Richtinghoren

Richtinghoren – Geluid als structuurgever

Geluiden geven structuur aan de ruimte om ons heen, doordat we in staat zijn de afstand die geluiden tot ons hebben in te schatten en omdat we kunnen bepalen vanuit welke richting geluiden komen.
Aan de hand van de intensiteit van een geluid, door eventuele reflecties en het daaruit voortvloeiende frequentiespectrum, is de afstand tot een geluidsbron te bepalen. Voor het goed kunnen bepalen van de richting is het belangrijk dat we twee functionerende oren hebben.

Aan de hand van (kleine) tijd-, intensiteit-, fase en frequentieverschillen kunnen we bepalen uit welke richting een geluid komt:

  • Looptijdverschillen: Op het moment dat de oren zich op een ongelijke afstand van de geluidsbron bevinden, worden gelijke klanken met zeer kleine tijdverschillen aan de oren aangeboden.
  • Intensiteitsverschil: In het oor dat gericht is op geluidsbron is de intensiteit groter dan in het afgewende oor (hoofdschaduw)
  • Frequentieverschil: Bij hogere frequenties werkt het hoofd als geluidsscherm. De klank bereikt het afgewende oor met een ander frequentiespectrum.
  • Fasenverschillen: Bij het oor dat naar de geluidsbron toegericht is, zullen de pieken en dalen van het signaal op een gegeven ogenblik iets vroeger aankomen en wordt de toon in beide oren in fase verschoven waargenomen

Een goedhorende is in staat zeer kleine looptijdverschillen waar te nemen. Wanneer een geluid van recht van voren komt noemen we dit 0° (nul graden).Wanneer de geluidsbron schuin rechts voor ons bevindt, zoals afgebeeld in onderstaande figuur, komt het geluid eerder aan bij het rechteroor dan bij het linkeroor.

richting horen
In de figuur is de situatie getekend waar een kort geluid vanuit een hoek van 45°komt. Het hoofd is hierin als bol voorgesteld met een doorsnee van 18 cm en dus een straal van 9 cm (0.08 m). Het verschil tussen in weg dat het geluid moet afleggen is dan D1+D2.
D1= r . sin α = 0.09 . sin 45°= 0.0636 en D2= α /360. 2 π r = (45/360). 2π.0.09= 0.0707.
De som van D1 en D2 is dan: D1+D2=0.1343 m
Geluid plant zich met een snelheid voort van 340 m per seconde. Dit betekent dat het geluid 0.13/340 m = 0.0004 seconde eerder bij het linker oor is dan bij het rechter oor. Op grond van een dergelijk zeer klein tijdverschil zijn we al in staat te bepalen uit welke richting een geluid komt. Het grootste tijdverschil kan bereikt worden wanneer het geluid uit een hoek van 90 of 270 graden komt (pal van opzij). Komt het geluid recht van voren of recht van achteren dan is het tijdverschil gelijk, namelijk 0 seconden. Bij richtinghoorexperimenten waar er om de 45 graden een luidspreker is opgesteld en zowel voor als achter de proefpersoon luidsprekers staan, doen zich dan ook veel achter voorverwisselingen voor. In bovenstaande situatie is er sprake van een zeer kort geluid. Vaak wordt in dergelijke experimenten een toon gebruikt met een snelle stijgtijd (tijd die het duurt voordat het geluid zijn maximale amplitude bereikt). Wanneer zulke korte geluiden worden gebruikt speelt de frequentie geen rol. Wanneer er echter sprake is van een continu geluid, dus een geluid dat voortduurt, treed in het allereerste begin wel een tijdverschil tussen de oren op, maar dat duurt maar heel kort. Immers even later ontvangen beide oren het geluid. In een dergelijke situatie gaat de frequentie van het geluid een rol spelen. Geluid kunnen we zien als een golfverschijnsel met daarin bergen en dalen. Wanneer een geluid van opzij komt kan het zijn dat het ene oor een berg hoort en het andere een dal. Het faseverschil is dan 360 graden of te wel 2 π. Hoe snel de golven en dalen elkaar opvolgen is afhankelijk van de frequentie van het geluid. Als de frequentie 3000 Hz is zoals in onderstaande figuur, dan is de periode τ = 1/f = 1/3000=0.00033 seconde. De golven volgen elkaar in dat geval op met een tussen pose van 0.33 milliseconde. Bij een frequentie van 300 Hz is dat 3.3 milliseconde. Het geluid doet er 0.8 milliseconde erover om van de ene kant van het hoofd naar de andere kant te komen. Is er een berg aan het linkeroor veroorzaakt door een toon van 300 Hz, dan ontstaat de volgende berg 3.3 milliseconde later. Dit zal op een punt zijn dat ver voorbij het rechter oor ligt.

Het kan zich voordoen dat bij een bepaalde frequentie het faseverschil precies 180 graden is en dat golven en dalen in de oren elkaar afwisselen. Dat betekent dat bij het ene oor een berg is en bij het andere oor een dal en even later de situatie is omgekeerd. Ons oor kan helaas geen onderscheid maken tussen bergen en dalen. In deze situatie weten we niet meer welk oor nu eerst aan de beurt is. Dit doet zich voor bij 625 Hz. Is de periode kleiner dan 0.8 milliseconde zoals in het voorbeeld bij de toon van 3000 Hz dan is het faseverschil geen goede maatstaf voor het bepalen van de richting. Al vanaf 1250 Hz is de periode (1/1250) kleiner dan 0.8 ms en zijn faseverschillen alleen niet meer goed bruikbaar voor het bepalen van de richting. Gelukkig kunnen we bij de hogere frequenties van een ander verschil gebruik maken, namelijk van intensiteitsverschillen. Geluiden waarvan de golflengte kleiner is dan die van het object waar ze op af komen, kunnen niet meer om het object heen buigen en botsen er als het ware tegen aan. Zo kan er een geluidsschaduw achter het hoofd ontstaan en is de intensiteit bij het oor dat in de schaduw ligt kleiner. De golflengte van onze toon van 3000 Hz is te berekenen aan de hand van de volgende formule: λ=v/f , waarbij λ de golflengte, v de voortplantingssnelheid van geluid en f de frequentie is en λ is dus 340/3000 = 0.113 m = 11.3 cm. Omdat ons hoofd een diameter heeft van zo’n 18 cm veroorzaakt deze toon een hoofdschaduw. We kunnen zo ook uitrekenen bij welke frequentie er voor het eerst een hoofdschaduw gaat optreden: f = v / λ  f = 340 / 0,18 = 1889 Hz. Echter pas bij 3000 Hz is de hoofdschaduw sterk genoeg (zo’n 5 dB) om ons te helpen bij het richting horen.

Onze oorschelpen helpen ook nog enigszins bij het richting bepalen, wanneer een geluid langer aanhoudt en de stimulus van pal voor ons vandaan komt of juist pal van achteren, dan kunnen de oorschelpen behulpzaam zijn bij het richting bepalen, al blijft dit een moeilijke situatie. In de praktijk kunnen zijn we vrij om ons hoofd te bewegen zodat we dergelijke lastige situaties kunnen vergemakkelijken.
De schaduw van onze oorschelp verzwakt van achter komend hoog frequent geluid (vanaf ongeveer 2000 Hz).

In Nijmegen is door Hofman, van Rijswick en van Opstal een interessant experiment gedaan. Zij deden in de oorschelp een malletje dat het richting horen verstoorde. In het begin werden er veel fouten gemaakt, maar na enkele dagen herstelde het richtinghoren enigszins en verbeterde in de weken erna. Opvallend was dat de proefpersonen op een gegeven moment zowel met als zonder mallen konden lokaliseren. Dit betekent dat zowel oude als het nieuwe ‘richtinghoorprogramma’ in de hersenen is opgeslagen en naar gelieve kan worden gebruikt.
Ook blijken onze ogen van invloed op ons richtinghoren. Niet alleen helpen ze, maar trainen ook onze hersenen bij de reconstructie van de geluidsrichting. Onderzoekers van de afdeling Biofysica van de Katholieke Universiteit Nijmegen hebben dit aangetoond. Deze conclusies vegen het idee van tafel dat blinde mensen beter zouden kunnen richtinghoren dan zienden. De resultaten van dit onderzoek staan in het februarinummer (2003) van Nature Neuroscience. De grootte van ons hoofd heeft invloed op het geluid (zoals op de intenseits- en frequentieverschillen) en daarmee ook op het richtinghoren. Tijdens de groei verandert de omvang van ons hoofd en onze hersenen moeten dat meenemen in hun berekeningen. Algemeen wordt aangenomen dat de relatie tussen deze verschillen en de geluidsrichting wordt geleerd door ervaring. Het Nijmeegse onderzoek toont nu aan dat ook onze ogen hieraan bijdragen en de hersenen dus ‘leren’ richting te horen.
De ogen helpen onze hersenen zich aan te passen in een zich veranderende omgeving. Richtinghoren blijkt dus een continu leerproces. Hierdoor zijn wij in staat het richtinghoren aan te passen als onze ogen of oren verslechteren of juist verbeteren.
In het Nijmeegse onderzoek moesten proefpersonen gedurende drie dagen een sterk verkleinende bril dragen die bovendien het gezichtsveld versmalde. De experimenten vonden plaats in een volledig donker laboratorium, waarin de proefpersoon met een laser kon aangeven waar hij dacht dat zich een geluidsbron bevond. Het geluid werd door een robotarm naar onvoorspelbare posities gedirigeerd, waardoor voor vele richtingen de reacties konden worden gemeten. Het blijkt dat het vermogen tot richtinghoren van de proefpersonen zich na drie dagen had aangepast aan het veranderde gezichtsvermogen. Interessant is ook dat de veranderingen in het richtinghoren zich beperkten tot geluiden die afkomstig waren uit het sterk verkleinde gezichtsveld van de bril. Geluiden die uit richtingen kwamen die niet met de bril konden worden gezien, werden normaal gelokaliseerd. Nadat de bril weer was afgezet, herstelde de geluidslocalisatie zich weer binnen één tot enkele dagen tot het normale niveau. In een eerdere vergelijkende studie hebben de Nijmeegse onderzoekers al laten zien dat blinden aanzienlijk slechter presteren dan zienden bij het richtinghoren in een rumoerige omgeving. Deze onderzoeken tonen daarmee voor het eerst onomstotelijk aan dat goed kunnen zien belangrijk is om ook goed te kunnen richtinghoren.

 

Lees ook:
Richting bepalen en ruimtelijk horen: Starkey’s aanpak