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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines melodiösen Klangereignisses mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1. Sie betrifft darüber hinaus eine Applikationssoftware zum Ertüchtigen eines mit einer Hardware für die Tonerzeugung ausgerüsteten, softwaregesteuerten Anwendungsgerätes zum Erzeugen eines melodiösen Klangereignisses nach dem Verfahren und betrifft schließlich ein Anwendungsgerät, mit dem entsprechend ein melodiöses Klangereignis generiert werden kann.
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Es ist einerseits allgemein bekannt, melodiöse Klangereignisse mittels synthetisch erzeugter Töne zu generieren. Dabei werden, um die so erzeugten Töne realistisch und im Klang angenähert an mit realen Instrumenten erzeugte Klänge und Töne erscheinen und klingen zu lassen, diese Töne nicht nur mit der Frequenz eines Grundtons, sondern in der Regel auch mit den höheren Frequenzen der Obertöne erzeugt. Obertöne sind dabei diejenigen Töne, die mit Frequenzen schwingen, die einem ganzzahligen Vielfachen der Frequenz des Grundtons entsprechen. Schwingt beispielsweise ein Grundton mit einer Frequenz von 440 Hz, so liegt die Obertonfrequenz des ersten Obertons bei 880 Hz, die des Obertons zweiter Ordnung bei 1320 Hz und so weiter.
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Die genaue Zusammensetzung der einzelnen Töne aus Grundton und Obertönen bestimmt dabei die Klangfarbe bzw. Klangcharakteristik des Tons. So werden in bestimmten Instrumenten bedingt durch deren Bauweise bei Anregung eines Grundtons häufig nur bestimmte Obertöne mit angeregt, beispielsweise nur diejenigen mit ungerader Ordnungszahl, d.h. mit dem 3-fachen, dem 5-fachen, dem 7-fachen und so weiter der Grundtonfrequenz schwingenden Obertöne. Beispielsweise eine Klarinette erzeugt Töne einer solchen Klangcharakteristik. Andere Instrumente wiederum haben andere, für den Klang des Instrumentes typische Obertoncharakteristiken.
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Diese Charakteristiken werden in synthetisch erzeugten Klangereignissen nachgebildet, um für das Ohr des Zuhörers harmonisch klingende und an ihm bekannte Instrumentierungen erinnernde Klangereignisse zu formen.
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Es ist weiterhin bekannt, dass Menschen, die an einem Tinnitus leiden, die also aufgrund einer krankhaften Veränderung des Gehörs einen dauerhaften Störton bzw. ein Störgeräusch mit einer bestimmten Frequenz bzw. in einem bestimmten Frequenzbereich wahrnehmen, das Hören bestimmter Klangereignisse, zum Beispiel von bestimmter Musik, eine Linderung des Tinnitus erbringen kann. So schlägt beispielsweise die
DE 4427216 A1 vor, einem Tinnitus-Patienten ein akustisches Verdichtungssignal zu präsentieren, welches Spektralanteile des Tinnitus-Signals aufweist und durch welches natürliche, zeitlich veränderliche Klangbilder gebildet ist. Die
WO 91/17638 A1 schlägt ein Tinnitus-Maskiergerät mit einem oder mehreren Signalgeneratoren vor, von denen wenigstens einer ein sich kontinuierlich wiederholendes, den Frequenzbereich langsam überstreichendes sinusförmiges reines Tonsignal erzeugt. In der
EP 1205904 A2 wird vorgeschlagen, synthetisch generierte Musik für die Linderung eines Tinnitus zur Anwendung zu bringen. Dabei wird auf eine pseudo-randomisierte Anzahl von Tonabfolgen abgestellt, die von einer pseudo-randomisierten Anzahl von Tongeneratoren erzeugt wird. Hier soll die so erhaltene Musik in hohem Maße entspannend wirkende und angenehm zu hörende Klangereignisse ergeben, die entsprechend auch bei einer Tinnituserkrankung Linderung verschaffen.
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Ein von der Firma Sonormed GmbH aus Hamburg unter der Bezeichnung Tinnitracks® angebotenes Verfahren für die Linderung von Tinnitus (vergleiche www.tinnitracks.com) arbeitet mit realen Musikstücken, in denen mithilfe von Kerbfiltern aus dem Tonspektrum der Musik diejenigen Frequenzen bzw. Frequenzbereiche herausgefiltert sind, die mit der Frequenz des Tinnitus des Patienten übereinstimmen. Der Patient gibt dabei die Frequenzlage seines Tinnitus und eine bevorzugte Musik an und erhält von dem Unternehmen entsprechend überarbeitete Musikstücke, die der bevorzugten Musik angehören und ausreichend Frequenzereignisse in dem Bereich des Tinnitus aufweisen und bei denen dieser Frequenzbereich entsprechend herausgefiltert ist. Der gedankliche Ansatz, der hier verfolgt wird, ist derjenige, dass beim Hören der Musik die fehlenden Frequenzen dann gleichermaßen durch den Tinnitus ergänzt werden, dass dadurch dann das Gehirn des Patienten den an sich als störend empfundenen Tinnitus als „normal“ empfindet und in das Klangereignis gleichermaßen einbaut. Dabei hat sich gezeigt, dass auch nach dem Hören des so präparierten Musikstücks das Gehirn jedenfalls über einen gewissen Zeitraum weiterhin den Tinnitus ausblendet, so dass es zu einer andauernden Linderung des Tinnitus kommt.
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Das Problem mit dem vorstehend beschriebenen Verfahren Tinnitracks® ist nun allerdings, dass der Tinnitus-Patient ein festes und um vorgegebene Frequenzen durch Herausfiltern „bereinigtes“ Musikstück erhält, welches er zu Linderung seines Tinnitus wiederholt hören muss, da er nach dem Hören dieses Musikstückes andauernde Entlastungseffekt zeitlich begrenzt ist, das Gehirn nach Ablauf einiger Zeit den Tinnitus nicht mehr ausblendet. Das wiederholte Anhören immer wieder desselben Musikstücks wird aber häufig als ermüdend empfunden, viele Anwender verlangen nach Abwechslung. Darüber hinaus ist nicht bei jedem Patienten der Tinnitus dauerhaft auf einer bestimmten Frequenzlage festgelegt, sondern verändert sich die Frequenz des Tinnitus mit der Zeit. Eine solche Frequenzverschiebung ist aber in dem fest vorgegebenen und um feste Frequenzen durch Herausfiltern derselben bereinigten Musikstück nicht abzubilden, so dass einer Frequenzänderung des Tinnitus, die diesen außerhalb der Bereiche fallen lässt, deren Frequenzen aus dem Musikstück herausgefiltert sind, die Linderung ausbleibt. Zudem ist die Linderungswirkung auch dann beschränkt, wenn - was häufig so anzutreffen ist - das für Erstellung des manipulierten Tonstücks ausgewählte Musikstück an sich nicht ausreichend Tonereignisse in dem relevanten Bereich der Tinnitus-Frequenz aufweist, die dann herausgefiltert werden können.
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In der
EP 1 885 156 A2 ist eine Hörhilfe mit einem Audiosignalerzeuger beschrieben. Dort soll anstelle von Nutzern der Hörhilfe häufig als unangenehm empfundener einfacher Quittungstöne ein angenehmer klingendes Tonspektrum als Signalton verwendet werden. Dieses wird von einer Audiosignaleinheit im Zusammenspiel mit einem Schallerzeuger generiert, wobei die Audiosignaleinheit hierfür einen Grundton bestimmt und rechnerisch Obertöne hierzu ermitteln und mit ausgibt.
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In der Veröffentlichung Digitale Hörgeräte - Was steckt dahinter? Von A. Schaub, Median Verlag Heidelberg 2005, ISBN 3-922766-86-2 sind auf den Seiten 22 und 23 Spektren von Musikstücken und orchestralen Klangereignissen abgebildet.
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Die
US 2013/0163797 A1 beschreibt ein Vorgehen, bei dem in Echtzeit für eine Tinnitusmaskierung relevante Parameter, wie insbesondere Mittenfrequenz, Bandbreite, Lautstärke, Hörschwelle und Ton-zu-Rausch-Verhältnis eines Tinnituspatienten ermittelt und die entsprechenden Parameter in einer für die Maskierung erzeugten Klangfolge angepasst werden.
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Die Erfinder haben sich nun zum Ziel gesetzt, hier eine Verbesserung zu schaffen und insbesondere ein Verfahren anzugeben, mit dem ein melodiöses Klangereignis erzeugt werden kann, welches ein angenehmes Hörempfinden vermittelt und von Tinnitus-Patienten genutzt werden kann, um durch Anhören dieses Klangereignisses den Tinnitus zu lindern.
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Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren, welches die Merkmale des Patentanspruchs 1 aufweist. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 8 angegeben. Im Anspruch 9 ist eine Applikationssoftware bezeichnet, mit der das Verfahren softwaremäßig umgesetzt ist. Anspruch 10 bestimmt schließlich ein softwaregesteuertes Anwendungsgerät, welches zu einer nach dem Verfahren ablaufenden Erzeugung eines melodiösen Klangereignisses geeignet und eingerichtet ist.
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Erfindungsgemäß wird bei einem Verfahren zum Erzeugen eines melodiösen Klangereignisses mittels durch wenigstens einen Tongenerator künstlich erzeugter Töne der wenigstens eine Tongenerator zum Erzeugen von in einer vorgebbaren zeitlichen Abfolge und mit vorgebbaren Frequenzlagen klingenden Tönen angeregt. Diese Töne setzen sich jeweils aus einem in einer Grundfrequenz klingenden Grundton und wenigstens einem in einer ein ganzzahliges Vielfaches der Frequenz des Grundtons liegenden Obertonfrequenz klingenden Oberton zusammen. Das Besondere an dem Verfahren besteht nun darin, dass für wenigstens einen Teil der erzeugten Töne die Frequenz eines zugehörigen Grundtons aus einer vorgegebenen Obertonfrequenz eines Obertons beliebiger Ordnung durch Dividieren der Obertonfrequenz durch eine die Ordnung des Obertons angebende ganze Zahl bestimmt wird.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Erzeugen eines melodiösen Klangereignisses wird mithin jedenfalls ein Teil der erzeugten Töne ausgehend von einer vorgegebenen Obertonfrequenz generiert. Somit wird sichergestellt, dass das so erzeugte Klangereignis in seinem Frequenzspektrum auch Obertöne vorgegebener Frequenz und daraus abgeleitete Grundtöne enthält.
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Das auf diese Art und Weise erzeugte melodiöse Klangereignis kann allgemein von Hörern genossen werden, es kann aber insbesondere auch genutzt werden, um spezifisch Tinnitus-Patienten eine Linderung zu verschaffen. Dann nämlich, wenn die vorgegebene Obertonfrequenz anhand einer Frequenz des Tinnitus, bzw. in einem um die Frequenz des Tinnitus liegenden Frequenzband mit benachbarten Frequenzen bestimmt wird, ist auf diese Weise sichergestellt, dass das derart erzeugte Klangereignis diese entsprechende Frequenz bzw. Frequenzen aus einer engen Frequenzumgebung zu dieser enthält. Nun kann einerseits mit dem so erzeugten Klangereignis und einem gezielten Anregen der Frequenz des Tinnitus bzw. einer Frequenz im benachbarten Frequenzspektrum, wobei hier zudem auch eine Amplitude bei der Frequenz im Lautstärkenspektrum des Klangereignisses vorgegeben werden kann, ein Einfluss auf den Tinnitus genommen werden. Es kann aber auch, analog zu Überlegungen, die dem Tinnitracks®-Verfahren zu Grunde liegen, bewusst die Frequenz des Tinnitus, also insbesondere die Obertonfrequenz, die ursprünglich vorgegeben worden ist, bzw. ein um diese Frequenz herum liegendes Frequenzband ausgelassen, z.B. in dem Algorithmus der Klangsynthese bewusst nicht erzeugt oder aber nach dem Erzeugen wiederum herausgefiltert werden, um das melodiöse Klangereignis um diese Frequenzlage zu bereinigen. Es kann anstelle eines vollständigen Auslassens von Tönen bei der Frequenz des Tinnitus und/oder aus einem Frequenzbereich um diesen herum grundsätzlich auch nur eine signifikante Abschwächung der Amplitude der jeweiligen Töne erfolgen. Geschieht eine solche Auslassung oder Abschwächung der Töne bei und/oder nahe der Tinnitusfrequenz und wird das so erzeugte Klangereignis einer Person mit Tinnitus präsentiert, so kann auch dies zu einer Linderung des Tinnitus beitragen. Dabei kann insbesondere auch eine gezielte Vorgabe erfolgen, über welche Bandbreite um die Frequenzlage des Tinnitus herum entsprechende Klänge ausgelassen werden. Diese Bandbreite kann insbesondere wählbar einstellbar sein, so dass ein Nutzer des Verfahrens durch Vorgabe dieses Wertes die Wirkung des nach dem Verfahren hergestellten Klangereignisses auf eine Linderung seines Tinnitus beeinflussen und optimieren kann.
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Alternativ können mit diesem Verfahren auch ganz gezielt und bewusst solche Frequenzen in das Klangereignis eingebunden werden, die in Seitenbändern um die Tinnitusfrequenz herum liegen und diese Frequenzen mit besonders großer Amplitude schwingen zu lassen. Denn auch mit solchen „Irritationen“ im Bereich der um die Tinnitusfrequenz herum liegender Seitenbänder können Linderungswirkungen bei dem Tinnituspatienten gesehen werden, der das entsprechende Klangereignis hört.
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Insbesondere im Hinblick auf die Anwendung zur Linderung der Beschwerden bei Tinnitus ist das erfindungsgemäße Verfahren insoweit von Vorteil, als dass es abwechslungsreich erzeugte und unterschiedliche Klangereignisse melodiöser Natur ergibt, so dass der Anwender nicht gezwungen ist, stets dasselbe Musikstück zu hören, um sich Linderung zu verschaffen. Insbesondere werden nach dem erfindungsgemäßen Verfahren die Tonabfolgen pseudo-randomisiert erzeugt, was zu einem entspannenden Hörerlebnis führt. Die Entspannungswirkung kann eine Linderung eines Tinnitus zusätzlich befördern und unterstützen.
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Darüber hinaus kann, insbesondere wenn man im Rahmen des Verfahrens die Möglichkeit vorsieht, auf die Frequenzlage der vorgegebenen Obertonfrequenz Einfluss zu nehmen, diese wählbar vorzugeben, auf Frequenzlagenveränderungen des Tinnitus reagiert werden, so dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren dann eine entsprechend angepasste Tonfolge, ein angepasstes melodiöses Klangereignis erzeugt wird, was auch bei einer Veränderung der Frequenzlage des Tinnitus eine entsprechende Linderungswirkung erbringt. Wenn zudem auch die Breite eines Frequenzbereichs, der aus dem Klangereignis ausgenommen wird, wählbar vorgebbar ist, kann auch dieses eine verbesserte Anpassung auf den aktuell sich darbietenden Tinnitus und dessen Frequenzlage bzw. Frequenzbereich erbringen.
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Mit Vorteil ist jedenfalls ein Teil der erzeugten Töne zusammengesetzt aus einem Grundton und mehreren Obertönen, die in verschiedenen, als ganzzahlige Vielfache des Grundtons gebildeten Obertonfrequenzen schwingen. Dieser Aufbau des melodiösen Klangereignisses führt zu an mit natürlichen Instrumenten gespielte Musik angenäherten Klangereignissen, so dass diese als angenehm empfunden werden. Insbesondere können dabei auch diejenigen Grundtöne, die aus der vorgegebenen Obertonfrequenz bestimmt worden sind, mit entsprechenden Obertönen zusammen als Tonereignis integriert werden.
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Das eigentliche Erzeugen des Klangereignisses wird dabei auf an sich bekannte Art und Weise unternommen, insbesondere mit digitalen Synthesizern.
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Insbesondere kann mit Vorteil das Verfahren ein stereotonales Verfahren sein, bei dem auf zwei Kanälen aufgeteilt das melodiöse Klangereignis erzeugt wird wobei in den beiden Kanälen voneinander abweichende Tonfolgen generiert werden. Nicht allein, dass durch diese Möglichkeit eine akustische Räumlichkeit generiert werden kann, es kann dabei auch individuell auf einen einseitigen oder auch beidseitigen Tinnitus abgestellt werden, wobei hier eine individuelle für den jeweiligen Kanal wählbare Obertonfrequenz, von der ausgehend in der erfindungsgemäßen Weise Grundtöne generiert und in die Klangfolge integriert werden, vorgegeben werden kann.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere in einer ebenfalls erfindungsgemäßen Applikationssoftware codiert, die auf entsprechend mit geeigneter Hardware, insbesondere einem für die Klangerzeugung geeigneten Prozessor sowie einer weiteren Klangübermittlungshardware, insbesondere einem Audioausgang, zum Beispiel zum Anschließen von Kopfhörern, versehenen Anwendungsgeräten, wie zum Beispiel Smartphones, Tablet PCs und dergleichen, installiert werden und so diese Geräte für die Durchführung des Verfahrens herrichten kann. Auch ein entsprechend eingerichtetes Anwendungsgerät an sich ist Gegenstand der Erfindung.
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Nachfolgend wird beispielhaft eine mögliche Umsetzung der Erfindung in einem möglichen Ausführungsbeispiel beschrieben:
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Die Erfinder haben für die Umsetzung des Verfahrens eine mögliche Lösung in Form einer Software geschaffen und programmiert, bei der ein Musikgenerator eine Spektralanalyse von 2048 Frequenzbändern eines jeden der Stereokanäle in Echtzeit liefert. Dies wird dadurch umgesetzt, dass ein so genannter „Phase Vocoder“ Algorithmus zum Einsatz kommt. In diesem wird mittels einer Fast Fourier Transformation die Energie von 1024 gleichverteilten Frequenzbändern berechnet, deren aktuelle Frequenzen dann anhand der Differenz hinsichtlich eines Phasenversatzes einer jeden Komponente berechnet wird (aufgrund der Symmetrieeigenschaften der Fourier-Transformation genügt hier diese Anzahl zur Analyse der 2048 Frequenzbänder). Daraus ergeben sich dann 1024 Datensätze aus Frequenz und Amplitude Paaren, die ein Eingangsspektrum bilden. Wird ein Synthesizer verwendet, wird dieses Eingangsspektrum direkt unter Verwendung des oben bezeichneten Algorithmus berechnet.
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In der erfindungsgemäßen Software nach dem Ausführungsbeispiel wird dieses Spektrum noch einmal modifiziert. Insbesondere wird hierbei ein Kerbfilter verwirklicht, indem einfach die Amplitude bei der oder um die vorgegebene Obertonfrequenz, aus der ein in dem Klangspektrum enthaltener Grundton abgeleitet ist, reduziert oder bis auf null zurückgesetzt wird. Auch kann eine Tonhöhenveränderung (pitch shift) einzelner Töne durch einfaches Multiplizieren des zugehörigen Frequenzanteils der spektralen Komponente mit einem vorgegebenen Wert erreicht werden, ohne dass es hierbei zu einem Tempowechsel kommt. Durch eine solche Anpassung kann die Tonlage des erzeugten melodiösen Klangereignisses mit einem größeren Anteil an Ereignissen im Bereich des Tinnitus gelegt werden.
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Schließlich werden in der beschriebenen Ausgestaltung mit einem Satz von 4096 Sinuswellenoszillatoren (in diesem Fall vektoroptimierten Taylorreihen Algorithmen) die modifizierten Spektren re-synthetisiert zu zeitlinearen Abfolgen. Dabei wird jeder der Oszillatoren mit dem Amplituden/Frequenz-Paar der zugehörigen Spektralkomponente gespeist, und der jeweilige Oszillator interpoliert beides, sowohl Frequenz als auch Amplitude, während eines jeden Zeitfensters. Dies sind derzeit 64 solche Abfolgen bei einer Folgenrate von 48 kHz.
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Alternativ kann eine Resynthese auch mit anderen Mitteln erfolgen. So kann z.B. ein sog. inverser Phase Vocoder verwendet werden. Dieser ist insbesondere in aktuellen Modellen von Smartphones zu bevorzugen, da deren Prozessorleistung und Rechenkapazität häufig für die rechenaufwändige Resynthese mit Taylorreihen Algorithmen zu gering ist.
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Alternativ wird, wenn die Rechenleistung der Hardware, auf der das Verfahren softwaretechnisch umgesetzt abläuft, ausreichend groß ist (aktuell z.B. auf Desktop-Computern oder Laptops) auch ein sog. OpenCL-Algorithmus einzusetzen sein. Dieser hat den Vorteil, dass er eine große Zahl von Prozessen parallel ausführen kann. Es können hier also die einzelnen Oszillatoren parallel zueinander berechnet werden (z.B. in einer erforderlichen Anzahl von 2048 solcher Oszillatoren). Eine solche Vorgehensweise, die eine bewusste Programmierung für eine möglichst geringe Zahl von Speicherzugriffen verlangt, hat den Vorteil, dass auf Fast-Fourier-Transformationen verzichtet werden kann, was eine erhöhte Freiheit in der Vorgabe von Frequenzen und Frequenzbändern für die Generierung der Töne ausgehend von Obertonfrequenzen erlaubt. OpenCL-Algorithmen werden derzeit häufig für Anwendungen der graphischen Darstellung genutzt und laufen auf Prozessoren von Graphikkarten. Bisher nicht genutzt und nun erstmalig eingesetzt ist deren Anwendung auf einer CPU für nicht Graphik korrelierte Rechenprozesse.
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Mit einem solchen Tonerzeugungsmechanismus werden dann Klangfolgen generiert, die zu Obertönen vorgegebener Frequenz berechnete Grundtöne enthalten. In der Lösung der Erfinder ist dabei diese Obertonfrequenz wählbar vorgebbar, so dass diese insbesondere an die Frequenzlage eines Tinnitus angepasst werden kann.