Die Tonhöhe wird in der Praxis mit der Frequenz (Schwingungsanzahl pro Zeitspanne) eines hörbaren Tones gleichgesetzt, genauer: mit der Grundfrequenz, also der Frequenz des tiefsten Teiltons in dem betreffenden Klang (siehe z.
B. Stimmung (Musik), Intervall (Musik), Kammerton). Die Tonhöhe ist neben der Tondauer, der Lautheit und der Klangfarbe eine wichtige Eigenschaft musikalischer Töne und der Vokale gesprochener Sprache.
Das American National Standards Institute definiert die Tonhöhe als eine Eigenschaft der auditorischen Empfindung „nach der Klänge auf einer musikalischen Tonleiter geordnet werden können (ANSI S1.1)“. Dabei werden Tonhöhen im Sinne einer musikalischen Melodie als höher oder tiefer wahrgenommen, was jedoch voraussetzt, dass der Hörschall bezüglich Frequenz und Klarheit stabil genug ist, um ihn von einem Geräusch zu unterscheiden. Bei künstlich erzeugten reinen Tönen (Sinuston, monofrequenter Schall) korreliert die Tonhöhe mit der Frequenz des Tones. Normalerweise wird die Tonhöhe einfach als die Grundfrequenz eines periodischen Schalls verstanden; aber besonders in der Musik beeinflussen auch harmonische und melodische Zusammenhänge die Wahrnehmung.
Hörschall, dem das menschliche Gehör eine Tonhöhenempfindung zuordnen kann, nennt man tonal. Einen tonalen Charakter haben Schallsignale, bei denen sich die Zeitstruktur periodisch wiederholt (z. B. Klang von schwingenden Saiten). Einen tonalen Charakter haben aber auch nicht-periodische Schallsignale, bei denen eng umgrenzte Frequenzbereiche hervorgehoben sind (z. B. Windheulen oder der Ton von Pauken).
Wenngleich die Tonhöhe durch eine Frequenz charakterisiert werden kann, ist sie nicht nur eine objektive physikalische Eigenschaft, sondern hat auch eine psychoakustische Komponente. Dies war und ist ein zentrales Problem und Gegenstand andauernder Forschungen in Bezug auf Sprachsynthese und ihre Wahrnehmung über das Gehör. Für die Psychoakustik ist interessant, wie hoch oder tief Töne bestimmter Frequenz wahrgenommen werden. Hierzu wird eine eigene Tonhöhen-Skala aufgebaut, die wahrgenommene Tonhöhe. Die wahrgenommene Tonhöhe wird auch als Tonheit bezeichnet.
In vielen Sprachen werden Töne im Vergleich miteinander „höher“ oder „tiefer“ genannt, und Melodien (d. h. Abfolgen von Tönen) werden als „ansteigend“ oder „abfallend“ empfunden und bezeichnet.
Diese „räumlichen“ Bezeichnungen beruhen wahrscheinlich auf dem statistischen Vorkommen von in der Natur auftretenden Tönen und Geräuschen, die entsprechend räumlich wahrgenommen und als „von oben“ oder „von unten“ identifiziert werden. Die zahlenmäßig größere (hohe) oder kleinere (niedrige) Frequenz eines Tons passt zwar zu dieser Bezeichnungsweise. Sie kann aber nicht deren Ursache sein, denn die Erkenntnis, dass Töne auf Schwingungen beruhen, ist viel jünger als die Sprachen.
In der Musik ist die Tonhöhe eine Maßangabe (Parameter), die getrennt von anderen Maßangaben oder Eigenschaften beschrieben werden kann. Dabei enthält der Begriff eine lineare und eine helikale (schraubenförmige) Komponente. Die lineare Tonhöhenwahrnehmung, mit der eine annähernd geometrische Veränderung der zugrunde liegenden Schwingungsfrequenzen einhergeht, ist oft an den Eindruck einer linearen Änderung von Helligkeit oder Höhen-Lokalisierung im eigenen Körper (Brust bis Kopf) gekoppelt. Die helikale Komponente drückt sich darin aus, dass die – bei Verdopplung oder Halbierung der Frequenz – eine Oktave höher bzw. tiefer klingenden Töne als ähnlich oder gleich empfunden werden. Töne, die eine oder mehrere Oktaven Abstand haben, fasst man deshalb in einer Tonklasse mit gleicher Tonigkeit zusammen und bezeichnet sie mit demselben Namen (ggf. mit einem Zusatz zur Kennzeichnung des Oktavraums).
Für musikalische Zwecke sollen aufeinander folgende oder zusammen erklingende Töne „gut klingen“. Dies ist aber nur der Fall, wenn diese Töne bestimmte Frequenzverhältnisse einhalten, nämlich die von musikalischen Intervallen. Die für musikalische Zwecke sinnvollen Frequenzverhältnisse fasst man in Tonleitern zusammen. Die Bezeichnung des Tonleiter-Tons wird dann als Bezeichnung der (relativen) musikalischen Tonhöhe verwendet.
Wird zusätzlich noch die Frequenz eines Referenztons angegeben, kann man jedem musikalischen Ton auch eine absolute Tonhöhe zuordnen. Üblicherweise gibt das heutige Notenbild absolute Tonhöhen wieder; maßgeblich ist dabei die Festlegung des Tons a1 als sogenannter Kammerton auf 440 Hz, die von der internationalen Stimmtonkonferenz von 1939 in London vereinbart wurde. Zur schriftlichen Notation der Tonhöhe sind mehrere Tonsymbol-Systeme in Gebrauch.
Der Charakter einer Melodie oder eines Akkords ist jedoch im Wesentlichen unabhängig von der absoluten Tonlage. Melodien oder Akkorde können z. B. als Ganzes um Intervalle verschoben werden (Transponieren). Die absolute Tonhöhe, mit der ein Musikstück wirklich vorgetragen wird, beruht auf Entscheidung der Musiker, auf den gegebenen stimmlichen Möglichkeiten der Sänger und ggf. den Eigenschaften der verwendeten Instrumente:
Einige wenige Menschen verfügen über ein sogenanntes absolutes Gehör (auch Tonhöhengedächtnis). Sie sind in der Lage, einen Ton ohne Hilfsmittel zu benennen und nach vorgegebener Tonbezeichnung korrekt zu singen.
Vom absoluten Gehör zu unterscheiden ist das relative Gehör, das dazu befähigt, das Intervall zweier aufeinander folgender Töne zu benennen und bei abstrakter Vorgabe (vom Blatt) korrekt zu singen. Sowohl das relative als auch das absolute Gehör kann gezielt trainiert werden.
Ein weiterer Aspekt des musikalischen Gehörs ist die Fähigkeit, Unsauberkeiten in der Intonation – also geringe Abweichungen der Tonhöhe von einem musikalisch geplanten Wert – zu erkennen. Sie wird Intonationsgehör genannt. Diese Fähigkeit hat ihre physiologische Grenze in der Frequenzunterscheidung des Gehörs. Auch diese Grenze ist jedoch durch Training verschiebbar. Versuche haben gezeigt, dass bereits acht Stunden Training genügen, um an die Fähigkeit der Frequenzunterscheidung von geschulten Musikern heranzukommen. Das Intonationsgehör benötigt allerdings in der musikalischen Praxis weit mehr als eine trainierte Frequenzunterscheidung. Hier ist es nämlich erforderlich, vorgestellte Tonhöhen mit realisierten abzugleichen. Bei geübten Sängern ist eine durchschnittliche Abweichung von drei Cent (3/100 Halbton) gemessen worden. Messungen am Düsseldorfer Institute of Stringed Instruments Guitar & Lute ergaben, dass die Tonhöhe als korrekt empfunden wird, wenn die Intonation innerhalb eines Bereichs von etwa 1 Cent erfolgt.
Sowohl die objektive Messung als auch die subjektive Wahrnehmung von Tonhöhen ist mit einer gewissen Ungenauigkeit („Unschärfe“) behaftet, die teils auf physikalischen, teils auf hörphysiologischen Gegebenheiten beruht.
Frequenz und Zeit sind verknüpfte (konjugierte) Größen und gehorchen somit einer „Unschärferelation“, wie es auch bei der Fourier-Transformation und deren Anwendungen deutlich wird. Die Unschärferelation bewirkt, dass die Frequenz nicht für einen punktgenauen Moment, sondern nur für eine bestimmte Dauer mehr oder weniger genau gemittelt werden kann. So ließe sich etwa die Frequenz eines periodischen Schallereignisses nur dann absolut exakt messen, wenn seine Zeitdauer völlig unbestimmt, also unendlich wäre. Umgekehrt wird seine Tonhöhe umso unbestimmter, je kürzer die Dauer ist. Hieraus resultiert für die Musizierpraxis die nützliche Erkenntnis, dass bei langsamen Passagen (lange Töne) Intonationsgenauigkeit viel wichtiger (weil hörbarer) ist als bei schnellen Passagen (kurze Töne). So sagen Streicher und auch Bläser häufig – zur Überraschung von Laien –, dass es keineswegs leichter ist, langsame Stücke zu spielen.
Nach Frequenzanalyse und Umwandlung zu Nervenimpulsen im Innenohr erfolgt eine Weiterleitung in frequenzspezifischen Nervenbahnen, die zusätzlich noch in mehreren parallele Stränge der Hörbahn vervielfacht werden. Die Weiterverarbeitung erfolgt auf mehreren Ebenen im Gehirn. Dieser Vorgang ist wesentlich komplexer als etwa eine einfache technische Spektralanalyse. Wie die Dekodierung von Periodizität beim Hören aus dem Strom der Nervenimpulse im auditorischen Mittelhirn (Colliculi inferiores) arbeitet ist nicht ausreichend geklärt, eine Hypothese beschreibt die Funktion nach dem Prinzip des Koinzidenz-Detektors. Erwiesen ist, dass mehrere Signalperioden erforderlich sind, damit eine Periodizität – und damit die Basisinformation für die nachfolgende Repräsentation von Tonhöhe im Großhirn – registriert werden kann. Interessanterweise wird die Tonhöhe eines natürlichen Tons von 100 Hz, mit Obertönen, mehr als viermal so schnell wahrgenommen wie ein Sinuston derselben Frequenz., da das Gehirn auch die Ströme der Nervenimpulse nutzt, die von Obertönen ausgelöst werden.
Ein sinusförmiges Schallsignal, das z. B. nur die Dauer einer Halbperiode hat, wird vom Gehör nicht als Ton, sondern als Knackgeräusch mit unbestimmter Tonhöhe wahrgenommen. Die Minimalzeit zur Auslösung einer diskreten Tonhöhenempfindung ist von der Frequenz abhängig. „Für ein Sinussignal von 1000 Hz liegt dieser Zeitwert bei etwa 12 ms; es braucht also ungefähr 12 Perioden, damit ein Sinussignal mit der Frequenz f = 1000 Hz vom Ohr als Tonhöhe erfasst werden kann. 3 bis 4 Perioden sind notwendig für ein Signal von 200 Hz, ungefähr 250 für ein solches von 10 kHz.“
Die Tonheit ist in der Psychoakustik eine Empfindungsgröße mit der Maßeinheit Mel, anhand derer man Schallereignisse bezüglich ihrer empfundenen Tonlage ordnen kann. Im Bild rechts ist dargestellt, wie sich anhand von Hörversuchen der Zusammenhang zwischen der Frequenz eines Sinustons und der wahrgenommenen Tonhöhe ergibt. Für komplexe „Töne“ (streng genommen: Klänge im Sinne von Teiltonkomplexen), wie sie in der Realität vorkommen (Schwingende Systeme), gelten diese Empfindungsgrößen der Psychoakustik nicht direkt, und die Abweichungen von der Frequenzskala liegt bis 5 kHz innerhalb der vom Ohr noch nicht wahrnehmbaren Grenzen.
Die Wahrnehmung der Tonhöhe ist eng verbunden mit der Physiologie des Innenohres und des auditorischen Gehirns. Das Innenohr führt eine Frequenzanalyse des gehörten Signals durch. Unterschiedliche Frequenzen führen an unterschiedlichen Orten des Innenohrs zu einer Erregung von Nervenzellen. Der Ort, an dem Nervenzellen verstärkt angeregt werden, kann so zur Bestimmung der Tonhöhe benutzt werden. Die genauen Details der Funktion sind nach wie vor Gegenstand der Forschung und es gibt mehrere Modelle dafür.
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