Fizika

Fizika

Az emberi fül hatalmas hangterjedelemmel és érzékenységgel rendelkezik. Rengeteg egyszerű információt – például a hangmagasságot, a hangerőt és az irányt – képes megadni nekünk. És a bemenetéből képesek vagyunk érzékelni a zenei minőséget és a hangzó érzelmek árnyalatait. Hogyan kapcsolódik a hallásunk a hang fizikai tulajdonságaihoz, és hogyan működik a hallásmechanizmus?

A hallás a hang érzékelése. (Az érzékelést általában úgy definiálják, hogy az érzékszerveken keresztül történő észlelés, ami az élő szervezetekben zajló magasabb szintű folyamatok jellemzően körkörös meghatározása.) A normális emberi hallás a 20 és 20 000 Hz közötti frekvenciákat öleli fel, ami lenyűgöző tartomány. A 20 Hz alatti hangokat infrahangnak, míg a 20 000 Hz feletti hangokat ultrahangnak nevezzük. A fül egyiket sem érzékeli, bár az infrahangot néha rezgésként érezhetjük. Amikor alacsony frekvenciájú rezgéseket hallunk, például egy ugródeszka hangjait, csak azért halljuk az egyes rezgéseket, mert mindegyikben magasabb frekvenciájú hangok vannak. Más állatok hallási tartománya eltér az emberétől. A kutyák akár 30 000 Hz-es hangokat is hallanak, míg a denevérek és a delfinek akár 100 000 Hz-es hangokat is. Talán észrevetted, hogy a kutyák reagálnak a kutyasíp hangjára, amely az emberi hallás tartományán kívül eső hangot produkál. Az elefántokról ismert, hogy 20 Hz alatti frekvenciákra reagálnak.

A frekvencia érzékelését hangmagasságnak nevezzük. A legtöbbünknek kiváló a relatív hangmagassága, ami azt jelenti, hogy meg tudjuk állapítani, hogy egy hangnak más a frekvenciája, mint egy másiknak. Általában akkor tudunk megkülönböztetni két hangot, ha a frekvenciájuk legalább 0,3%-kal különbözik egymástól. Például az 500,0 és az 501,5 Hz érezhetően különbözik egymástól. A hangmagasság érzékelése közvetlenül a frekvenciával függ össze, és nem befolyásolja nagymértékben más fizikai mennyiségek, például az intenzitás. A zenei hangok olyan különleges hangok, amelyek a legtöbb hangszerrel előállíthatók, és a nyugati zenében különleges nevük van. A hangjegyek kombinációi alkotják a zenét. Néhány ember pusztán hallás alapján képes azonosítani a zenei hangokat, mint például az A-dúr, a C vagy az Esz. Ezt a nem mindennapi képességet tökéletes hangmagasságnak nevezik.

A fül rendkívül érzékeny az alacsony intenzitású hangokra. A legalacsonyabb hallható intenzitás vagy küszöbérték körülbelül 10-12 W/m2 vagy 0 dB. Az ennél 1012-vel intenzívebb hangok rövid ideig elviselhetők. Nagyon kevés mérőműszer képes a trilliónyi tartományban történő megfigyelésre. Az intenzitás érzékelését hangerősségnek nevezzük. Egy adott frekvencián kb. 1 dB-es különbségek észlelhetők, és 3 dB-es változás is könnyen észrevehető. A hangosság azonban nem csak az intenzitással függ össze. A frekvencia nagyban befolyásolja, hogy mennyire tűnik hangosnak egy hang. A fül maximális érzékenysége a 2000 és 5000 Hz közötti frekvenciákra terjed ki, így az ebben a tartományban lévő hangokat hangosabbnak érzékeli, mint például az 500 vagy 10 000 Hz-eseket, még akkor is, ha mindegyiknek ugyanolyan intenzitása van. A hallótartomány magas és alacsony frekvenciájú szélső értékeihez közeli hangok még kevésbé tűnnek hangosnak, mivel a fül ezeken a frekvenciákon még kevésbé érzékeny. Az 1. táblázat az egyes emberi hallásérzékelések fizikai mennyiségektől való függését mutatja be.

1. táblázat. Hangérzékelés
Észlelés	Fizikai mennyiség
Hangmagasság	Frekvencia
Hangerő	Intenzitás és frekvencia
Timbre	több frekvencia száma és relatív intenzitása. A finom kézművesség nem lineáris hatásokhoz és több részletességhez vezet.
Note	A zene alapegysége sajátos nevekkel, amelyeket dallamok létrehozásához kombinálnak
Tone	Más frekvenciák száma és relatív intenzitása.

Amikor egy hegedű a C közepét játssza, nem lehet összetéveszteni egy ugyanezt a hangot játszó zongorával. Ennek az az oka, hogy minden hangszer a frekvenciák és intenzitások jellegzetes készletét produkálja. A frekvenciák és intenzitások ezen kombinációinak érzékelését hangminőségnek, vagy gyakrabban hangszínnek nevezzük. A hangszín érzékelését nehezebb fizikai mennyiségekkel korrelálni, mint a hangerő vagy a hangmagasság érzékelését. A hangszín sokkal szubjektívebb. A hangok hangszínének leírására olyan kifejezéseket használnak, mint a tompa, ragyogó, meleg, hideg, tiszta és gazdag. A hangszín vizsgálatával tehát az érzékeléspszichológia területére lépünk, ahol az agyban zajló magasabb szintű folyamatok dominálnak. Ez igaz a hangok más érzékeléseire is, például a zenére és a zajra. Ezekkel nem foglalkozunk részletesebben, inkább a hangerő érzékelésének kérdésére koncentrálunk.

A hangerő számszerű kifejezésére egy phon nevű egységet használunk. A phon azért különbözik a decibelektől, mert a phon a hangosság érzékelésének egysége, míg a decibel a fizikai intenzitás egysége. A 2. ábra a hangosság és az intenzitás (vagy intenzitási szint), valamint a frekvencia kapcsolatát mutatja normál hallású személyek esetében. Az ívelt vonalak egyenlő hangossági görbék. Minden görbét a hangerő phonban kifejezett hangerősségével jelölünk. Egy adott görbe mentén bármelyik hangot egy átlagos személy egyformán hangosnak érzékeli. A görbéket úgy határozták meg, hogy nagyszámú emberrel összehasonlíttatták a különböző frekvenciájú és hangerősségű hangok hangerejét. 1000 Hz-es frekvencián a phonok számszerűen megegyeznek a decibelekkel. A következő példa segít szemléltetni a grafikon használatát:

A 2. ábrán látható grafikon további vizsgálata néhány érdekes tényt tár fel az emberi hallásról. Először is, a 0-fon görbe alatti hangokat a legtöbb ember nem érzékeli. Így például egy 60 Hz-es hang 40 dB-en nem hallható. A 0-fon görbe a normál hallás küszöbét jelenti. Egyes hangokat 0 dB alatti intenzitáson is hallunk. Például egy 3 dB-es, 5000 Hz-es hang hallható, mert a 0-fon görbe felett van. A hangossági görbék mindegyike 2000 és 5000 Hz között mélyedést mutat. Ezek a mélyedések azt jelentik, hogy a fül ebben a tartományban a legérzékenyebb a frekvenciákra. Például egy 15 dB-es hang 4000 Hz-en 20 phon hangosságú, ami megegyezik egy 20 dB-es hanggal 1000 Hz-en. A görbék a frekvenciatartomány mindkét szélső értékénél emelkednek, ami azt jelzi, hogy ezeken a frekvenciákon nagyobb intenzitású hangszintre van szükség ahhoz, hogy ugyanolyan hangosnak érzékeljük, mint a középső frekvenciákon. Például egy 10 000 Hz-es hangnak 30 dB intenzitásúnak kell lennie ahhoz, hogy ugyanolyan hangosnak tűnjön, mint egy 20 dB-es hang 1000 Hz-en. A 120 phon feletti hangok fájdalmasak és károsak is.

Gyakran nem használjuk ki a hallásunk teljes tartományát. Ez különösen igaz a 8000 Hz feletti frekvenciákra, amelyek ritkán fordulnak elő a környezetben, és szükségtelenek a beszélgetés megértéséhez vagy a zene megbecsüléséhez. Valójában azok az emberek, akik elvesztették az ilyen magas frekvenciák hallásának képességét, a vizsgálatig általában nem is tudnak a veszteségükről. A 3. ábrán az árnyékolt terület az a frekvencia- és intenzitástartomány, ahová a legtöbb társalgási hang esik. A görbe vonalak jelzik, hogy milyen hatással van a 40 és 60 phon halláscsökkenés. A 40 phonos halláscsökkenés minden frekvencián még mindig lehetővé teszi a beszélgetés megértését, bár nagyon halknak tűnik. A 60 phonos halláscsökkenés minden frekvencián csak a legalacsonyabb frekvenciákat hallja, és csak akkor képes megérteni a beszédet, ha az a normálisnál sokkal hangosabb. Még így is előfordulhat, hogy a beszéd homályosnak tűnik, mert a magasabb frekvenciákat nem érzékeli olyan jól. A társalgási beszédtartománynak van nemi összetevője is, mivel a női hangokat általában magasabb frekvenciák jellemzik. Így a 60 fonnal hallássérült személynek nehézséget okozhat egy nő normális beszélgetésének megértése.

A hallásvizsgálatokat egy frekvenciatartományban, általában 250 és 8000 Hz között végzik, és grafikusan a 4. ábrához hasonló audiogramon lehet megjeleníteni. A hallásküszöböt dB-ben mérik a normál küszöbhöz viszonyítva, így a normál hallás minden frekvencián 0 dB-t jelent. A zaj okozta halláscsökkenés jellemzően a 4000 Hz-es frekvencia közelében mutatkozik, függetlenül attól, hogy milyen frekvencia okozta a veszteséget, és gyakran mindkét fület érinti. A halláscsökkenés leggyakoribb formája az életkor előrehaladtával jelentkezik, és presbycusisnak – szó szerint öregfülnek – nevezik. Ez a veszteség egyre súlyosabb a magasabb frekvenciákon, és zavarja a zenei értékelést és a beszédfelismerést.

A külső fül, vagyis a hallójárat a hangot a süllyesztett, védett dobhártyához vezeti. A hallójáratban lévő légoszlop rezonál, és részben felelős a fül érzékenységéért a 2000 és 5000 Hz közötti hangokra. A középfül a hangot mechanikai rezgéssé alakítja át, és ezeket a rezgéseket a csigahártyára juttatja. A középfül karrendszere a hangnyomás-változások által a dobhártyára kifejtett erőt felfogja, felerősíti és az ovális ablakon keresztül a belső fülbe továbbítja, a dobhártyára ható nyomáshullámoknál körülbelül 40-szer nagyobb nyomáshullámokat hozva létre a csigahártyában. (Lásd a 6. ábrát.) A középfülben két izom (nem látható) védi a belső fület a nagyon intenzív hangoktól. Ezek néhány milliszekundum alatt reagálnak az intenzív hangokra, és csökkentik a csigahártyára átvitt erőt. Ezt a védekező reakciót a saját hangunk is kiválthatja, így például a puskalövés közbeni dúdolás csökkentheti a zajkárosodást.

A 7. ábra részletesebben mutatja a közép- és a belső fül működését. A csigahártyán áthaladó nyomáshullámok rezgésre késztetik a csigahártyát, és dörzsölik a csillókat (az úgynevezett szőrsejteket), amelyek stimulálják az idegeket, amelyek elektromos jeleket küldenek az agyba. A membrán különböző frekvenciák esetén különböző pozíciókban rezonál, a magas frekvenciák a közeli végén, az alacsony frekvenciák pedig a távoli végén stimulálják az idegeket. A csiga teljes működése még mindig nem tisztázott, de az agyba történő információküldésben több mechanizmus is szerepet játszik. A körülbelül 1000 Hz alatti hangok esetében az idegek a hanggal azonos frekvenciájú jeleket küldenek. A körülbelül 1000 Hz-nél nagyobb frekvenciák esetében az idegek a frekvenciát a helyzetük szerint jelzik. A csillóknak van egy struktúrája, és az idegsejtek között olyan kapcsolatok vannak, amelyek jelfeldolgozást végeznek, mielőtt az információ az agyba kerülne. Az intenzitásinformációt részben az idegjelek száma és a jelek röppályái jelzik. Az agy feldolgozza a cochleáris idegjeleket, hogy további információkat szolgáltasson, például a forrás irányát (a két fülből érkező hangok időbeli és intenzitásbeli összehasonlítása alapján). A magasabb szintű feldolgozás számos árnyalatot eredményez, például a zenei értékelést.

A középfül vagy a belső fül problémái miatt halláscsökkenés léphet fel. A középfülben fellépő vezetési veszteségek részben kiküszöbölhetők a hangrezgéseknek a koponyán keresztül a csigaházba történő küldésével. Az erre a célra szolgáló hallókészülékek általában a fül mögötti csonthoz nyomódnak, ahelyett, hogy egyszerűen felerősítenék a hallójáratba küldött hangot, ahogyan azt sok hallókészülék teszi. A csigahártya idegeinek károsodása nem javítható, de az erősítés részben kompenzálhatja. Fennáll annak a veszélye, hogy az erősítés további károsodást okoz. A cochlea másik gyakori hibája a csillók károsodása vagy elvesztése, de az idegek működőképesek maradnak. Az idegeket közvetlenül stimuláló cochleáris implantátumok ma már kaphatók és széles körben elfogadottak. Több mint 100 000 implantátumot használnak, körülbelül egyenlő számban felnőtteknél és gyermekeknél.

A cochleáris implantátumot az ausztráliai Melbourne-ben Graeme Clark vezette be az 1970-es években siket édesapja számára. Az implantátum három külső és két belső komponensből áll. A külső komponensek egy mikrofon a hang felvételére és elektromos jellé alakítására, egy beszédprocesszor bizonyos frekvenciák kiválasztására, valamint egy jeladó, amely elektromágneses indukcióval továbbítja a jelet a belső komponensekhez. A belső komponensek egy, a bőr alatti csontba rögzített vevőből/adóból állnak, amely a jeleket elektromos impulzusokká alakítja és egy belső kábelen keresztül a csigaházba küldi, valamint egy, a csigaházba tekert, körülbelül 24 elektródából álló elektródasorból. Ezek az elektródák viszont közvetlenül az agyba küldik az impulzusokat. Az elektródák lényegében a csillószőröket utánozzák.

Összefoglaló

• A hallható frekvenciák tartománya 20 és 20 000 Hz között van.
• A 20 000 Hz feletti hangok ultrahangok, míg a 20 Hz alattiak infrahangok.
• A frekvencia érzékelése a hangmagasság.
• Az intenzitás érzékelése a hangerősség.
• A hangerősség mértékegysége a phon.

Glosszárium

hangerősség: a hang intenzitásának érzékelése

timbre: több hangfrekvencia száma és relatív intenzitása

hangjegy: a zene sajátos nevekkel ellátott alapegysége, melyeket dallamok létrehozására kombinálnak

tónus: Több hangfrekvencia száma és relatív intenzitása

fon: a hangerő számszerű egysége

ultrahang: 20 000 Hz feletti hangok

infrahang: 20 Hz alatti hangok