusch verhält sich anders als eine Stimme. Hörversuche dazu gibt es seit den frühen 2000er-Jahren, etwa bei Eric Barbour auf der AES-Konferenz zu Mehrkanalton 2003, und die Forschung des Applied Psychoacoustics Lab in Huddersfield hat sie seither erweitert.

Häufiges Missverständnis

Weit verbreitet ist die Erwartung, Höhe funktioniere wie Breite: Wer eine Stimme zwischen linkem und rechtem Lautsprecher frei positionieren kann, erwartet dasselbe zwischen einem Lautsprecher am Boden und einem an der Decke. Diese Erwartung ist nachvollziehbar, weil beide Anordnungen geometrisch gleich aussehen — gehörmäßig sind es zwei verschiedene Aufgaben, weil in der Senkrechten die interauralen Unterschiede fehlen, mit denen das Verfahren in der Waagerechten arbeitet.

Wie stark die Höhenwahrnehmung an der Klangfarbe hängt und wie wenig an der Geometrie, zeigt ein Effekt, der in die Gegenrichtung wirkt. Zwei Lautsprecher auf Ohrhöhe, die dasselbe Signal abstrahlen, erzeugen eine Phantommitte, die viele Hörer erhöht wahrnehmen — obwohl beide Quellen exakt auf Ohrhöhe stehen. Hyunkook Lee hat diesen Zusammenhang 2017 im Journal der Audio Engineering Society untersucht und gezeigt, dass die Anhebung mit dem Öffnungswinkel wächst und vom Spektrum des Signals abhängt. Das Gehör bekommt hier eine Klangfärbung, die es aus der Erfahrung mit erhöhten Quellen kennt, und urteilt entsprechend — gegen die Geometrie.

Nicht zu verwechseln mit

Phantomschallquelle in der Waagerechten: Dasselbe Prinzip, aber über interaurale Pegel- und Laufzeitunterschiede und mit ungleich stabilerem Ergebnis.
Höhenkanal: Eine Kanalbelegung im Tonformat. Ob der Hörer die Höhe auch wahrnimmt, entscheidet die vertikale Ortung — der Kanal allein garantiert es nicht.
Kopfübertragungsfunktion: Die Beschreibung des Filters, den Ohrmuschel und Kopf bilden. Sie ist das Werkzeug, mit dem sich vertikale Ortung messen und nachbilden lässt, und keine Wahrnehmung.
Bildhöhe und Sichtwinkel: Optische Größen der Bildplanung, die mit der Höhenwahrnehmung des Gehörs nichts zu tun haben.

In der Planung

Eine geschlossene Bildfläche — ein großer Fernseher oder eine LED-Wand — besetzt den Ort, an dem im Heimkino der Center steht. Am Anfang steht deshalb die Konzeptfrage: Soll die Bildwand als eine durchgehende Fläche gelesen werden, oder darf ein Lautsprecher sichtbar bleiben? Erst danach geht es darum, wohin der Center wandert, und zuletzt die Gerätefrage.

Für die Ausführung ergibt sich aus der vertikalen Ortung eine klare Rangfolge. Ein Center unmittelbar über oder unter der Bildmitte nutzt genau die Richtung, in der das Gehör am wenigsten hinhört. Wird derselbe Lautsprecher aus Möbelgründen zusätzlich ein Stück zur Seite gerückt, kippt die Anordnung aus der Senkrechten, und der Spielraum verfällt — die Schwelle fällt dann auf den waagerechten Wert zurück. Der Center gehört also exakt auf die senkrechte Mittelachse, auch wenn das die Möbelplanung enger macht.

Die zweite Stelle, an der die vertikale Ortung entscheidet, sind die Höhenkanäle. Ein Deckenlautsprecher und ein Aufsatzlautsprecher erzeugen Höhe auf verschiedenen Wegen, und beide brauchen dafür Hochtonanteile, die den Hörplatz auch erreichen. Ein Höhenkanal, dessen oberes Ende in einer Textilbespannung, in einer stark gedämpften Decke oder in ungünstiger Abstrahlrichtung verschwindet, liefert Pegel, aber keine Richtung. Wird zwischen Center und Höhenkanal derselbe Inhalt senkrecht bewegt, entsteht die senkrechte Phantomschallquelle mit all ihrer Unschärfe; der Fall ist selten, sollte aber vor einer Vorführung bekannt sein.

Verknüpfte Inhalte

Wie die Abbildung in der Waagerechten funktioniert, steht bei der Phantomschallquelle; wie stark die Sitzposition dabei entscheidet, beim Sweet Spot. Was der Höhenversatz eines Centers bei geschlossener Bildfläche akustisch kostet, führt die Seite zu Ton bei geschlossener Bildfläche aus. Die messbare Beschreibung des Ohrmuschelfilters behandelt der Eintrag zur Kopfübertragungsfunktion.

Quellen

Die Schwellenwerte zur senkrechten und waagerechten Ortung stammen aus der Messung von Perrott und Saberi (1990). Die spektralen Merkmale der Medianebene folgen Hebrank und Wright (1974), die richtungsbestimmenden Bänder Blauerts Räumlichem Hören (1974). Die Angaben zur senkrechten Phantomschallquelle und zur erhöhten Phantommitte stützen sich auf Barbour (2003) und Lee (2017).