Wie können wir so viele verschiedene Töne gleichzeitig unterscheiden, wenn wir nur eine Frequenz gleichzeitig hören können?

Aber das bedeutet immer noch, dass sich das Ohr zu einem bestimmten Zeitpunkt nur mit einer Frequenz bewegt

Nein, das bedeutet es überhaupt nicht.

Dies bedeutet, dass sich das Trommelfell mit einer Wellenform bewegt, die eine Überlagerung aller Frequenzen in der Schallwelle ist, die es empfängt.

Dann nehmen Haarzellen im Innenohr die verschiedenen Frequenzen separat wahr. Es können durchaus mehrere Haarzellen gleichzeitig stimuliert werden, so dass Sie mehrere Frequenzen gleichzeitig hören.

Das menschliche Ohr trennt und erkennt alle Frequenzen innerhalb seines Bereichs einzeln (parallel) in Echtzeit und sendet diese Zerlegung über ein Nervenbündel an das Gehirn.

Das Trommelfell reagiert auf die augenblickliche Summe aller unterschiedlichen Frequenzen, die darauf einwirken. Diese komplexe Amplitudensumme sieht aus wie ein verrückter Schnörkel, der das Trommelfell hin und her bewegt, wobei diese Bewegungen akustisch an die Cochlea übertragen werden , die dann die Aufgabe der Frequenzzerlegung übernimmt.

Dies ist völlig analog zu der Idee, dass ein Lautsprecherkegel gleichzeitig auf eine komplizierte Mischung aus vielen verschiedenen Frequenzen reagieren und sie alle in Schallwellen umwandeln kann.

Also zu viel Frequenz und du verlierst die Fähigkeit, sie zu entziffern und es fängt an, einfach wie Nosie zu klingen?

Wenn das passiert, liegt es daran, wie Ihr Gehirn die Signale interpretiert, die es von Ihren Ohren empfängt, und nicht an der Physik, wie Ihre Ohren funktionieren. Wenn der Gesamtschalldruckpegel nicht so groß ist, dass er Ihr Gehör schädigt, werden Ihre Ohren alle Frequenzkomponenten zuverlässig an Ihr Gehirn melden, aber es scheint Grenzen zu geben, wie viele verschiedene „Signale“ Ihr Gehirn ableiten kann gleichzeitig aus diesen Informationen.

Wie Sie bereits erwähnt haben, werden alle verschiedenen Wellen zu einer Fourier-Reihe addiert.

Die Haarzellen im Innenohr führen im Wesentlichen eine Fourier-Analyse dieser kombinierten Welle durch und teilen sie wieder in ihre Teilfrequenzen auf. Die Amplituden jeder Frequenz werden dann an das Gehirn gesendet, das eine Analyse auf höherer Ebene durchführt, um bestimmte Arten von Geräuschen zu erkennen (und auch die Richtung der Schallquellen bestimmt, indem es das Timing von jedem Ohr vergleicht).

Das menschliche Ohr hört nicht jeweils eine Frequenz.

Eine Möglichkeit, physisch zu sehen, was das Ohr erfährt, besteht darin, ein Wasserbecken zu nehmen. Jetzt machen Sie einige Wellen. Herumspritzen. Sehen Sie, wie die gesamte Wanne überall voller Auf- und Abbewegungen wird?

In der Luft passieren ähnliche Dinge; aber anstelle von "auf und ab" entsprechen diese Wellen Druckänderungen. (Luft ist viel komprimierbarer als Wasser; Wasser dehnt sich unter einer Druckwelle um ein ganzes Bündel nach oben aus, während Luft meistens nur komprimiert wird).

Stecken Sie jetzt ein kleines Spielzeug ins Wasser, während Sie herumplanschen. Sehen Sie, wie es auf und ab schwebt?

Bauen Sie zwei Mesh-Röhren. Platzieren Sie in diesen Maschenrohren einen Schwimmer. Lassen Sie sie frei mit den Wellen auf und ab schweben. Jetzt spritz herum. Die Bewegung dieser Schwimmer in den Röhren ist im Grunde das, was unsere Ohren wahrnehmen.

Mit diesem einfachen Signal können unsere Ohren und unser Gehirn feststellen, dass es 3 Wellen in der Badewanne gibt, und die Richtung, Größe und Eigenschaften von jeder, obwohl die Badewanne wie verrückt herumschwappt.

Machen Sie dazu zunächst die "Maschenröhre" gerichtet: Sie hat jetzt die Form eines Rechtecks ​​und nur eine kurze Seite ist offen, um Wellen hereinzulassen. Fügen Sie am Eingang einen Trichter hinzu, um Wellen hineinzuleiten.

Als nächstes haben Sie anstelle eines Schwimmers eine ganze Reihe winziger Schwimmer entlang des ovalen Gehörgangs. Jetzt gehen Wellen hinein, gehen das Rechteck hinunter, prallen am Ende ab und kommen dann zurück. Jeder der Schwimmer nimmt unabhängig die Aufwärts- und Abwärtsbewegung der Wellen auf.

Hängen Sie diese Schwimmer an ein Nervensystem, das die Signale von beiden Rechteckrohren filtert und kombiniert. Befestigen Sie das dann an einem Gehirn, das ein 3D-Modell davon erstellt, woher die Wellen kommen und welche Art von Bewegung jede Art von Welle hat.

Nun bewirkt ein Signal einer festen "reinen" Frequenz in der Badewanne, dass ein bestimmtes Signal von den Ohren aufgenommen wird. Aber auch komplexere Signale werden von diesem System verarbeitet.

Die Frequenzzerlegung ist etwas, was wir mathematisch machen, zum Teil, weil es einige der Dinge modelliert, die unsere Ohren tun. Signale einer bestimmten Frequenz (Änderungsrate der Druckwelle) regen bestimmte „Schwimmer“ (eigentlich Haare) in unserem Gehörgang an, und die Mathematik, die wir anstellen, um eine Reihe von Druckänderungen (Schall) in reine Frequenzen umzuwandeln, ist [ b]ähnlich[/b] Teil des Systems, wie unsere Gehörgangshaare die Druckänderungen in Signale umwandeln.

Unsere Ohren sind so entwickelt, dass sie solche Frequenzen aufnehmen, weil reine Frequenzen der wiederholten Schwingung eines Objekts entsprechen. Und wiederholte Vibration ist etwas, was viele evolutionär interessante Dinge tun; Wenn etwas, das teilweise unterstützt wird, einen Aufprall erleidet, vibriert es ein wenig. Das Knacken eines Zweiges, das Klappern eines Felsens, das Grollen einer Lunge, das Rascheln eines Blattes oder das Stampfen eines Schrittes ist sehr nützlich, um andere Kreaturen zu erkennen, die wir vielleicht essen möchten oder die uns essen möchten.

Während wir also reine Frequenzen hören , verstärken wir tatsächlich ihre Bedeutung aus dem Durcheinander von Druckänderungen, die unsere Ohren wahrnehmen. Die anderen Druckänderungen passieren immer noch, werden immer noch erkannt und gehen immer noch in unser Gehirn.

Die Kurzfassung: So funktioniert das Ohr nicht.

Das Trommelfell schwingt in Sympathie mit allen Vibrationen in der Luft innerhalb seiner physikalischen Beschränkungen mit.

Es überträgt diese Vibrationen durch drei kleine Knochen (aufgrund ihrer Form „Hammer, Amboss und Steigbügel“ genannt) in eine mit Flüssigkeit gefüllte, spiralförmige Kammer namens Cochlea.

Die Cochlea ist mit Zellen ausgekleidet, aus denen sehr kleine Härchen, sogenannte „Zilien“, in diese Kammer ragen. Wenn die Flüssigkeit mitschwingt, tun dies auch die Haare. Da die Haare unterschiedlich lang sind, schwingt jedes nur in einem bestimmten engen Frequenzbereich mit.

Wenn es schwingt, sendet es über die Nervenfaser, mit der es verbunden ist, ein Signal an das Gehirn. Das Gehirn erhält also separate Signale, die zusammengenommen die Intensität jeder einzelnen Frequenzkomponente darstellen.

Siehe https://en.wikipedia.org/wiki/Stereocilia_(inner_ear) für eine detailliertere Erklärung der auditiven Mechanosensorik innerhalb der Cochlea.

Kommt darauf an, was man unter "auf einmal" versteht. Wenn Sie einen genauen Zeitpunkt meinen, können keine Frequenzen erkannt werden, da Frequenzen dadurch unterschieden werden, wie sie sich im Laufe der Zeit ändern. Untersuchungen haben jedoch gezeigt, dass Zeiten unter etwa 100 ms vom menschlichen Gehirn als „gleichzeitig“ wahrgenommen werden. Für ein 20-kHz-Signal bedeutet dies, dass es tausend Zyklen pro "Moment" gibt. Am unteren Ende des menschlichen Gehörs von 20 Hz gibt es nur zwei Zyklen pro "Moment", und an diesem Punkt beginnen wir, Vibrationen als Schläge und nicht als Töne wahrzunehmen.

Ein Kommentar deutet darauf hin, dass Ihnen das Konzept der Fourier-Zerlegung nicht ganz klar ist. Die Idee der Fourier-Zerlegung ist, dass jede Frequenz ein unabhängiges Signal ist und vollständig getrennt von den anderen erfasst werden kann. Jede Flimmerhärchen in unseren Ohren schwingt mit einer bestimmten Frequenz mit. Das bedeutet, dass im Laufe vieler Perioden die davon abweichenden Frequenzen gedämpft werden und nur die Zielfrequenz übrig bleibt.

Betrachten Sie eine Schaukel. Wenn der Schwung eine Dauer von zwei Sekunden hat, wird er durch Drücken alle zwei Sekunden höher. Wenn Sie ihn jede Sekunde drücken, wird dies aufgehoben: Ein Stoß erfolgt, wenn der Schwung in die gleiche Richtung wie der Stoß geht, und beschleunigt den Schwung, aber der andere erfolgt, wenn der Schwung in die andere Richtung geht. Wenn Sie jede halbe Sekunde drücken, werden zwei der Stöße in die gleiche Richtung gehen und zwei werden entgegengesetzt sein. Jede Frequenz, die schneller als alle zwei Sekunden ist, hebt sich auf. Und sie werden alle separat storniert. Wenn Sie hundert Leute haben, die alle schneller als einmal alle zwei Sekunden auf einer anderen Frequenz drücken, heben sie sich alle auf. Die Stöße werden nicht „so kompliziert“ sein, dass sie sich nicht mehr aufheben.