Fysik

Fysik

Det mänskliga örat har ett enormt omfång och känslighet. Det kan ge oss en mängd enkel information – till exempel tonhöjd, ljudstyrka och riktning. Och från dess input kan vi upptäcka musikalisk kvalitet och nyanser av känslor. Hur är vår hörsel relaterad till ljudets fysiska egenskaper och hur fungerar hörselmekanismen?

Hörsel är uppfattningen av ljud. (Perception definieras vanligen som medvetenhet genom sinnena, en typiskt cirkulär definition av processer på högre nivå i levande organismer). Normal mänsklig hörsel omfattar frekvenser från 20 till 20 000 Hz, ett imponerande område. Ljud under 20 Hz kallas infra-ljud, medan ljud över 20 000 Hz är ultraljud. Ingen av dem uppfattas av örat, även om infra-ljud ibland kan kännas som vibrationer. När vi hör lågfrekventa vibrationer, t.ex. ljudet från en hoppbräda, hör vi de enskilda vibrationerna bara för att det finns högfrekventa ljud i varje vibration. Andra djur har andra hörselområden än människor. Hundar kan höra ljud så högt som 30 000 Hz, medan fladdermöss och delfiner kan höra upp till 100 000 Hz-ljud. Du kanske har lagt märke till att hundar reagerar på ljudet av en hundvisselpipa som producerar ljud utanför människans hörselområde. Elefanter är kända för att reagera på frekvenser under 20 Hz.

Värdet av frekvens kallas tonhöjd. De flesta av oss har utmärkt relativ tonhöjd, vilket innebär att vi kan avgöra om ett ljud har en annan frekvens än ett annat. Typiskt sett kan vi skilja mellan två ljud om deras frekvenser skiljer sig med 0,3 % eller mer. Till exempel är 500,0 och 501,5 Hz märkbart olika. Uppfattningen av tonhöjd är direkt relaterad till frekvensen och påverkas inte i någon större utsträckning av andra fysiska storheter som t.ex. intensitet. Musikaliska toner är särskilda ljud som kan produceras av de flesta instrument och som i västerländsk musik har särskilda namn. Kombinationer av toner utgör musik. Vissa människor kan identifiera musikaliska toner, t.ex. A-dur, C eller E-dur, bara genom att lyssna på dem. Denna ovanliga förmåga kallas perfekt tonhöjd.

Örat är anmärkningsvärt känsligt för ljud med låg intensitet. Den lägsta hörbara intensiteten eller tröskeln är ungefär 10-12 W/m2 eller 0 dB. Ljud som är så mycket som 1012 mer intensiva kan kortvarigt tolereras. Mycket få mätinstrument kan göra observationer över ett område på en biljon. Upplevelsen av intensitet kallas för ljudstyrka. Vid en given frekvens är det möjligt att urskilja skillnader på cirka 1 dB, och en förändring på 3 dB märks lätt. Men ljudstyrkan är inte enbart relaterad till intensiteten. Frekvensen har stor betydelse för hur högt ett ljud upplevs. Örat har sin maximala känslighet för frekvenser i intervallet 2000-5000 Hz, så att ljud i detta intervall uppfattas som högre än till exempel ljud vid 500 eller 10 000 Hz, även om de alla har samma intensitet. Ljud nära hörselområdets hög- och lågfrekventa ytterligheter upplevs som ännu mindre högljudda, eftersom örat är ännu mindre känsligt vid dessa frekvenser. I tabell 1 visas beroendet av vissa mänskliga hörseluppfattningar av fysiska storheter.

.

Tabell 1. Ljuduppfattningar
Perception	Fysisk storhet
Spektrum	Frekvens
Ljudstyrka	Intensitet och frekvens
Timbre	Antal och relativ intensitet av flera frekvenser. Subtilt hantverk leder till icke-linjära effekter och mer detaljer.
Not	Grundläggande enhet i musiken med specifika namn, som kombineras för att generera melodier
Ton	Antal och relativ intensitet av flera frekvenser.

När en violin spelar mellersta C går det inte att förväxla med ett piano som spelar samma ton. Anledningen är att varje instrument producerar en distinkt uppsättning frekvenser och intensiteter. Vi kallar vår uppfattning av dessa kombinationer av frekvenser och intensiteter för tonkvalitet, eller mer allmänt för ljudets klangfärg. Det är svårare att korrelera uppfattningen av klangfärg med fysiska storheter än vad det är för uppfattningen av ljudstyrka eller tonhöjd. Timbre är mer subjektivt. Termer som matt, lysande, varm, kall, ren och fyllig används för att beskriva ljudets klangfärg. När vi betraktar klangfärg tar vi oss alltså in på den perceptuella psykologins område, där processer på högre nivå i hjärnan är dominerande. Detta gäller för andra ljuduppfattningar, t.ex. musik och buller. Vi kommer inte att fördjupa oss ytterligare i dem, utan vi kommer att koncentrera oss på frågan om ljuduppfattning.

En enhet som kallas phon används för att uttrycka ljudstyrka numeriskt. Phon skiljer sig från decibel eftersom phonet är en enhet för ljudstyrkauppfattning, medan decibel är en enhet för fysisk intensitet. Figur 2 visar förhållandet mellan ljudstyrka och intensitet (eller intensitetsnivå) och frekvens för personer med normal hörsel. De böjda linjerna är kurvor för lika ljudstyrka. Varje kurva är märkt med sin ljudstyrka i phon. Alla ljud längs en given kurva kommer att uppfattas som lika högt av en genomsnittlig person. Kurvorna fastställdes genom att ett stort antal personer jämförde ljudets ljudstyrka vid olika frekvenser och ljudintensitetsnivåer. Vid en frekvens på 1 000 Hz anses phon vara numeriskt lika med decibel. Följande exempel hjälper till att illustrera hur man använder grafen:

En vidare undersökning av grafen i figur 2 avslöjar en del intressanta fakta om människans hörsel. För det första uppfattas ljud under 0-fonkurvan inte av de flesta människor. Så till exempel är ett 60 Hz-ljud vid 40 dB ohörbart. 0-fon-kurvan representerar tröskeln för normal hörsel. Vi kan höra vissa ljud vid intensitetsnivåer under 0 dB. Till exempel är ett ljud med 3 dB och 5000 Hz hörbart, eftersom det ligger över 0-fonkurvan. Ljudstyrkakurvorna har alla en sänkning mellan cirka 2000 och 5000 Hz. Dessa dips innebär att örat är mest känsligt för frekvenser i det området. Till exempel har ett 15-dB-ljud vid 4000 Hz en ljudstyrka på 20 foner, dvs. samma som ett 20-dB-ljud vid 1000 Hz. Kurvorna stiger vid frekvensområdets båda ytterligheter, vilket tyder på att det krävs ett ljud med högre intensitetsnivå vid dessa frekvenser för att det ska uppfattas som lika högt som vid mellanfrekvenserna. Ett ljud vid 10 000 Hz måste till exempel ha en intensitetsnivå på 30 dB för att uppfattas som lika högt som ett 20 dB-ljud vid 1 000 Hz. Ljud över 120 phon är både smärtsamma och skadliga.

Vi utnyttjar ofta inte hela vårt hörselområde. Detta gäller särskilt frekvenser över 8000 Hz, som är sällsynta i miljön och som inte behövs för att förstå samtal eller uppskatta musik. Faktum är att personer som har förlorat förmågan att höra sådana höga frekvenser vanligtvis är omedvetna om sin förlust tills de testas. Det skuggade området i figur 3 är det frekvens- och intensitetsområde där de flesta samtalsljud faller. De böjda linjerna visar vilken effekt en hörselnedsättning på 40 och 60 phon har. En hörselnedsättning på 40 phon vid alla frekvenser gör det fortfarande möjligt för en person att förstå samtal, även om det kommer att verka mycket tyst. En person med en förlust på 60 phon vid alla frekvenser hör endast de lägsta frekvenserna och kan inte förstå tal om det inte är mycket högre än normalt. Även då kan talet verka otydligt, eftersom högre frekvenser inte uppfattas lika bra. Talregionen för konversationstal har också en könskomponent, eftersom kvinnoröster vanligtvis kännetecknas av högre frekvenser. Så personen med en hörselskada på 60 foner kan ha svårt att förstå en kvinnas normala samtal.

Höravstämningar utförs över ett frekvensområde, vanligen från 250 till 8000 Hz, och kan visas grafiskt i ett audiogram som det i figur 4. Hörtröskeln mäts i dB i förhållande till den normala tröskeln, så att normal hörsel registreras som 0 dB vid alla frekvenser. Hörselnedsättning orsakad av buller uppvisar vanligtvis en dipp nära frekvensen 4000 Hz, oavsett vilken frekvens som orsakade nedsättningen och påverkar ofta båda öronen. Den vanligaste formen av hörselnedsättning kommer med åldern och kallas presbycusis – bokstavligen äldre öra. En sådan förlust blir allt allvarligare vid högre frekvenser och stör musikuppfattning och taligenkänning.

Det yttre örat, eller hörselgången, transporterar ljudet till den försänkta skyddade trumhinnan. Luftpelaren i hörselgången resonerar och är delvis ansvarig för örats känslighet för ljud i intervallet 2000-5000 Hz. Mellanörat omvandlar ljudet till mekaniska vibrationer och överför dessa vibrationer till snäckan. Mellanörats hävstångssystem tar upp den kraft som utövas på trumhinnan av ljudtrycksvariationer, förstärker den och överför den till innerörat via det ovala fönstret, vilket skapar tryckvågor i snäckan som är ungefär 40 gånger större än de som träffar trumhinnan. (Se figur 6.) Två muskler i mellanörat (ej avbildade) skyddar innerörat från mycket intensiva ljud. De reagerar på intensivt ljud på några millisekunder och minskar den kraft som överförs till snäckan. Denna skyddsreaktion kan också utlösas av din egen röst, så att det till exempel kan minska bullerskador att nynna medan du skjuter med en pistol.

Figur 7 visar mellan- och innerörat mer detaljerat. Tryckvågor som rör sig genom cochlea får tectorialmembranet att vibrera och gnugga cilier (så kallade hårceller), som stimulerar nerver som skickar elektriska signaler till hjärnan. Membranet resonerar i olika positioner för olika frekvenser, där höga frekvenser stimulerar nerverna i den nära änden och låga frekvenser i den bortre änden. Man vet fortfarande inte hur snäckan fungerar, men flera mekanismer för att skicka information till hjärnan är inblandade. För ljud under cirka 1000 Hz skickar nerverna signaler med samma frekvens som ljudet. För frekvenser över cirka 1000 Hz signalerar nerverna frekvensen efter position. Det finns en struktur på cilierna, och det finns förbindelser mellan nervceller som utför signalbehandling innan informationen skickas till hjärnan. Information om intensitet indikeras delvis av antalet nervsignaler och av volymer av signaler. Hjärnan bearbetar de cochleära nervsignalerna för att ge ytterligare information, t.ex. källans riktning (baserat på tids- och intensitetsjämförelser av ljud från båda öronen). Behandling på högre nivå ger upphov till många nyanser, till exempel musikuppskattning.

Hörselnedsättning kan uppstå på grund av problem i mellan- eller innerörat. Konduktiva förluster i mellanörat kan delvis överbryggas genom att skicka ljudvibrationer till cochlea genom skallen. Hörapparater för detta ändamål trycker vanligtvis mot benet bakom örat, snarare än att bara förstärka ljudet som skickas in i hörselgången som många hörapparater gör. Skador på nerverna i snäckan kan inte repareras, men förstärkning kan delvis kompensera dem. Det finns en risk för att förstärkningen ger upphov till ytterligare skador. Ett annat vanligt fel i cochlea är skador på eller förlust av cilierna, men nerverna är fortfarande funktionella. Cochleaimplantat som stimulerar nerverna direkt är nu tillgängliga och allmänt accepterade. Över 100 000 implantat används, i ungefär lika många vuxna som barn.

Cochleaimplantatet var en pionjär i Melbourne, Australien, av Graeme Clark på 1970-talet för hans döva far. Implantatet består av tre externa komponenter och två interna komponenter. De externa komponenterna är en mikrofon för att fånga upp ljud och omvandla det till en elektrisk signal, en talprocessor för att välja vissa frekvenser och en sändare för att överföra signalen till de interna komponenterna genom elektromagnetisk induktion. De inre komponenterna består av en mottagare/sändare som sitter fast i benet under huden, som omvandlar signalerna till elektriska impulser och skickar dem via en inre kabel till cochlea och en rad av cirka 24 elektroder som är lindade genom cochlea. Dessa elektroder skickar i sin tur impulserna direkt till hjärnan. Elektroderna efterliknar i princip cilierna.

Avsnittssammanfattning

• Det hörbara frekvensområdet är 20 till 20 000 Hz.
• Ljud över 20 000 Hz är ultraljud, medan ljud under 20 Hz är infra-ljud.
• Upplevelsen av frekvens är tonhöjd.
• Upplevelsen av intensitet är ljudstyrka.
• Ljudstyrka har enheterna phon.

Glossar

ljudstyrka: uppfattningen av ljudets intensitet

timbre: antalet och den relativa intensiteten av flera ljudfrekvenser

nota: grundläggande enhet i musiken med specifika namn, som kombineras för att generera melodier

ton: antal och relativ intensitet av flera ljudfrekvenser

phon: den numeriska enheten för ljudstyrka

ultrasound: ljud över 20 000 Hz

infrasound: ljud under 20 Hz