De Wet van Weber en Fechner: "S = K Log I" Volgens de experimentele psychologen Ernst Heinrich Weber (1795-1878) en Gustav Theodor Fechner (18011887) bestaat er een logaritmisch verband tussen een prikkel (zoals geluid) met een bepaalde intensiteit I en onze perceptie van deze prikkel (S). Wanneer een prikkel dus volgens een meetkundige reeks verandert (en dus toeneemt door vermenigvuldiging met een factor K), verandert ook de perceptie ervan volgens een rekenkundige reeks (neemt toe door het bijtellen van een term). Vergelijk de schaal voor intensiteit van geluid in W/m2 en de schaal in decibel: als de wet van Weber en Fechner correct is, dan past de decibelschaal het best bij de mate waarin wij mensen verschillen in geluidssterkte ervaren. In de praktijk blijkt de wet enkel te voldoen voor harde geluiden. Hoe we geluidssterkte ervaren, wordt veel beter weergegeven in een isofoon (zie figuur). Ook voor toonhoogte is de wet enkel een benadering van de werkelijkheid. Voor tempo in de muziek geldt het verband tussen prikkel en perceptie dan weer wel: het verschil tussen 60 en 61 tellen per minuut is naar ons gevoel veel groter dan dat tussen 200 en 201 tellen per minuut. 130 120 110 100
100 90
80
80 70
60
60 50
40
40 30
20
20 10 0 -10 10
100
1000
10k
100k
Een isofoon is een curve die in het gehele frequentiespectrum aanduidt welke geluiden (in dB) een mensenoor als even luid ervaart (uitgedrukt in phon). De figuur geeft twee types weer: de originele Fletcher-Munsoncurves (blauw) en een meer recente vorm (rood), opgenomen in de internationale ISO 226:2003-standaard.
Hoe vangen andere zeedieren golven op? Cephalopoden (octopussen en inktvissen) hebben een systeem ontwikkeld dat verbazend goed gelijkt op de laterale lijn bij vissen. Bij schaaldieren zoals krabben en kreeften (orde van de decapoden) bevinden de mechanoreceptorische cellen zich veeleer op de antennes. Verschillende garnalensoorten van de families Sergestidae en Penaeidae houden hun, op die manier uitgeruste antennes evenwijdig met hun achterlijf. Zo hebben ze ook een goed overzicht van de golfslag in het water rondom hen. Ook zoogdieren die in het water leven, vertonen aanpassingen die lijken op wat we bij de vissen aantreffen. Zeekoeien (lamantijnen, genus Trichechus) beschikken bijvoorbeeld over mechanosensitieve haren, ingeplant over de hele lengte van hun lichaam. En desmanen (watermollen, een onderfamilie uit de mollenfamilie Talpidae) dragen fijne haartjes in de neusholte, die lijken op de neuromasten van vissen.
De stapediusspier beschermt onze oren tegen knallen Een bijkomend belangrijk onderdeel van het menselijke middenoor is de stapedius-spier. Deze kleine spier ligt tussen de achterwand van het middenoor en de stijgbeugel. Wanneer de spier samentrekt, komt de stijgbeugel los van het ovale venster. Op die manier werkt ze als een veiligheid tegen overbelasting van het binnenoor: bij lawaai doet ze de hefboom hamer-aambeeld verstijven, waardoor de hele transducerfunctie minder sterk wordt. Reeds vanaf 40 deceibel komt deze spier in actie, en vanaf 70 decibel werkt ze als een reflex (zij het met een vertraging van 40-160 milliseconden). Militair geschut laat daarom 160 milliseconden voor het eigenlijke (zeer luide) kanonschot een klik afgaan om deze spier in werking te stellen en de oren van de mensen aan het kanon enigszins te beschermen.
Lawaai onder water: de dood van de duizend sneden Steeds meer wordt de zeebodem ingepalmd door menselijke economische activiteiten: scheepstrafiek, olieboringen, het zoeken naar olie via seismische tests, detectie van visscholen via sonar, constructiewerk onder water (boorplatformen, windmolens …) – zoveel zelfs dat de intensiteit van het geluid onder water de voorbije zestig jaar elke tien jaar verdubbeld is.
0,01
0,1
1 10 oonhoogte (kH TToonhoogte (kHz) z)
100
200
De impact van al die activiteit op de zeezoogdieren is groot. Om te beginnen gaan heel wat dieren zich bij lawaai anders gedragen. Veel zeedieren krijgen gezondheidsproblemen: ze staan voortdurend onder stress, hun immuunsysteem verzwakt en hun gehoorsysteem geraakt beschadigd. Spitssnuitdolfijnen lijken bovendien bang te zijn van sonar. Mariene biologen vermoeden dat ze zich soms op het strand werpen om aan het lawaai te ontsnappen. Drie van dergelijke voorvallen zijn goed gedocumenteerd. In mei 1996 strandden elf spitssnuitdolfijnen op de kusten van Griekenland, net tijdens een NAVO-oefening waarbij er sonars werden gebruikt. In maart 2000 herhaalde dit fenomeen zich op de Bahama’s met veertien spitssnuitdolfijnen, één gevlekte dolfijn en twee dwergvinvissen. Ook hier weer waren er schepen uitgerust met sonarapparatuur in de buurt. Zes van de spitssnuitdolfijnen en de gevlekte dolfijn overleefden het niet en vier van de dieren hadden ongewoon sterke bloedingen aan de oren. Deze bloedingen waren ook te zien bij het meest recente incident, in september 2002, aan de Canarische eilanden. Midden in een internationale militaire oefening wierpen veertien spitssnuiten zich op het land. Ook andere dieren veranderen hun gedrag wanneer ze met onderzees lawaai te maken krijgen. Niet dat er in de waarnemingen altijd een duidelijke lijn te trekken is. Heel wat gedragspatronen hangen af van de soort, het geslacht of de leeftijd van het dier. Potvissen en grienden stoppen bijvoorbeeld met zingen, andere walvissen zingen dan weer langer. Bultruggen duiken dieper en blijven langer onder. Beluga’s zwemmen weg uit zones waar ze normaal gesproken jagen en keren pas enkele dagen later terug. Wat wel zeker is, is dat ons lawaai het leven in zee behoorlijk verstoort.
Gevoeligheid van het menselijk oor
gevoeligheid
Het menselijk oor is het gevoeligst voor geluiden tussen 2000 en 7000 hertz, met een duidelijke piek rond 3000-4000 hertz. Bovendien is er ook rond 13.500 hertz een dergelijke piek.
20
50
100
200
500
1000
5000
10000
frequentie (Hz)
Dat de gevoeligheid van het oor net rond die frequentie het grootst is, is deels een gevolg van de lengte van de gehoorgang. Voor een half gesloten buis is de grondfrequentie F1 namelijk gelijk aan F1 = v/4L met v = de snelheid van het geluid, en L de lengte van de buis (28-35 mm in dit geval). Hogere resonantiefrequenties (niveau n) worden berekend als Fn = nv/4L De berekening van de derde resonantiefrequentie toont aan waarom het oor ook gevoelig blijkt te zijn rond 12.000-13.000 hertz …
Een beetje biofysica: de hefbomen in het middenoor van de mens Bij de mens bestaat de biologische impedantieaanpasser in het middenoor uit drie kleine beentjes (de kleinste van het hele menselijke lichaam). In volgorde vinden we, tussen het trommelvlies en het ovale venster: de hamer (malleus), het aambeeld (incus) en de stijgbeugel (stapes). Doordat hamer en aambeeld ook werken als een hefboom, wordt het geluid niet alleen doorgegeven, maar tegelijk versterkt. Die krachtversterking kunnen we eenvoudig berekenen. Laten we even uitgaan van een drukverandering pt van 1 Pa op het trommelvlies (oppervlakte At van 0,75 cm2). Dan is de kracht op het trommelvlies Ft gelijk aan (deze zin klopt niet) Ft = pt x At Het hefboomsysteem van de drie gehoorbeentjes vergroot deze kracht met 30%. Het steunpunt van de hefboom gevormd door de gehoorbeentjes (het fulcrum) ligt namelijk verder van het trommelvlies dan van de aanhechting met de stijgbeugel, en dat met een verhouding 1,3:1. Een 30% langere machtarm levert volgens de wetten van de hefboom last x lastarm = macht x machtarm een 30% grotere last, dus kracht op het ovale venster op. De kracht op het ovale venster Fo is dus Fo = po x Ao = 1,3 x pt x At
Hefboomsysteem in het middenoor.
De oppervlakte van het ovale venster (Ao, 0,032 cm2) is echter één negentiende van die van het trommelvlies (0,6 cm2). De druk op dit vlies (po) is dan ook po = Fo / Av = 1,3 x 19 x Ft / At = 25 x pt of 25 keer groter dan die op het trommelvlies. Vermits de intensiteit van het geluid evenredig is met het kwadraat van de druk, is de geluidssterkte maar liefst met een factor 625 toegenomen, wat overeen stemt met 28 decibel. Let wel: ter hoogte van het ovale venster is de kracht versterkt, maar de verplaatsing is natuurlijk naar verhouding afgenomen. De gehoorbeentjes vormen dus geen “versterker” zoals die in een geluidsinstallatie: ze zetten enkel geluidsgolven in lucht om naar geluidsgolven in vloeistof, met meer druk maar minder verplaatsing. De geluidsenergie blijft onveranderd. Mocht het geluid rechtsreeks invallen op het ovale venster, dan zouden we 28 decibel slechter horen. Dergelijk gehoorverlies treedt op bij mensen van wie de keten van middenoorbeentjes onderbroken is of bij wie de beentjes niet meer vrij kunnen trillen. Hetzelfde effect krijg je wanneer je je hoofd onder water houdt in een zwembad: doordat er geen “impedantieaanpassing” is tussen het geluid in de lucht en het water van het zwembad, weerkaatst het geluid van de aanwezigen voor een groot deel aan het oppervlak van het water, en dus hoor je daar weinig van.
3d-scan van de verschillende gehoorbeentjes bij de mens.
De gehoorbeentjes komen uit de onderkaak van de reptielen Zoals eerder gezegd is het trommelvlies bij de reptielen slechts met een enkel beentje, de columella, verbonden met het binnenoor. Daarnaast bevat de onderkaak van de reptielen wel enkele beenderen die in hun vorm verdwenen zijn bij de hedendaagse zoogdieren: het angulare, het articulare en het vierkantsbeen (quadratum). Deze beenderen zijn in de loop van de evolutie opgeschoven naar het middenoor en werden daar een deel van de hefboomstructuur: het angulare vormde zich om tot de annulus (een ringvormige benige steun voor het trommelvlies), het articulare werd de hamer (malleus) en het quadratum het aambeeld (incus). Dit zoogdierenmiddenoor duikt voor het eerst op bij Hadrocodium (195 miljoen jaar geleden, in het vroege Jura). Het ontstaan van de drie gehoorbeentjes bij de zoogdieren is een van de best beschreven passages in het hele verhaal van de evolutie bij dieren. Ze zijn bovendien een uitstekend voorbeeld van exaptatie: het hergebruiken en herbestemmen van een bestaande anatomische structuur voor een nieuw doel.
zoogdier
stijgbeugel hamer
trommelvlies aambeeld
binnenoor
reptiel
trommelvlies
Hoortoestellen Bepaalde aangetaste hoorfuncties, zoals het detecteren van omgevingsgeluiden (fluitende vogeltjes, voetstappen, … ), het waarnemen van signaalgeluiden (sirene, alarm, …) en het verstaan van spraak in stilte, kunnen door hoortoestellen heel makkelijk verbeterd worden. Andere aangetaste hoorfuncties, zoals het vermogen om gelijkluidende spraakklanken (‘s’,’f’,’t’ en ‘k’), te kunnen discrimineren of het vermogen om spraak in luid achtergrondrumoer te kunnen verstaan, kunnen traditionele hoortoestellen in maar in zekere mate compenseren. Voor deze doelstelling dienen de meer geavanceerde signaalverwerkings systemen in de hoortoestellen beschikbaar te zijn of zijn er bijkomende accessoires aan de hoortoestellen gekoppeld te worden (dit kan tegenwoordig ook via draadloze technologie). De graad van slechthorendheid en de aard van de achterliggende pathologie zijn belangrijke beïnvloedende factoren voor het succes van een hoortoestelaanpassing. • We kunnen zeggen dat hoortoestellen bij licht tot matig slechthorenden de normale spraak terug verstaanbaar maken in een akoestisch gunstige omgeving, het verstaan van spraak in omgevingsgeluiden verbeteren en omgevingsgeluiden en signaalgeluiden terug hoorbaar maken. • Bij zwaar slechthorenden kunnen krachtige apparaten de normale spraak beter verstaanbaar maken in een akoestisch gunstige omgeving, ondersteuning geven bij het spraak afzien, matig tot luide omgevingsgeluiden en signaalgeluiden terug hoorbaar maken, sociale isolatie voorkomen en feedback bij eigen stem en spraak realiseren. Bij mensen met een zwaar gehoorverlies kunnen bijkomende hulpmiddelen, zoals FM apparatuur, het spraakverstaan in rumoer of op afstand verbeteren. Indien het spraakverstaan met hoortoestellen en hulpmiddelen alsnog onvoldoende blijkt, is dit een indicatie om een cochleaire implantatie in overweging te nemen. Conventionele akoestische hoortoestellen zijn niet-invasief, waardoor ze bij veel mensen kunnen worden aangepast. Een hoortoestel is te beschouwen als een kleine geluidsversterker. Het bevat een microfoon, een versterker – unit en een luidspreker. De microfoon vangt het akoestische signaal (geluid) op en zet het om in een elektrisch equivalent. Een omnidirectionele microfoon vangt het geluid even goed op vanuit alle richtingen en wordt enkel nog toegepast in hoortoestellen van de laagste technologieklasse. Een directionele of richtingsgevoelige microfoon is gevoeliger voor geluid vanuit de frontale richting in vergelijking met geluid vanuit zijwaartse of achterwaartse richtingen. De directionele microfoon wordt toegepast om het spraakverstaan in achtergrondlawaai te verbeteren. Het verstaan in rumoer is immers de voornaamste klacht van de slechthorende. Moderne hoortoestellen schakelen automatisch van omnidirectionele naar directionele modus en andersom, al naar gelang de aanwezigheid en richting van spraakbronnen en lawaaibronnen in de omgeving. De laatste ontwikkeling op dit gebied zijn directionele microfoon systemen die de richtinggevoeligheid van het menselijk oor simuleren, dit zorgt voor een veel betere geluidskwaliteit, maak het lokaliseren van geluidsbronnen veel makkelijker (zowel voor/achter als links/rechts) en de nood om te schakelen is niet langer aanwezig … wij moeten onze oren toch ook niet naar voor of naar achter draaien. Het elektrisch signaal van de microfoon wordt omgezet in een digitaal equivalent. Dit digitaal equivalent wordt door de versterkers-unit aangepast. M.a.w. de unit voor versterking voert allerhande berekeningen uit op de digitale code die als doel hebben signaalgeluiden frequentie – specifiek te versterken, achtergrondgeluiden selectief minder te versterken enz. Het geluid wordt met andere woorden aangepast aan de verminderde mogelijkheden van het gehoor van de hoortoesteldrager. Het versterkte signaal moet enerzijds boven de hoordrempel van de slechthorende worden gebracht, maar mag anderzijds de drempel van onaangename luidheid niet overschrijden. Men moet het inkomende signaal daarom versterken alsook begrenzen. We spreken van een frequentie – afhankelijke of frequentie- selectieve versterking omdat we niet in alle frequentiebanden van een hoortoestel evenveel versterking geven. De aanpassing kan bij voorbeeld inhouden dat de hoge tonen meer versterkt worden dan de lage tonen bij een hoge tonenverlies. In de laatste fase wordt het versterkte en aangepaste signaal bij akoestische hoortoestellen weer omgezet in zijn akoestische vorm en dit via een klein luidsprekertje, dat ook wel eens de telefoon genoemd wordt. Bij het gekende achter- het- oor hoortoestel, wordt het versterkte geluid naar het trommelvlies van de slechthorende geleid via één van de vele mogelijke op maat gemaakte of standaard oorstukjes. Om de ervaring met hoortoestellen zo natuurlijk en comfortabel mogelijk te maken, maken audiologen nu veel meer gebruik van “Open” aanpassingen. Hierbij wordt het oor niet afgesloten door een oorstuk, maar zal er een heel dun silicone buisje met een heel zacht open tipje in de gehoorgang geplaatst worden. Hier ook dient de technologie een tandje bij te steken … gezien het versterkte geluid via dit open oor terug naar de microfoon kan .. zou er rondfluiten (Larsen effect) kunnen ontstaan. Maar recente hoortoestellen beschikken allemaal over een digitaal feedback onderdrukkingssysteem, waarbij het geluid dat eventueel terug in te microfoon zou komen in tegenfase terug in de digitale versterker gestuurd wordt en via dit “tegengeluid” zal er geen rondfluiten optreden. Twee signalen in tegenfase zullen namelijk elkaar opheffen.
AHO + Mogelijkheden oorstukjes Zoals vele technologische apparatuur, zijn ook hoortoestellen de laatste jaren sterk geminiaturiseerd. Zo bestaan er oplossingen die volledig in de gehoorgang kunnen verdwijnen.
