Fysik

Fysik

Det menneskelige øre har et enormt område og en enorm følsomhed. Det kan give os et væld af enkle oplysninger – såsom tonehøjde, lydstyrke og retning. Og ud fra dets input kan vi registrere musikalsk kvalitet og nuancer af stemte følelser. Hvordan hænger vores hørelse sammen med lydens fysiske kvaliteter, og hvordan fungerer høreapparatet?

Hørelse er opfattelsen af lyd. (Perception defineres almindeligvis som værende bevidsthed gennem sanserne, hvilket er en typisk cirkulær definition af processer på højere niveau i levende organismer). Den normale menneskelige hørelse omfatter frekvenser fra 20 til 20.000 Hz, et imponerende område. Lyde under 20 Hz kaldes infrasound, mens lyde over 20 000 Hz er ultralyd. Ingen af de to opfattes af øret, selv om infrasound nogle gange kan mærkes som vibrationer. Når vi hører lavfrekvente vibrationer, som f.eks. lyden fra et springbræt, hører vi kun de enkelte vibrationer, fordi der er højere frekvenser i hver af dem. Andre dyr har et andet høreområde end mennesker. Hunde kan høre lyde på helt op til 30.000 Hz, mens flagermus og delfiner kan høre lyde på op til 100.000 Hz. Du har måske bemærket, at hunde reagerer på lyden af en hundefløjte, som producerer lyde uden for menneskers høreområde. Elefanter er kendt for at reagere på frekvenser under 20 Hz.

Opfattelsen af frekvens kaldes tonehøjde. De fleste af os har en fremragende relativ tonehøjde, hvilket betyder, at vi kan se, om en lyd har en anden frekvens end en anden lyd. Typisk kan vi skelne mellem to lyde, hvis deres frekvenser adskiller sig med 0,3 % eller mere. F.eks. er 500,0 og 501,5 Hz mærkbart forskellige. Tonelejeopfattelsen er direkte relateret til frekvensen og påvirkes ikke i høj grad af andre fysiske størrelser som f.eks. intensitet. Musikalske toner er bestemte lyde, som kan frembringes af de fleste instrumenter og i vestlig musik har bestemte navne. Kombinationer af toner udgør musik. Nogle mennesker kan identificere musikalske toner, som f.eks. A-sis, C eller Es, blot ved at lytte til dem. Denne usædvanlige evne kaldes perfekt tonehøjde.

Øret er bemærkelsesværdigt følsomt over for lyde med lav intensitet. Den laveste hørbare intensitet eller tærskel er ca. 10-12 W/m2 eller 0 dB. Lyde så meget som 1012 mere intense kan kortvarigt tolereres. Meget få måleapparater er i stand til at foretage observationer over et område på en trillion. Oplevelsen af intensitet kaldes loudness. Ved en given frekvens er det muligt at skelne forskelle på ca. 1 dB, og en ændring på 3 dB bemærkes let. Men lydstyrke er ikke kun forbundet med intensitet. Frekvensen har en stor betydning for, hvor høj en lyd virker. Øret har sin maksimale følsomhed over for frekvenser i intervallet 2000 til 5000 Hz, så lyde i dette interval opfattes som højere end f.eks. lyde ved 500 eller 10 000 Hz, selv når de alle har samme intensitet. Lyde i nærheden af de høje og lave frekvenser i høreområdets yderpunkter virker endnu mindre høje, fordi øret er endnu mindre følsomt ved disse frekvenser. Tabel 1 angiver afhængigheden af visse menneskelige høreopfattelser af fysiske størrelser.

Tabel 1. Lydopfattelser
Perception	Fysisk størrelse
Tonehøjde	Frekvens
Lydstyrke	Intensitet og frekvens
Timbre	Antal og relativ intensitet af flere frekvenser. Subtilt håndværk fører til ikke-lineære effekter og flere detaljer.
Note	Basisenhed i musikken med specifikke navne, der kombineres for at generere melodier
Tone	Antal og relativ intensitet af flere frekvenser.

Når en violin spiller C i midten, kan man ikke forveksle den med et klaver, der spiller den samme tone. Årsagen er, at hvert instrument producerer et særpræget sæt af frekvenser og intensiteter. Vi kalder vores opfattelse af disse kombinationer af frekvenser og intensiteter for tonekvalitet, eller mere almindeligt for klangens klangfarve. Det er vanskeligere at korrelere opfattelsen af klangfarve med fysiske størrelser, end det er tilfældet med opfattelsen af lydstyrke eller tonehøjde. Timbre er mere subjektivt. Udtryk som f.eks. mat, strålende, varm, kold, ren og fyldig anvendes til at beskrive en lyds klangfarve. Derfor fører overvejelserne om klangfarve os ind på det perceptuelle psykologiske område, hvor processer på et højere niveau i hjernen er dominerende. Dette gælder også for andre opfattelser af lyd, f.eks. musik og støj. Vi vil ikke komme nærmere ind på dem; vi vil i stedet koncentrere os om spørgsmålet om lydstyrkeopfattelse.

En enhed kaldet en phon bruges til at udtrykke lydstyrke numerisk. Phon’er adskiller sig fra decibel’er, fordi phon’en er en enhed for lydstyrkeopfattelse, mens decibel’en er en enhed for fysisk intensitet. Figur 2 viser forholdet mellem lydstyrke og intensitet (eller intensitetsniveau) og frekvens for personer med normal hørelse. De kurvede linjer er kurver for lige lydstyrke. Hver kurve er mærket med dens lydstyrke i phons. Enhver lyd langs en given kurve vil blive opfattet som lige høj af en gennemsnitlig person. Kurverne blev fastlagt ved at lade et stort antal personer sammenligne lydstyrken af lyde ved forskellige frekvenser og lydintensitetsniveauer. Ved en frekvens på 1000 Hz anses phon for at være numerisk lig med decibel. Følgende eksempel er med til at illustrere, hvordan man bruger grafen:

En nærmere undersøgelse af grafen i figur 2 afslører nogle interessante fakta om den menneskelige hørelse. For det første opfattes lyde under 0-fon-kurven ikke af de fleste mennesker. Så f.eks. er en 60 Hz-lyd ved 40 dB uhørlig. 0-fon-kurven repræsenterer tærsklen for normal hørelse. Vi kan høre nogle lyde ved intensitetsniveauer under 0 dB. F.eks. er en lyd på 3 dB og 5000 Hz hørbar, fordi den ligger over 0-fon-kurven. Lydstyrkekurverne har alle et dyk mellem ca. 2000 og 5000 Hz. Disse dips betyder, at øret er mest følsomt over for frekvenser i dette område. F.eks. har en 15 dB-lyd ved 4000 Hz en lydstyrke på 20 phon’er, hvilket er det samme som en 20 dB-lyd ved 1000 Hz. Kurverne stiger ved begge yderpunkter i frekvensområdet, hvilket indikerer, at der skal en lyd med større intensitet til ved disse frekvenser for at blive opfattet som lige så høj som ved mellemfrekvenserne. F.eks. skal en lyd ved 10 000 Hz have et intensitetsniveau på 30 dB for at virke lige så høj som en lyd på 20 dB ved 1000 Hz. Lyde over 120 phon er både smertefulde og skadelige.

Vi udnytter ofte ikke hele vores høreapparat. Dette gælder især for frekvenser over 8000 Hz, som er sjældne i omgivelserne og er unødvendige for at forstå en samtale eller værdsætte musik. Faktisk er folk, der har mistet evnen til at høre sådanne høje frekvenser, normalt ikke klar over deres tab, før de bliver testet. Det skraverede område i figur 3 er det frekvens- og intensitetsområde, hvor de fleste samtalelyde hører til. De buede linjer angiver, hvilken virkning et høretab på 40 og 60 phon vil have. Et høretab på 40 phon ved alle frekvenser gør det stadig muligt for en person at forstå en samtale, selv om det vil virke meget stille. En person med et tab på 60 phon ved alle frekvenser vil kun kunne høre de laveste frekvenser og vil ikke kunne forstå tale, medmindre den er meget højere end normalt. Selv da kan tale virke utydelig, fordi højere frekvenser ikke opfattes lige så godt. Taleregionen for samtaletale har også en kønskomponent, idet kvindestemmer normalt er kendetegnet ved højere frekvenser. Så en person med en høreforstyrrelse på 60 foner kan have svært ved at forstå en kvindes normale samtale.

Høreprøver udføres over et frekvensområde, normalt fra 250 til 8000 Hz, og kan vises grafisk i et audiogram som det i figur 4. Høretærsklen måles i dB i forhold til den normale tærskel, således at normal hørelse registreres som 0 dB ved alle frekvenser. Høretab forårsaget af støj viser typisk et fald i nærheden af frekvensen 4000 Hz, uanset hvilken frekvens der forårsagede tabet, og det påvirker ofte begge ører. Den mest almindelige form for hørenedsættelse opstår med alderen og kaldes presbycusis – bogstaveligt talt ældre øre. Et sådant tab er stadig mere alvorligt ved højere frekvenser og forstyrrer musikforståelse og talegenkendelse.

Det ydre øre, eller øregangen, transporterer lyden til det forsænkede, beskyttede trommehinde. Luftsøjlen i øregangen resonerer og er delvist ansvarlig for øreets følsomhed over for lyde i intervallet 2000 til 5000 Hz. Mellemøret omdanner lyden til mekaniske vibrationer og overfører disse vibrationer til sneglehinden. Mellemøreets løftestangssystem tager den kraft, der udøves på trommehinden af lydtryksvariationer, forstærker den og sender den til det indre øre via det ovale vindue, hvilket skaber trykbølger i sneglehulen, der er ca. 40 gange større end dem, der rammer trommehinden. (Se figur 6.) To muskler i mellemøret (ikke vist) beskytter det indre øre mod meget intense lyde. De reagerer på intens lyd i løbet af få millisekunder og reducerer den kraft, der overføres til sneglehulen. Denne beskyttende reaktion kan også udløses af din egen stemme, så hvis du f.eks. nynner, mens du skyder med en pistol, kan det reducere støjskaderne.

Figur 7 viser mellemøret og det indre øre mere detaljeret. Trykbølger, der bevæger sig gennem cochlea, får tectorialmembranen til at vibrere og gnide cilier (kaldet hårceller), som stimulerer nerver, der sender elektriske signaler til hjernen. Membranen resonerer ved forskellige positioner for forskellige frekvenser, hvor høje frekvenser stimulerer nerverne i den nære ende og lave frekvenser i den fjerne ende. Man har endnu ikke forstået, hvordan sneglen fungerer fuldstændigt, men man ved, at flere mekanismer er involveret i at sende information til hjernen. For lyde under ca. 1000 Hz sender nerverne signaler med samme frekvens som lyden. For frekvenser over ca. 1000 Hz signalerer nerverne frekvensen efter position. Der er en struktur i cilierne, og der er forbindelser mellem nervecellerne, som udfører signalbehandling, før informationen sendes til hjernen. Intensitetsinformation angives delvist ved antallet af nervesignaler og ved salvinger af signaler. Hjernen behandler de cochleære nervesignaler for at give yderligere oplysninger som f.eks. kildens retning (baseret på sammenligninger af tid og intensitet af lyde fra begge ører). Behandling på højere niveau frembringer mange nuancer, f.eks. musikforståelse.

Høretab kan opstå på grund af problemer i mellemøret eller det indre øre. Ledningsmæssige tab i mellemøret kan delvist afhjælpes ved at sende lydvibrationer til sneglen gennem kraniet. Høreapparater til dette formål trykker normalt mod knoglen bag øret, i stedet for blot at forstærke den lyd, der sendes ind i øregangen, som mange høreapparater gør. Skader på nerverne i sneglehulen kan ikke repareres, men forstærkning kan delvis kompensere for dem. Der er en risiko for, at forstærkning vil medføre yderligere skader. En anden almindelig fejl i cochlea er beskadigelse eller tab af cilier, men nerverne er stadig funktionsdygtige. Cochlear-implantater, der stimulerer nerverne direkte, er nu tilgængelige og bredt accepteret. Der er over 100 000 implantater i brug, og der er ca. lige mange voksne og børn.

Cochlear-implantatet blev udviklet i Melbourne, Australien, af Graeme Clark i 1970’erne til sin døve far. Implantatet består af tre eksterne komponenter og to interne komponenter. De eksterne komponenter er en mikrofon til at opfange lyd og konvertere den til et elektrisk signal, en taleprocessor til at vælge bestemte frekvenser og en sender til at overføre signalet til de interne komponenter via elektromagnetisk induktion. De interne komponenter består af en modtager/sender, der er fastgjort i knoglen under huden, og som omdanner signalerne til elektriske impulser og sender dem gennem et internt kabel til sneglehulen og en række af ca. 24 elektroder, der er viklet gennem sneglehulen. Disse elektroder sender på deres side impulserne direkte til hjernen. Elektroderne efterligner i princippet cilierne.

Sammenfatning af afsnittet

• Det hørbare frekvensområde er 20 til 20.000 Hz.
• Lyd over 20.000 Hz er ultralyd, mens lyd under 20 Hz er infralyd.
• Opfattelsen af frekvens er tonehøjde.
• Opfattelsen af intensitet er lydstyrke.
• Lydstyrke har enheder af phon.

Glossar

lydstyrke: opfattelsen af lydintensitet

timbre: antal og relativ intensitet af flere lydfrekvenser

note: basisenhed i musik med specifikke navne, der kombineres for at generere melodier

tone: antal og relativ intensitet af flere lydfrekvenser

phon: den numeriske enhed for lydstyrke

ultrasound: lyde over 20.000 Hz

infrasound: lyde under 20 Hz