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Residualton oder Residuum, von lat. residuum = Rest, ist ein von F. J. Schouten eingeführter Begriff für die der Frequenz des Grundtons entsprechenden Tonhöhenwahrnehmung (Tonhöhe), die bei Residualklängen, also solchen Klängen auftritt, deren Grundton im Schallspektrum nicht vorhanden ist.

Das menschliche Hörzentrum ist in der Lage, ein (auch nur teilweise) erklingendes Obertonspektrum mit der Tonhöhe der Grundfrequenz wahrzunehmen, auch wenn diese nicht erklingt. Diesen „hinzugefügten“ Grundton bezeichnet man auch als Residualton. So erkennt man im Kofferradio die gespielte Tonhöhe eines Kontrabasses, obwohl die Frequenz von den kleinen Lautsprechern kaum wiedergegeben werden kann. Auch beim Telefonieren entsteht dieser Effekt: Der Grundton der menschlichen Stimme wird über das Telefon nicht übertragen, der Frequenzbereich des Telefons ist zu schmal, denn die Stimmübertragung beginnt hier erst oberhalb von 300 Hz. Aber das Gehör-Gehirn-System nimmt die Sprache mit ihren Grundtönen wahr (männlicher Grundton um 110 Hz, weiblicher Grundton um 220 Hz).

Erklärung

Die Strukturen im Mittelohr mit Hammer, Amboß und Steigbügel sind Hebel, die eine Impedanztransformation vom Medium Luft auf das Wasser der Hörschnecke vollführen. Die Kraftübertragung ist somit zwingend nichtlinear. Damit entstehen Summen- und Differenzfrequenzen erster und höherer Ordnung. Es ist also zwar mit sehr verzerrungsarmen Lautsprechern oder mit Kopfhörern möglich, dem Ohr eine harmonische Schwingung ohne Grundton darzubieten, dies wird jedoch bei höheren Pegeln durch die Differenztöne unterlaufen, ab dem Mittelohr sind diese Töne also wieder vorhanden. Selbst wenn man diese Nichlinearität durch sehr geringe Pegel vernachlässigbar macht, so ist nach dem Standardmodell der Psychoakustik das Gehör zwar ein lineares System (Filterbank), das eine Spektralanalyse im Frequenzbereich durchführt. Andererseits sind die Rezeptoren in den einzelnen Kanälen jedoch deutlich nichtlineare Halbwellengleichrichter. Bei nicht zu hohen Frequenzen ergibt sich daher ein Pulsmuster in den Kanaldaten mit der Periode des Grundtones. Das Gehör ist also z. T. in der Lage, auch eine Analyse im Zeitbereich durchzuführen. Bei einem harmonischen Obertonspektrum bleibt die Periode des Zeitsignals erhalten, selbst wenn der Grundton entfernt wird.

Die Existenz des Residualtons galt vor dem Erkennen der Innenohrsensorik als Widerspruch zur Helmholtzschen Ortstheorie der Tonhöhenwahrnehmung. Andere Erklärungsvorschläge waren deshalb, dass das Residuum ein grundsätzlich anderes Wahrnehmungsattribut sei als die von einem Sinuston hervorgerufene Spektraltonhöhe. Im Gegensatz dazu sei der Residualton eine virtuelle Tonhöhe und damit ein „Empfindungsmerkmal höherer Ordnung“, das vom Gehör erst aus den Spektraltonhöhen der im Residualklang enthaltenen Tonhöhe abgeleitet werde. Voraussetzung dafür sei die Hörerfahrung, auf der die Kenntnis vom Aufbau harmonischer Klänge beruhe.

Anwendung

Orgelbau

Dieses Phänomen wird seit langem im Orgelbau eingesetzt: Bei gleichzeitigem Einsatz des 8-Fuß und des 5¹/₃-Fuß, der eine Quinte darüber liegt, hört man den 16-Fuß, also eine Oktave unter dem 8-Fuß. So lässt sich ein fehlender Grundton simulieren, in dem zwei Tonerzeuger auf der Oktave und der reinen Duodezime zu dem real nicht vorhandenen Grundton gleichzeitig erklingen. Bei der Orgel wird so z. B. ein 32'-Register gespart, in dem ein (vorzugsweise offenes) 16'-Labialregister mit einem (vorzugweise gedeckten) 10²/₃'-Labialregister kombiniert wird. Dieses Phänomen wird unrichtig Differenzton genannt.

Sonstige

Bei Sackpfeifen und Drehleiern sind die Bordune oft im Quintabstand gestimmt, wodurch durch den zusätzlich gebildeten Residualton eine zusätzliche Klangfülle entsteht. Diese Technik wird auch eingesetzt, um auf einem Lautsprechersystem Bässe zu simulieren, die es rein technisch überhaupt nicht wiedergeben könnte.

Fehlinterpretationen

Aus der Möglichkeit des Gehörs, den Grundton einer harmonischen Schwingung abzuleiten, selbst wenn dieser nur schwach oder überhaupt nicht übertragen wird, folgern manche, dass eine Übertragung tiefer Töne unnötig sei. Dies ist jedoch eine zu begrenzte Sichtweise. So ist z. B. beim Telefon die untere Frequenzgrenze bei 400 Hz, der Grundtonbereich erwachsener Sprecher also ausgeblendet. Die Tonlage der Stimme wird jedoch vom Gehör erkannt. Allerdings geht das Merkmal der Klangfarbe dabei verloren, der Klang einer Telefonstimme unterscheidet sich erheblich vom Original. Ebenso gibt es bei Schallereignissen immer auch nichtperiodische Geräuschanteile, bei denen von einem Grundton schon theoretisch gar nicht die Rede sein kann. Am Telefon ist daher die Erkennung von Umweltgeräuschen sehr schwierig. Fehlen bei Übertragung die tiefen Töne, so sind z. B. bestimmte Instrumente im Orchester oder bestimmte Orgelregister gar nicht mehr hörbar, was den Charakter von Musik und Sprache erheblich verändert. Dies wird besonders deutlich, wenn von einer linearen Widergabe bis hinab zu 20 Hz direkt auf eine Hochpass-gefilterte Wiedergabe umgeschaltet wird. Große Räume haben Moden die in diesen tiefen Bereichen liegen und die leise, von Umweltgeräuschen angeregt, stets mitklingen. Dies macht einen großen Teil des Raumempfindens aus, das wir z. B. beim Betreten einer Kathedrale haben. Das Fehlen tieffrequenter Information verfälscht also auch das Raumempfinden.

Siehe auch

• Akustische Täuschung
• Fourieranalyse
• Obertöne

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