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Mit '''Frequenzgruppen''' (Plural, {{enS|critical bands}}) bezeichnet man beim menschlichen [[Hören]] [[Frequenz]]<nowiki />bereiche, die gemeinsam ausgewertet werden. Eine Auswertung in Frequenzgruppen erfolgt z. B. bei der Bestimmung der [[Lautheit|Lautstärke]], des [[Klang]]s oder der [[Lokalisation (Akustik)|Richtung]] des [[Schall]]s. Eine Ausnahme ist die Auswertung der [[Tonhöhe]] selbst: hier ist die [[Frequenzauflösung]] wesentlich größer (siehe [[Universalien der Musikwahrnehmung#Tonhöhenauflösung|Tonhöhenauflösung]]).

Im Deutschen taucht häufig auch die [[Rückübersetzung]] '''kritische Frequenzbandbreite''' aus dem Englischen auf. Sie erscheint allerdings unpräzise und nicht im Sinne ursprünglicher Definitionen der Fachliteratur (siehe z. B. Zwicker 1961, JASA).

Der Frequenzbereich der für den Menschen [[Hörfläche|hörbaren Frequenzen]] kann modellhaft in etwa 24 Frequenzgruppen (engl. ''critical bands'') eingeteilt werden. Eine Frequenzgruppe umfasst hierbei
* bei [[Frequenz]]en unterhalb von 500 [[Hertz (Einheit)|Hz]] einen Frequenzbereich von etwa 100 Hz,
* bei Frequenzen oberhalb von 500 Hz etwa den Frequenzbereich einer kleinen [[Terz (Musik)|Terz]], was annähernd einem Frequenzverhältnis von <math>\tfrac{5}{6}</math> entspricht.

Diese Einteilung wird durch die [[Bark-Skala]] beschrieben, auf der eine Frequenzgruppe gerade eine Breite von 1 Bark hat. Siehe auch [[ERB-Skala]] und [[Mel-Skala]].

== Tabelle ==
{| class="wikitable"
|- class="hintergrundfarbe6"
! Nummer des Bandes in [[Bark-Skala|Bark]] || Untere [[Frequenzgrenze]] in Hz || Obere Frequenzgrenze in Hz || [[Bandbreite]] in Hz
|-
! ''1''
| 0 || 100 || 100
|-
! ''2''
| 100 || 200 || 100
|-
! ''3''
| 200 || 300 || 100
|-
! ''4''
| 300 || 400 || 100
|-
! ''5''
| 400 || 510 || 110
|-
! ''6''
| 510 || 630 || 120
|-
! ''7''
| 630 || 770 || 140
|-
! ''8''
| 770 || 920 || 150
|-
! ''9''
| 920 || 1080 || 160
|-
! ''10''
| 1080 || 1270 || 190
|-
! ''11''
| 1270 || 1480 || 210
|-
! ''12''
| 1480 || 1720 || 240
|-
! ''13''
| 1720 || 2000 || 280
|-
! ''14''
| 2000 || 2320 || 320
|-
! ''15''
| 2320 || 2700 || 380
|-
! ''16''
| 2700 || 3150 || 450
|-
! ''17''
| 3150 || 3700 || 550
|-
! ''18''
| 3700 || 4400 || 700
|-
! ''19''
| 4400 || 5300 || 900
|-
! ''20''
| 5300 || 6400 || 1100
|-
! ''21''
| 6400 ||7700 || 1300
|-
! ''22''
| 7700 || 9500 || 1800
|-
! ''23''
| 9500 || 12000 || 2500
|-
! ''24''
| 12000 || 15500 || 3500
|}

== Bildung ==
=== Im Gehirn ===
Seit den 1980er Jahren wurde zunehmend klar, dass die wahrscheinliche Ursache für die Frequenzgruppen im auditorischen [[Mittelhirn]] lokalisiert ist. Dort sind im zentralen Kern des ''[[Colliculi inferiores|Colliculus inferior]]'' die [[Neuron]]en und der Einzugsbereich ihrer [[Dendrit (Biologie)|Dendriten]] in Schichten ([[Großhirnrinde #Laminierung|Laminae]]) geordnet. Hierbei besteht in der Fläche einer Schicht eine Fein-Skalierung nach [[Akustik|akustischen]] Frequenzen, während von Schicht zu Schicht eine Grob-Skalierung im Abstand einer Frequenzgruppe vorliegt. Anatomisch und physiologisch nachgewiesen ist dies bei der [[Katze]],<ref name="PMID9237756">C. E. Schreiner, G. Langner: ''Laminar fine structure of frequency organization in auditory midbrain.'' In: ''Nature.'' Band 388, Nummer 6640, Juli 1997, {{ISSN|0028-0836}}, S. 383–386, [[doi:10.1038/41106]], PMID 9237756.</ref> der [[Mäuse|Maus]]<ref name="PMID18702690">M. Egorova, G. Ehret: ''Tonotopy and inhibition in the midbrain inferior colliculus shape spectral resolution of sounds in neural critical bands.'' In: ''The European journal of neuroscience.'' Band 28, Nummer 4, August 2008, {{ISSN|1460-9568}}, S. 675–692, [[doi:10.1111/j.1460-9568.2008.06376.x]], PMID 18702690.</ref> und der [[Ratten|Ratte]].<ref name="PMID18448653">M. S. Malmierca, M. A. Izquierdo, S. Cristaudo, O. Hernández, D. Pérez-González, E. Covey, D. L. Oliver: ''A discontinuous tonotopic organization in the inferior colliculus of the rat.'' In: ''The Journal of neuroscience: the official journal of the Society for Neuroscience.'' Band 28, Nummer 18, April 2008, {{ISSN|1529-2401}}, S. 4767–4776, [[doi:10.1523/JNEUROSCI.0238-08.2008]], PMID 18448653, {{PMC|2440588}}.</ref>

=== Historische Theorie: Im Innenohr ===
[[Datei:Akustik Basilarlen2mel2hz.jpg|mini|Zusammenhang zwischen Frequenzgruppe, Ort auf der Basilarmembran, Tonheit in mel und Frequenz]]
Das Konzept der Frequenzgruppe mit ihrer Entstehung bereits im [[Innenohr]] wurde in den 1940er Jahren von Harvey Fletcher entwickelt. Es gründete sich ausschließlich auf [[Psychoakustik|psychoakustische]] Daten; [[Anatomie|anatomische]] oder [[Physiologie|physiologische]] Daten lagen noch nicht vor. Seither wurden keine Beobachtungen gemacht, die diese Lokalisation unterstützen könnten.

Die Bildung der Frequenzgruppen basiert auf der Umsetzung von Schall in [[Nervenimpuls]]e im Innenohr. Die unterschiedlichen Frequenzen des Schalls werden von der [[Basilarmembran]] im Innenohr umgesetzt in [[Auslenkung]]s<nowiki />maxima an unterschiedlichen Positionen und erregen die hier befindlichen [[Nervenzelle]]n. Jede von ihnen ist für eine unterschiedliche [[Tonheit|Tonhöhenempfindung]] verantwortlich.

Nach der o. g. Theorie wird zur Bildung der Frequenzgruppen die Länge der Basilarmembran in 24 gleich lange Abschnitte eingeteilt, und die Nervenimpulse aus jedem dieser Abschnitte gemeinsam ausgewertet.

Die Breite der Frequenzgruppen lässt sich in Einheiten der subjektiven Tonhöhe ausdrücken:
: 1 Frequenzgruppe = 100 mel = 1,3 mm auf der Basilarmembran

== Signalverarbeitung ==
Die Bildung von Frequenzgruppen entspricht einer [[Filter (Elektronik)|Filterung]] der Schallsignale:
* bis zu einer Frequenz von 500 Hz durch 100 Hz breite Filter
* bei höheren Frequenzen haben die Filter näherungsweise die Breite einer Terz ([[Terzfilter]]).
Aus der Sicht der [[Signalverarbeitung]] folgt das Gehör mit dieser Wahl der Frequenzgruppen einem optimalen Kompromiss (Details s. u.):
* Die Frequenzgruppen sind mit mindestens 100 Hz breit genug, dass bei einer Reaktionszeit von 10 ms eine schnelle Auswertung der Schallsignale möglich ist.
* Die Frequenzgruppen sind andererseits schmal genug (maximal eine kleine Terz), dass eine leichte Analyse von Signalphasen und Hüllkurven möglich ist, um hieraus die [[Schalleinfallsrichtung]] zu bestimmen.

=== Reaktionszeit ===
Jeder Filter benötigt eine gewisse [[Einschwingzeit|Zeit zum Einschwingen]]. Diese Zeit ist umgekehrt [[proportional]] zur [[Bandbreite]] des Filters.

Die Frequenzgruppenfilter des [[Corti-Organ|Gehörs]] mit einer minimalen [[Bandbreite]] von 100 Hz benötigen somit maximal 1/100 Hz = 10 ms zum [[Einschwingen]]. Das heißt: erst 10 ms nach dem Einsetzen eines Schallsignals ist der Schalleindruck stabil, erst dann kann sich das Gehör auf die Informationen verlassen.

Eine Auswertung mit schmaleren Frequenzgruppen würde dazu führen, dass das Gehör länger warten muss, bis eine verlässliche akustische Information vorliegt.

=== Richtungsbestimmung ===
Um die [[Lokalisation (Akustik)|Richtung]] einer [[Schallquelle]] zu bestimmen, wertet das [[Auditiver Cortex|Gehör]] die [[Phase (Schwingung)|Phase]] bzw. die [[Einhüllende|Hüllkurve]] der Signale in den Frequenzgruppen aus.

Dies ist nur dann besonders einfach, wenn die Signale in den Frequenzgruppen den Charakter von [[Modulation (Technik)|modulierten]] [[Sinuston|Sinussignalen]] haben. Hierzu muss folgendes erfüllt sein:
* damit eine Auswertung der Phase nicht durch [[Oberton|Obertöne]] erschwert wird, muss eine Frequenzgruppe wesentlich schmaler sein als eine [[Oktave]], da sich eine Oktave über dem Grundton der erste (mögliche) Oberton befindet.
* die Hüllkurve darf sich, gemessen an der [[Mittenfrequenz]] der Frequenzgruppe, nur relativ langsam ändern, damit sie auswertbar ist. Dazu muss die Bandbreite der Frequenzgruppe wesentlich kleiner sein als die enthaltenen Frequenzen, d. h., sie muss wesentlich unterhalb einer halben Oktave bleiben.

Beide Randbedingungen werden erfüllt mit einer Frequenzgruppen-Breite von einer kleinen Terz (einer Vierteloktave).

== Technische Anwendung ==
[[Audiodatenkompression]]sverfahren wie [[MP3]] ahmen die Verarbeitung des menschlichen Gehörs nach. Auch hier werden die Signale in Frequenzgruppen bearbeitet und dabei Informationen entfernt, die das Gehör innerhalb der Frequenzgruppen nicht wahrnehmen kann. Dieses führt zu einer erheblichen Datenreduktion.

== Literatur ==
* Eberhard Zwicker, Hugo Fastl: ''Psychoacoustics Facts and Models''. ISBN 3-540-65063-6.
* Eberhard Zwicker: ''Subdivision of the Audible Frequency Range into Critical Bands (Frequenzgruppen)''. In: ''J. Acoust. Soc. Am.'', Band 33, Issue 2, Februar 1961, S. 248–248; [[doi:10.1121/1.1908630]].

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Hören]]
[[Kategorie:Psychoakustik]]
[[Kategorie:Überholte Theorie]]

Frequenzgruppe - Versionsgeschichte

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