Sonification is the systematic transformation of data to sound. Sonification is a means to communicate information, to support navigation, or to explore data. In a multi-disciplinary research project we develop a psychoacoustically-motivated sonification that supports surgeons’ orientation in image-guided interventions. One drawback of image-guidance is that neither the location of monitors nor the displayed view on the patient’s anatomy coincides with the actual viewpoint of the surgeon. Surgeons need to mentally scale, rotate, and translate the displayed graphics. These operations are cognitively demanding. Sonification can reduce cognitive load and relieve the visual channel to improve the ergonomic situation in the operating room by communicating the location of the target, relative to the tool tip, like the center of a tumor relative to the ablation needle. By means of psychoacoustic sonification we ensure that the sounds are readily interpretable in terms of orthogonal and linear dimensions with a high resolution.

What are the timbral characteristics of musical sounds? From the second half of the nineteenth century, ideas about musical timbre were affected by contradictory and platitude statements that have lead researchers and musicians throughout history to adopt various models and perspectives. However, the influence of pitch and dynamics has largely been ignored within these models by definition. Another fact had further effects on the history of psychoacoustical research: While Hermann von Helmholtz’s Lehre von den Tonempfindungen was soon translated into English by Alexander J. Ellis, a translation of Carl Stumpf’s standard works Tonpsychologie (1883 and 1890) and Die Sprachlaute (1926) has yet to be published, as are translations of the important writings of other German-speaking successors to Helmholtz and Stumpf (such as Köhler, Schumann, Albersheim, Reinecke, Fricke etc.). Consequently, Anglo-American psychoacoustical research, which has been most influential in this field since World War II, is lacking this particular aspect of knowledge about musical timbre. The relevance of the German research tradition comes to light when we examine an instrument in its entire pitch and dynamic range (rather than only one or a few pitches as in most timbre studies): timbre perception of musical instruments is determined to a certain extent by steady pitch-independent formant areas, whose origin and characteristics at pitch and dynamic changes has generally been resolved today. These timbral effects appear to be in accordance with the principles of Auditory Scene Analysis (Albert S. Bregman) as well as with recommendations in orchestration treatises of the last centuries. Anglo-American models, such as John Grey’s Timbre Space and subsequent research, and German models of timbre perception both have advantages and short- coming. With the help of sound analysis and re-synthesis software and in combination with the concept of mel-frequency cepstral coefficients methods, it seems possible to merge these diverse approaches into a common timbre perception model.

George Crumb ist bekannt dafür, dass er in seinen Kompositionen mit einer großen Palette an Klangfarben arbeitet. Im Trio Vox Balaenae findet sich mit der Besetzung Electric Flute, Electric Cello, Electric Piano – drei Instrumentalgruppen plus elektronische Verstärkung – ein besonders vielfältiger Klangfarbenreichtum. Die vorliegende Analyse zeigt, dass ein wesentlicher Ausdruckgehalt des Stückes von den Klangfarben selbst transportiert wird. Als Rahmen für die hermeneutische Analyse dieser Klangfarbenstruktur dient Rebecca Leydons psychoakustischer Ansatz evidence of bodies: Timbre verweise grundsätzlich auf den Körper zurück, der den gehörten Klang hervorgebracht hat. So weist Leydon verschiedenen Klängen verschiedene Grade an Körperlichkeit zu und knüpft an das musikalische Spiel mit den verschiedenen Körperlichkeiten von Klängen dramaturgische Konzepte. Die vorliegende Analyse greift diesen Ansatz auf und entwickelt ihn weiter, um den Ausdrucksgehalt von Vox Balaenae herauszuarbeiten. / George Crumb is known for using a great variety of timbre in his compositions. This is most certainly true for his Trio Vox Balaenae for Electric Flute, Electric Cello, Electric Piano, a composition which employs three different types of instruments; winds, strings, and keys, with electric amplification. The presented analysis will show that the expressive content of the piece is transported by timbre. This timbral analysis builds on Rebecca Leydon’s psychoacoustic theory of timbre, which she calls ›evidence of bodies‹: namely, a sound’s timbre is the audible evidence of the material nature of the body which produced the sound. Following this, Leydon connects different degrees of embodiment to different timbres ranging from the disembodied to sheer materiality of matter. This allows her to reveal timbral trajectories in pieces from which narratives can be drawn. The presented hermeneutic analysis of Vox Balaenae builds on Leydon’s theory and explores further timbral trajectories and narratives in order to reveal the expressive content of the piece.

Jenseits ihrer Tonhöhe i.e. S. können Töne in ihrem Klangcharakter (timbre) unterschieden werden, und dies auch im Zusammenspiel. Timbre ist jedoch eine schlecht definierte Kategorie, ein Sammelbegriff. Bereits im 19. Jahrhundert versuchten Hermann von Helmholtz und Carl Stumpf eine präzisere Bestimmung zu finden. Die von ihnen angenommene multidimensionale Struktur ist heute durch moderne Skalierungstechniken benutzende Forschungen bestätigt und erweitert. Die Ergebnisse zeigen vier Dimensionen: hard/sharp vs. soft/dull, tonal vs. noisy, empty vs. full, compact vs. pure. Beabsichtigt war mit diesem Artikel jedoch nicht nur psychoakustische Befunde vorzustellen, sondern auch kompositorische Techniken des Komponierens mit Klangcharakteren, so bei Schönberg, Cowell, Rudhyar, Ligeti. Jedoch hat eine Eigenschaft von Tönen und Klängen, nämliche die von Debussy benutzte räumliche Dimension, die Wissenschaft bis heute kaum interessiert. Ein Hinweis auf die Theorie von Ernst Kurth zeigt, dass noch immer viele Fragen mit dem Regenschirmbegriff ›Timbre‹ verbunden sind. / Beyond their pitch, tones can be thought of as differing in sound characteristics (timbre) by which they can be segregated simultaneously from one another. However, timbre is an ill-defined category: it is a catchall term of several sound qualities. Already in the 19th century Hermann von Helmholtz and Carl Stumpf tried to find a more precise description. Their assumption about multidimensional structure of timbre-attributes has been confirmed today and augmentated by researches using modern scaling techniques. The results show four dimensions: hard/sharp vs. soft/dull, tonal vs. noisy, empty vs. full, and compact vs. pure. The purpose of this article is not only to report psycho-acoustic results but also to show techniques of composing with the timbre-factors by Schoenberg, Cowell, Rudhyar, and Ligeti. However, one attribute of tones and sounds, namely, its spatial dimension such as that used by Debussy has hardly interested the scientists of today. A clue to the theory of Ernst Kurth reveals that still a lot of questions surround the term ›timbre‹.

Inhalt dieser Arbeit sind Entwurf und Umsetzung eines Testsystems, das der Befragung menschlicher Probanden zu psychoakustischen Fragestellungen dienen soll. Zu diesem Zweck soll es sowohl das Erstellen und Verwalten von Testszenarien als auch die Befragung registrierter Probanden selbst realisieren. Einzelnen Testfragen können dabei variabel lange Sounddateien zugewiesen werden. Die Speicherung der Fragebögen sowie der erhobenen Daten erfolgt mit Hilfe eines Datenbanksystems. Dabei liegt das Hauptaugenmerk auf einer flexiblen Fragebogenerstellung, um dem Fragesteller genügend Freiraum im Design einräumen zu können.

Die Einbeziehung des Klangs in die analytische Musikbetrachtung erscheint spätestens im 20. Jahrhunderts eine unausweichliche Herausforderung an die musiktheoretische Forschung. Ausgangspunkt der hier vorgestellten Studie ist der musikalische Cluster. Cluster markieren die Schnittstelle zwischen tonhöhengeleitetem Harmoniebegriff und geräuschhaften Klangmaterial. Mit Henry Cowells Buch New musical resources (1930) existiert zudem eine kompositorische Theorie zur Clustertechnik. Für die wahrnehmungspsychologische Studie wurden zunächst zehn Prototypen von Clustern entwickelt, die teils Cowells Klavierwerken entstammen (z.B. diatonisch, pentatonisch, chromatisch) und teils nach theoretischen Überlegungen konstruiert waren. Mit experimentellen Methoden gingen wir der Frage des Konzept-Perzept-Verhältnisses nach, also ob diese Prototypen auditiv überhaupt unterscheidbar sind, welche Hörexpertise dafür notwendig ist und welche psychoakustischen Eigenschaften die Cluster als Voraussetzung für eine auditive Diskriminierung haben müssen. Das angewandte Paradigma war eine Modifikation des MUSHRA Hörtests (MUlti Stimulus test with Hidden Reference and Anchor, ein Hörtest zur Ermittlung der Audioqualität von datenreduzierenden Algorithmen wie MP3). Die Probanden beurteilten hierbei die Ähnlichkeit der Cluster-Klänge im Vergleich zu einem zuvor festgelegten Referenzklang. Das Ergebnis der Studie zeigte, dass sich die Ähnlichkeitsratings in zwei Gruppen aufteilen lassen: (a) Cluster, deren perzeptuelle Ähnlichkeitseinschätzung von ihrer Clusterdichte abhingen und (b) Cluster, deren Klangstruktur eine perzeptuelle Sättigung aufwiesen, was die Differenzierung erschwerte. Auch die psychoakustischen Untersuchungen der Stimuli korrelierten stark mit den Ergebnissen des Ähnlichkeitsratings. Die Beobachtungen ermöglichen es, die Wirkung von Clustern empirisch fundiert zu beschreiben. Das Ziel der weiteren Forschung wird es sein, den Zusammenhang der Clustertheorie mit anderen Klangformen zu untersuchen. / The musical tone cluster is a prototypical sound of avant-garde music in the twentieth and twenty-first centuries. Tone clusters mark a boundary between pitch-related techniques of composing in earlier epochs to the use of sound-based materials in avant-garde music. The composer Henry Cowell offered the first theoretical reflection on the structure of tone clusters with a focus on tone density, which relies on the number of tones and the ambitus of a cluster (Cowell, 1930). Using experimental methods, we investigated whether participants were able to discriminate between various types of tone clusters (e.g., pentatonic, diatonic or chromatic) and how they evaluated their similarities. We also questioned whether a timbre-based approach using psychoacoustical methods of analysis could be used to explain the perception of avant-garde music sounds. Ten different prototypical tone cluster chords varying in density were presented in two studies. Additionally, the relation between similarity ratings and psychoacoustic features was examined. The design of the study was based on an adaption of the Multi Stimulus with Hidden Reference and Anchor (MUSHRA) paradigm (International Telecommunication Union, 2014). With this method, participants rated the similarity between a firstly chosen reference tone cluster and the other cluster sounds. The tone clusters could be grouped into two classes of sounds based on the similarity ratings of the participants: (a) those clusters with a high grade of perceptual discrimination depending on the cluster density and (b) those clusters of a more aurally saturated structure, making it difficult to separate and evaluate them. The results also showed congruency between theoretical features of the cluster structure, results of the timbre feature analysis, and perceptual evaluation of stimuli. The findings can provide valuable insights into aural training methods for avant-garde music. In future research, there will be a need to identify more variables influencing the aural perception of musical sounds to aid in listening to and understanding avant-garde music.

One of the mixing engineers most important tool when listening, analyzing and taking decisions is the physical space in which the reproduction system and the monitors are placed. The space needs to fulfill certain aspects to be able to qualify as a control room considered good for taking these decisions. In this study an active listening test was conducted to investigate if the RT60 of the natural reverberation in the room affected a mixing engineers’ decisions when adjusting parameters on an artificial reverb. 16 subjects participated, the subjects adjusted reverb level and reverb time of an artificial reverb in two different acoustical environments, with two different values of RT60. The environments were based on a professional control room made for mixing and mastering. The two values for RT60 was achieved through manipulating the room with diffusors and absorbing material. It was found that the subjects were able to adapt to the different acoustical environments, although other differences were found. The order of the which of the environments the subjects started in and which parameter the subject started adjusting, showed a considerable impact on the result. As well as what kind of factors the subjects considered when adjusting the artificial reverb.

Neben der äußeren Formgebung und den guten Fahreigenschaften eines Kraftfahrzeugs kommt dem Innenraum eine immer größer werdende Bedeutung für die Schaffung einer positiven Emotionalität zu. Der Innenraum ist der Bereich, in dem der Kunde den engsten Kontakt mit dem Auto hat. Hier bewältigt er seine Fahraufgabe, hier „lebt“ er während der Fahrzeugnutzung. Die unterschiedliche Gewichtung der Anforderungen für die Gestaltung des Fahrzeuginnenraums bei den verschiedenen Automobilherstellern führte zu Beginn der 1990er-Jahre dazu, dass die Stellteile trotz einer steigenden Anzahl von Funktionen tendenziell abnahmen. Dies wurde durch die Einführung von sogenannten multifunktionalen Stellteilen ermöglicht. Eine intern durchgeführte Analyse von Anordnungskonzepten für Bedienelemente im PKW-Innenraum [Anguelov, 2002] bestätigte die folgenden zwei Erkenntnisse: Erstens findet eine Funktionsgruppierung der Stellteile und damit auch eine räumliche Gruppierung im Innenraum statt, zweitens sind die am häufigsten betätigten Stellteile der Taster und der Drehschalter. Weiterhin zeigte diese Analyse, dass häufig und herstellerunabhängig für sicherheits- und fahrspezifische Funktionen Taster und/oder Drehschalter verwendet werden – Start-Stopp- Taster, Taster für die Warnblinkanlage, Notruftaster, Taster für das elektronische Stabilitätsprogramm (ESP), Lichtdrehschalter etc. Der Kunde interessiert sich nicht dafür, was sich hinter dem einzelnen Bedienelement verbirgt, solange es seine Funktion erfüllt. Außerdem erwartet der Kunde hinsichtlich des Interieurs, dass der erste optische Eindruck durch die bei der Betätigung der Bedienelemente wahrnehmbare Haptik und das dabei auftretende Geräusch bestätigt wird. Kann diese Erwartungshaltung aufgrund des Schaltergeräusches nicht bestätigt werden, so verliert selbst ein ergonomisch hervorragender und mit einer ansprechenden Optik versehener Schalter jedwede Kundenakzeptanz. Die Steigerung der haptischen und akustischen Wertigkeit im Innenraum erweist sich daher als ein wesentlicher Beitrag zur Wertanmutung des gesamten Fahrzeugs. Kundengruppen mit spezifischen Eigenschaften und Motiven zu identifizieren und zu beschreiben. Psychologen arbeiten stetig an der Verbesserung der existierenden Kundentypologien, wobei Merkmale wie z. B. der Fahrstil und die technische Affinität berücksichtigt werden. Ohne ein solides Wissen über die speziellen Wünsche und Erwartungen der Kunden bezüglich der haptischen und akustischen Gestaltung der Bedienelemente ist der Automobilhersteller oft zu weit vom Kunden entfernt und entwickelt Produkte, welche die erwartete und erhoffte Kundenakzeptanz verfehlen. Aber nicht nur die Automobilhersteller, sondern auch die entsprechenden Zulieferer entdecken zunehmend die Wichtigkeit der Wertanmutung, wie folgende Zitate belegen: „Die Wertanmutung wird zu einem der wichtigsten Kriterien beim Kauf“ [Pressemappe Fa. Faurecia, Oktober 2004]; „Wertigkeit und Emotion sind entscheidende Elemente im Fahrzeuginnenraum. Denn die empfundene Wertanmutung ist bedeutend für die Kaufentscheidung des Kunden“ [Internetpublikation, Fa. Bayern Innovativ GmbH, Innovationskongress November 2006]. Trotz der weitverbreiteten Verwendung des Kunstwortes „Wertanmutung“ liegen seine genaue Bedeutung und Herkunft noch immer im Dunkeln, da es eine klare und eindeutige Definition des Begriffes in der deutschen Sprache bis heute nicht gibt. Aus den im Duden beschriebenen Bedeutungen der Begriffe „anmuten“1 und „zumuten“2 ließe sich jedoch ableiten, dass dieses Begriffspaar für eine Subjekt-Objekt- Beziehung steht bzw. auf eine solche übertragen werden kann. Demzufolge fühlt sich ein Subjekt „angemutet“ als Reaktion auf die „Zumutung“ eines Gegenstandes. Darüber hinaus suggeriert der Begriff „Anmutung“ ein gefühlsmäßiges, meist unbewusstes Eindruckerlebnis.

Neben der äußeren Formgebung und den guten Fahreigenschaften eines Kraftfahrzeugs kommt dem Innenraum eine immer größer werdende Bedeutung für die Schaffung einer positiven Emotionalität zu. Der Innenraum ist der Bereich, in dem der Kunde den engsten Kontakt mit dem Auto hat. Hier bewältigt er seine Fahraufgabe, hier „lebt“ er während der Fahrzeugnutzung. Die unterschiedliche Gewichtung der Anforderungen für die Gestaltung des Fahrzeuginnenraums bei den verschiedenen Automobilherstellern führte zu Beginn der 1990er-Jahre dazu, dass die Stellteile trotz einer steigenden Anzahl von Funktionen tendenziell abnahmen. Dies wurde durch die Einführung von sogenannten multifunktionalen Stellteilen ermöglicht. Eine intern durchgeführte Analyse von Anordnungskonzepten für Bedienelemente im PKW-Innenraum [Anguelov, 2002] bestätigte die folgenden zwei Erkenntnisse: Erstens findet eine Funktionsgruppierung der Stellteile und damit auch eine räumliche Gruppierung im Innenraum statt, zweitens sind die am häufigsten betätigten Stellteile der Taster und der Drehschalter. Weiterhin zeigte diese Analyse, dass häufig und herstellerunabhängig für sicherheits- und fahrspezifische Funktionen Taster und/oder Drehschalter verwendet werden – Start-Stopp- Taster, Taster für die Warnblinkanlage, Notruftaster, Taster für das elektronische Stabilitätsprogramm (ESP), Lichtdrehschalter etc. Der Kunde interessiert sich nicht dafür, was sich hinter dem einzelnen Bedienelement verbirgt, solange es seine Funktion erfüllt. Außerdem erwartet der Kunde hinsichtlich des Interieurs, dass der erste optische Eindruck durch die bei der Betätigung der Bedienelemente wahrnehmbare Haptik und das dabei auftretende Geräusch bestätigt wird. Kann diese Erwartungshaltung aufgrund des Schaltergeräusches nicht bestätigt werden, so verliert selbst ein ergonomisch hervorragender und mit einer ansprechenden Optik versehener Schalter jedwede Kundenakzeptanz. Die Steigerung der haptischen und akustischen Wertigkeit im Innenraum erweist sich daher als ein wesentlicher Beitrag zur Wertanmutung des gesamten Fahrzeugs. Kundengruppen mit spezifischen Eigenschaften und Motiven zu identifizieren und zu beschreiben. Psychologen arbeiten stetig an der Verbesserung der existierenden Kundentypologien, wobei Merkmale wie z. B. der Fahrstil und die technische Affinität berücksichtigt werden. Ohne ein solides Wissen über die speziellen Wünsche und Erwartungen der Kunden bezüglich der haptischen und akustischen Gestaltung der Bedienelemente ist der Automobilhersteller oft zu weit vom Kunden entfernt und entwickelt Produkte, welche die erwartete und erhoffte Kundenakzeptanz verfehlen. Aber nicht nur die Automobilhersteller, sondern auch die entsprechenden Zulieferer entdecken zunehmend die Wichtigkeit der Wertanmutung, wie folgende Zitate belegen: „Die Wertanmutung wird zu einem der wichtigsten Kriterien beim Kauf“ [Pressemappe Fa. Faurecia, Oktober 2004]; „Wertigkeit und Emotion sind entscheidende Elemente im Fahrzeuginnenraum. Denn die empfundene Wertanmutung ist bedeutend für die Kaufentscheidung des Kunden“ [Internetpublikation, Fa. Bayern Innovativ GmbH, Innovationskongress November 2006]. Trotz der weitverbreiteten Verwendung des Kunstwortes „Wertanmutung“ liegen seine genaue Bedeutung und Herkunft noch immer im Dunkeln, da es eine klare und eindeutige Definition des Begriffes in der deutschen Sprache bis heute nicht gibt. Aus den im Duden beschriebenen Bedeutungen der Begriffe „anmuten“1 und „zumuten“2 ließe sich jedoch ableiten, dass dieses Begriffspaar für eine Subjekt-Objekt- Beziehung steht bzw. auf eine solche übertragen werden kann. Demzufolge fühlt sich ein Subjekt „angemutet“ als Reaktion auf die „Zumutung“ eines Gegenstandes. Darüber hinaus suggeriert der Begriff „Anmutung“ ein gefühlsmäßiges, meist unbewusstes Eindruckerlebnis.

This thesis deals with optimization of sound projectors, based on knowledge on the auditory perception. In sound projection it is desired that the lagging projected sound dominates the localization. One of the most limiting factors here is the leading direct sound, which, however, can only be reduced to a limited extent since the focusing capabilities of sound projectors are physically limited. In order to enable the perception-based optimization, it was therefore essential to gain an understanding of the perceptual role of the direct sound in achieving localization dominance of the projected sound, and which perception-based requirements for sound projection result from this role. A review of existing literature on the perception in scenarios with leading and lagging sound revealed that further insights into lag localization dominance were needed to this end. These insights were gained by conducting several psychoacoustic investigations in an anechoic chamber, reproducing the sounds via individual loudspeakers. Lag localization dominance seemed to be strongly influenced by the temporal characteristics of the playback signal. Afterwards, comprehensive perception-based requirements for sound projection were derived and their consequences for the design of sound projectors were discussed. On this basis, a method for the perception-based optimization was developed with the goal to reduce the influence of the direct sound on localization. This method was named localization masking. Localization masking is based on the additional generation of one or more sounds arriving earlier and from another direction than the direct sound at the position of the listener. An investigation under laboratory conditions, using cascaded lead-lag pairs representing the sounds involved, suggested that localization masking has the potential to achieve that goal. Localization masking enabled the initial lag, representing the projected sound, to dominate the localization up to a 7 dB higher level of the initial lead, representing the direct sound. Finally, localization masking was investigated under realistic conditions. Localization masking was applied to real sound projectors in a real room and proved to work. Localization masking enabled a given projector to be effectively used with a playback signal that requires stronger focusing capabilities. Furthermore, localization masking enabled a projector with less strong focusing capabilities to be effectively used with a given playback signal.