Moderne Hörgeräte verarbeiten Schall digital – und das kostet Zeit. Meist sind es nur wenige Millisekunden. Bei offen angepassten Hörgeräten kann diese kurze Verzögerung dennoch eine Rolle spielen: Ein Teil des Schalls gelangt direkt durch das offene Ohrstück ins Ohr, während ein anderer Teil vom Hörgerät aufgenommen, verarbeitet und leicht verzögert über den Lautsprecher wiedergegeben wird. Treffen beide Signalanteile zusammen, können hörbare Klangveränderungen entstehen.

Wann fällt eine solche Verzögerung tatsächlich auf? Und welche Rolle spielt dabei die Frequenz? Das haben Forscher der Universität Oldenburg systematisch untersucht.

Das Problem mit der Verzögerung

Viele moderne Hörgeräte werden mit offenen Ohrstücken angepasst. Das Ohr wird dabei nicht vollständig verschlossen, sodass vor allem tieffrequenter Schall weiterhin auf direktem Weg in den Gehörgang gelangen kann.

Gleichzeitig nimmt das Hörgerät Schall über seine Mikrofone auf, verarbeitet ihn digital und gibt ihn über seinen Lautsprecher wieder. Diese Verarbeitung verursacht eine geringe zeitliche Verzögerung. Direktschall und verarbeitetes Signal treffen deshalb nicht exakt gleichzeitig am Trommelfell ein.

Je nach Frequenz und Verzögerungszeit können sich beide Signalanteile unterschiedlich überlagern. Dabei entstehen Veränderungen im Pegel und im Frequenzgang, die unter bestimmten Bedingungen als Verfärbung des Klangs wahrgenommen werden können.

Bei manchen Signalverarbeitungsverfahren entstehen zudem frequenzabhängige Verzögerungen. Sie können beispielsweise mit einer höheren Frequenzauflösung im Tieftonbereich verbunden sein – ähnlich der frequenzabhängigen Verarbeitung in der Cochlea.

Die entscheidende Frage lautet daher: Ab welcher Verzögerung werden solche Effekte hörbar? Und verändert sich die Wahrnehmbarkeit abhängig davon, welche Frequenzbereiche betroffen sind?

Die Studie

Kristin Ohlmann, Thomas Biberger und Birger Kollmeier von der Universität Oldenburg haben genau diese Fragen untersucht. Die Forscher arbeiten im Bereich Medizinische Physik und sind mit dem Exzellenzcluster Hearing4all verbunden.

Ihre Studie „Perception of frequency-dependent processing delays motivated by hearing devices“ erschien am 8. September 2025 im Journal of the Acoustical Society of America.

Erste vorläufige Ergebnisse zum Thema hatten Kristin Ohlmann und Birger Kollmeier bereits 2022 auf der Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Audiologie in Erfurt vorgestellt.

Die 2025 veröffentlichte Untersuchung bestand aus zwei Experimenten mit normalhörenden Erwachsenen.

Im ersten Experiment untersuchten die Forscher schmale Frequenzbänder – vereinfacht gesagt eng begrenzte Ausschnitte eines Rauschsignals. Dabei wurde jeweils ein Frequenzband verzögert. Die Versuchspersonen sollten erkennen, ob sich das Signal gegenüber einer unverzögerten Referenz verändert hatte.

Getestet wurden zwei Bedingungen: Zunächst wurde das verzögerte Frequenzband isoliert präsentiert. Anschließend kamen weitere, unverzögerte Frequenzbänder hinzu. So ließ sich untersuchen, ob zusätzliche unveränderte Signalanteile die Wahrnehmung der Verzögerung erschweren.

Im zweiten Experiment wurden mehrere Frequenzbereiche gleichzeitig mit unterschiedlichen Verzögerungen versehen. Damit wollten die Forscher herausfinden, wie sich die Wahrnehmbarkeit einzelner verzögerter Frequenzbänder zu einem Gesamteindruck zusammensetzt.

Am ersten Experiment nahmen zehn, am zweiten zwölf normalhörende Erwachsene teil.

Was dabei herauskam

Ein zentrales Ergebnis: Für die Wahrnehmung ist nicht allein entscheidend, wie viele Millisekunden ein Signal verzögert wird. Mindestens ebenso wichtig ist, welche Phasenverschiebung dadurch bei der jeweiligen Frequenz entsteht.

Das führt zu einem zunächst überraschenden Effekt: Eine größere Verzögerung muss nicht zwangsläufig auffälliger sein als eine kleinere.

Der Grund liegt in der Überlagerung von Direktschall und verzögertem Signal. Bei bestimmten Phasenlagen löschen sich beide Signalanteile teilweise aus. Dadurch entstehen deutliche Veränderungen im Pegel und im Frequenzspektrum, die gut wahrnehmbar sein können.

Bei anderen Phasenlagen überlagern sich die Signale dagegen so, dass sich das resultierende Signal nur wenig von der unverzögerten Referenz unterscheidet – selbst wenn die zeitliche Verzögerung größer ist.

Die Wahrnehmbarkeit verläuft deshalb nicht einfach kontinuierlich mit der Verzögerungszeit, sondern schwankt in Abhängigkeit von Frequenz und Phasenlage.

Auch zusätzliche unverzögerte Frequenzanteile spielten eine Rolle. Waren neben dem verzögerten Band weitere unveränderte Frequenzbereiche vorhanden, war die Verzögerung teilweise schwieriger wahrzunehmen. Die Schwelle, ab der Versuchspersonen einen Unterschied erkannten, konnte dadurch steigen.

Was passiert bei mehreren Frequenzen?

Werden mehrere Frequenzbereiche gleichzeitig verzögert, lassen sich ihre wahrnehmbaren Effekte nicht einfach linear addieren.

Die Forscher konnten jedoch zeigen, dass sich die Gesamtwahrnehmbarkeit relativ gut aus den Wahrnehmbarkeiten der einzelnen Frequenzbereiche vorhersagen lässt. Besonders gut funktionierte dabei eine mathematische Kombination auf Basis eines quadratischen Mittelwerts.

Damit lässt sich abschätzen, wie mehrere gleichzeitig auftretende frequenzabhängige Verzögerungen gemeinsam wahrgenommen werden könnten.

Kann ein Computermodell die Wahrnehmung vorhersagen?

Zusätzlich untersuchten die Autoren, ob sich die Ergebnisse mit Modellen zur automatischen Bewertung von Audioqualität vorhersagen lassen.

Besonders gut schnitt dabei das Modell GPSMq ab. Es analysiert Unterschiede zwischen einem Referenzsignal und einem veränderten Signal und versucht daraus abzuleiten, wie stark sich die Veränderung für einen Menschen bemerkbar macht.

Die Vorhersagen des Modells korrelierten in den untersuchten Bedingungen stark mit den Ergebnissen der Hörversuche.

Das ist für die Entwicklung interessant: Wenn sich die Wahrnehmbarkeit bestimmter Verzögerungen zuverlässig modellieren lässt, könnten Entwickler unterschiedliche Signalverarbeitungsverfahren bereits rechnerisch bewerten, bevor umfangreiche Hörtests durchgeführt werden.

Warum das für die Praxis zählt

Für die Entwicklung von Hörsystemen liefert die Studie wichtige Grundlagen.

Eine technisch messbare Verzögerung ist nicht automatisch gleich gut hörbar. Entscheidend ist vielmehr, welche Phasen-, Pegel- und Spektraländerungen sie zusammen mit dem Direktschall im jeweiligen Frequenzbereich verursacht.

Das könnte Entwicklern helfen, frequenzabhängige Signalverarbeitung so auszulegen, dass störende Interferenzeffekte möglichst gering bleiben. Gleichzeitig könnten Wahrnehmungsmodelle wie GPSMq künftig dazu beitragen, unterschiedliche technische Lösungen bereits während der Entwicklung zu vergleichen.

Direkte Grenzwerte für reale Hörgeräte lassen sich aus der Studie allerdings nicht ableiten.

Der Versuchsaufbau war bewusst vereinfacht: Direkter und verzögerter Signalanteil waren unter kontrollierten Laborbedingungen eng definiert, untersucht wurde nur ein begrenzter Frequenzbereich, und die Teilnehmer der Experimente waren normalhörend. Bei Menschen mit Hörverlust können sich die Wahrnehmungsschwellen anders verhalten.

Die Ergebnisse liefern deshalb vor allem ein besseres grundlegendes Verständnis dafür, wann und warum Verzögerungen in offenen Hörsystemen wahrnehmbar werden.

Forschung aus Oldenburg

Die Arbeit wurde unter anderem im Rahmen des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Sonderforschungsbereichs SFB 1330 „HAPPAA – Hearing Acoustics: Perceptual Principles, Algorithms and Applications“ durchgeführt. Auch der Exzellenzcluster Hearing4all war an der Förderung beteiligt.

Die Oldenburger Forscher beschäftigen sich damit, die menschliche Hörwahrnehmung besser zu verstehen und daraus Verfahren für zukünftige Hörsysteme und audiologische Anwendungen abzuleiten.