Gehoor en akoestiek                                                                                                                                    <laatst bijgewerkt:  2016-01-06>
In het kort:  
Enkele eigenschappen van het menselijk gehoor en iets over akoestiek.

Verwante onderwerpen:   
Frequenties boven de gehoorgrens

De gevoeligheid van het menselijk oor

Maskering

Enkele conclusies:

Net waarneembare volume verschillen

Akoestiek in (concert) zalen

Mono opnemen en weergeven

Stereo opnemen en weergeven

Kunsthoofd stereofonie

Plaatsing

Afwijkingen aan het gehoor

 

Een aantal  gegevens en grafieken op deze pagina heb ik ontvangen van emeritus professor G. Govaerts van de Universiteit Leuven. Ze staan in zijn college dictaat 'Psychoakoestiek 2000'


De gevoeligheid van het menselijk oor

 

Het menselijk gehoor is niet voor alle frequenties (=toonhoogtes) even gevoelig. Bij nauwkeurige metingen aan het gehoor van zeer veel mensen met een gezond gehoor is o.m. het volgende vastgesteld:

In het algemeen horen we frequenties van zo'n 3 kHz het luidst. Bij een lager totaal volume horen we vooral lage tonen slechter, tot in het geheel niet meer, en ook de hoogste frequenties worden wat minder.

De onderstaande grafiek geeft aan hoeveel absoluut geluidsnivo (luchtdruk) nodig is om een geluids indruk van een bepaalde sterkte te veroorzaken. 

Geluidsdruk (Sound Pressure Level, SPL) is hier de technische grootheid van de luchtdruk-wisselingen. 

 fletch_muns.gif

Fig 1. De overbekende Fletcher - Munson krommes.

 

De horizontale as geeft de frequentie aan, de vertikale as is de geluidsdruk, de fysische grootheid.   

De golvende lijnen geven aan hoe sterk de geluidsdruk moet zijn om een gewaarwording van dezelfde luidheid te ervaren.

De onderste stippellijn geeft de gehoor drempel weer, het zwakste geluid dat een gezond menselijk oor kan waarnemen.

Het 0 dB nivo is vastgelegd als 0.2 nBar (nano Bar) of 20 uP (micro Pascal) bij 1 kHz. (1 Bar is ongeveer 1 atmosfeer, of 10 N / cm2)
Dat nivo komt overeen met een vermogens dichtheid van 1 pico-Watt per m2.

Het begrip "Foon" is ingevoerd als subjectieve maat voor de luidheid. Tonen met dezelfde Foon -waarde (eng: Phon) ervaren we even luid, alhoewel de geluidsdruk flink kan afwijken afhankelijk van de frequentie.

Je ziet dat we vooral lage frequenties pas kunnen horen als ze een flink SPL-nivo hebben. Je ziet ook dat als je de volume regelaar terugdraait er vooral een subjectief gebrek aan lage tonen ontstaat. Met een "fysiologische sterkte regeling" of de "loudness" knop op versterkers heeft men geprobeerd om hieraan tegemoet te komen.

De fysiologische sterkte regeling is vooral mislukt wegens calibratie problemen (je moet weten wat het oorspronkelijke nivo van de opname was)

De "loudness knop" is om commerciele redenen mislukt: Steevast wordt wel het laag opgehaald, maar het algemene sterkte nivo blijft hetzelfde. Alles gaat lekker vet klinken, maar het wordt niet zachter.

 


Maskering


Maskering is het verschijnsel dat als er twee geluiden tegelijk klinken het zwakkere geluid tenminste een bepaalde sterkte moet hebben om waarneembaar te zijn.

Het sterkere geluid noemen we de "maskeerder", het zwakkere geluid heet de "gemaskeerde".

In fig. 2 is de maskeerder een zuivere sinus toon van 1200 Hz, met een geluidssterkte van 80 dBa. De frequentie van de gemaskeerde werd gevarieerdvan 400 Hz tot 4000 Hz,en bij iedere frequentie werd er bepaald hoe sterk de gemaskeerde moet zijn om net waarneembaar te worden.

 mask_1.gif

Fig 2. Een geval van maskering door een zuivere sinus toon

Het blijkt dat frequenties dicht bij de maskeerder, maar ook dicht bij harmonischen van de maskeerder sterk gemaskeerd worden.

Bij frequenties nog dichter bij de maskeerder of diens harmonischen treden zwevingen op. Bij andere frequenties worden verschiltonen gehoord.

Frequenties lager dan de maskeerder worden aanzienlijk minder gemaskeerd dan hogere.

Alle frequenties tussen ca. 1000 Hz en 4000 Hz  (2 octaven) moeten (veel) sterker dan -40 dB t.o.v. de maskeerder zijn om waargenomen te kunnen worden.

 

Omdat er bij het meten met zuivere tonen nogal wat onregelmatigheid optreedt heeft men de metingen herhaald met smalbandige ruis als maskeerder.

 mask_2.gif

Fig 3. Maskeerpatronen in dB Spl voor een zuivere toon van 400 Hz (punten) en een 90 Hz breed ruisbandje (cirkels) met een middenfrequentie van 410 Hz, beide 80 dB SPL

We zien hier dat smalbandige ruis de frequenties in de buurt sterker maskeert dan de zuivere toon. Hogere frequenties worden wat minder sterk gemaskeerd.

Alle frequenties tussen ca. 280 Hz en 1200 Hz  (2 octaven) moeten (veel) sterker dan -50 dB t.o.v. de maskeerder zijn om waargenomen te kunnen worden.

 

Hieronder nog een aantal maskeer patronen. 

 Frequenties boven de gehoorgrensmoremasks.gif

Fig 4. Maskeer patronen bij diverse frequenties en sterktes van sinusvorminge maskeerders.


Enkele conclusies:


De bovenstaande grafieken geven aan dat zuivere sinus tonen de hogere frequenties met sterktes tussen -20 en -40 dB  maskeren. De maskering is sterker bij hogere geluidsnivo's.

Frequenties lager dan de maskeerder worden veel minder gemaskeerd, maar de meeste problemen met storende ruis, en vervorming spelen zich af bij frequenties die hoger zijn dan de aanwezige muziek-frequenties.

Als de maskeerder een smalbandige ruis is is de maskering nabij de maskeerder-frequentie sterker, maar verderop iets minder.

Alhoewel ik hier niet beschik over maskerings gegevens over de twee hoogste octaven van het frequentie bereik vermoed ik dat die niet erg sterk zullen afwijken.

Aangezien muziek in de meeste gevallen meer op een breedspectrum ruis lijkt dan op een zuivere sinus toon lijkt me de stelling gerechtvaardigd dat vervormingen, storingen en andere bijgeluiden die zo'n 50 dB zwakker zijn dan het momentane muziek signaal doorgaans niet waargenomen kunnen worden.

 

Natuurlijk zijn er in muziek vaak korte pauzes, of andere momenten met zeer zwak geluid. Op zulke momenten kan een bepaald additief nivo van ruis of storing als zodanig hoorbaar worden.

Vervorming (THD), modulatieruis bij magneetband weergave en de ruisbijdrage t.g.v. jitter in digitale systemen zijn echter proportioneel met het muzieksignaal. (zacht geluid = minder rommel)  Een uitzondering is de overneem-vervorming die juist bij een geringe uitsturing verhoudingsgewijs sterker wordt (als het er is).



Net waarneembare volume verschillen


De onderstaande tabel geeft de volume verschillen weer die nog net waargenomen kunnen worden door het menselijk gehoor.

Men heeft een groot aantal proefpersonen allerlei zuivere tonen laten horen, steeds twee keer dezelfe toon kort na elkaar, maar met een iets verschillend volume. De proefpersonen moesten aangeven of de eerste dan wel de tweede toon harder was. De tabel geeft aan welke verschillen nog net door 75% van de proefpersonen kon worden waargenomen.
Het blijkt dat het onderscheidings vermogen beter is bij een hoger volume, en ook bij frequenties tussen de 1000 en 4000 Hz. Bij lagere en hogere frequenties neemt het onderscheidings vermogen af, en bij zeer laag volume wordt het ook flink minder.

 

Just noticable differences of Intensity (JND-I)

 

Luidheid (dB)

Frequentie
5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110    
35 9.3 7.8 4.3 1.8 1.8                  
70 5.7 4.2 2.4 1.5 1.0 0.75 0.61 0.57            
200 4.7 3.4 1.2 1.2 0.86 0.68 0.53 0.45 0.41 0.41        
1000 3.0 2.3 1.5 1.0 0.72 0.53 0.41 0.33 0.29 0.29 0.25 0.25    
4000 2.5 1.7 0.97 0.68 0.49 0.41 0.29 0.25 0.25 0.21 0.21      
8000 4.0 2.8 1.5 0.9 0.68 0.61 0.53 0.49 0.45 0.41        
10000 4.7 3.3 1.7 1.1 0.86 0.75 0.68 0.61 0.57          

(tabel overgenomen uit "The Science of musical Sound")

 

Pas op met het interpreteren van deze gegevens. Eerstens, er staat luidheid, geen akoestisch vermogen of dBa. Zie de gevoeligheid van het gehoor
Er zijn verschillende meet methodes gebruikt in diverse onderzoeken. Bijv: Men liet de sterkte van de toon wat op-en-neer gaan, en de proefpersoon moest aangeven of  'ie een variatie waarnam of niet. Een andere methode was om de proefpersoon zelf het volume van 1 van de tonen te laten regelen, totdat 'ie vond dat het hetzelfde was.
Ik verwacht bovendien dat het JND afneemt naarmate de tijd tussen de twee tonen toeneemt, maar ik heb daar geen gegevens over.
Bedenk bovendien dat het hier om pure sinus tonen gaat in een laboratorium omgeving. Bij muzieksignalen, en als het tijdsverloop meer dan een handvol seconden is, moeten volume verschillen tenminste zo'n 2 dB bedragen om waarneembaar te zijn. 



Akoestiek in (concert) zalen

 

 

 

Fig 5. Geluids paden in een zaal.

(plaatje overgenomen uit "The Science of Musical Sound")

 

In een concertzaal (maar eigenlijk in iedere ruimte, of meestal ook in de open lucht) zijn er meerdere wegen waarlangs het geluid vanaf de bron naar de luisteraar komt.
Er is het directe geluid, via de kortste weg, maar er zijn ook reflecties via plafond en muren, en soms ook de vloer.

Omdat het geluid met een snelheid van ongeveer 330 meter per seconde gaat komt het gereflecteerde geluid later aan dan het directe geluid. Als dat tijdsverschil groot genoeg is hoor je de reflectie als een afzonderlijk geluid (echo). 
Ga maar eens voor een grote vlakke muur in de open lucht staan en klap in je handen. Als de muur dichter bij is dan zo'n 10 meter hoor je 1 enkel geluid. Als je meer dan 13 meter van de muur staat zul je een duidelijke echo horen. Het tijdsverschil is dan meer dan ca. 60 milliseconden.
In een concertzaal helpen de reflecties om het geluid van het orkest te versterken. Duidelijke echo's in een zaal zijn echter echter nogal onaangenaam. In een goede concertzaal zullen er reflecties met uiteenlopende echo-tijden zijn, en als al die reflecties ongeveer even sterk zijn en even snel uitsterven hoor je geen echo's maar alleen een galm. 
Een duidelijk voorbeeld van een poging om dat te bewerkstelligen vormen de kleine en de grote zaal van de Rotterdamse Doelen. De wanden bestaan voor een groot deel uit afwisselend rechte en schuine reflecterende vlakken, waardoor het geluid verstrooid wordt en via veel verschillende wegen bij de luisteraar komt. 
De galmtijd is een van de belangrijkste maten voor de akoestische kwaliteit van een zaal. Het is de tijd waarin de galm of nagalm 60 dB uitgedempt is.
In een kathedraal kun je galmtijden van 2 to 10 seconden verwachten. In een concertzaal ca. 2 seconden. In een zaal voor sprekers willen we niet meer dan zo'n 0.8 seconde omdat de verstaanbaarheid anders slecht wordt en in een bioscoop of een TV-studio liefst minder dan 0.5 seconde, omdat we daar in het geheel geen gewaarwording van de zaal-akoestiek willen.
Sommige muziek vormen maken uitdrukkelijk gebruik van een lange nagalm. In de Gregoriaanse kerkmuziek bijv. wordt eenstemmig gezongen. (unisono)  De op elkaar volgende tonen in de melodie gaan door de galm samenklinken en vormen dan redelijk welluidende accoorden.  

 

Naast tijdsverschillen tussen het directe en het indirecte geluid zijn er ook verschillen in volume en in klank. De reflectie is meestal zachter, maar ook de klank is vaak anders. Meestal zijn de hoogste tonen in de reflecties zwakker dan de middentonen. In de ene zaal is dat sterker dan in de andere, en daardor hebben sommige zalen een "harde" akoestiek en andere een "zachte" of soms "omfloerste" akoestiek.
De bouwmaterialen die in allerlei zalen gebruikt worden bepalen in hoge mate dit soort eigenschappen. 

In kleine zalen kan bij bepaalde lage tonen een resonantie van de zaal zelf optreden. Dit geeft meestal een onaangename basweergave.



Mono opnemen en weergeven

- in bewerking



Stereo opnemen en weergeven

- in bewerking



Kunsthoofd stereofonie


Kunsthoofd stereofonie is een manier van geluid opnemen waarbij twee microfoontjes in de "oren" van een kunsthoofd zijn aangebracht. Het materiaal van het kunsthoofd heeft akoestische eigenschappen die vergelijkbaar zijn met die van een echt menselijk hoofd.

Opnames volgens deze techniek geven een ongeloofelijk nauwkeurige ruimtelijke indruk. Het is echt alsof je er bij zit.  Helaas werkt het alleen maar met een hoofdtelefoon. Weergegeven via luidsprekers is het niet te genieten. 

 


Plaatsing

De mate waarin je in het geluidsbeeld de plaats van afzonderlijke instrumenten of stemmen kunt bepalen. We spreken over links/rechts plaatsing en over plaatsing in de diepte. Deze plaatsing is vrijwel volledig bepaald door de omstandigheden bij de opname en de mixage. Bij de apparatuur thuis hebben alleen (de afstraal eigenschappen van) de luidsprekers en de kamerakoestiek er invloed op. De elektronische apparaten (CD-spelers, versterkers) en zeker de kabels hebben geen effect op de ruimtelijkheid of de plaatsing. Hoe komt dat?
De stereo localisatie ontstaat door kleine tijdsverschillen, volume verschillen en ook klankverschillen tussen hetgeen het linker en het rechter oor waarnemen.
De ruimtelijkheid (gewaarwording van een grote of kleine ruimte) vindt z'n oorzaak in verschillen in looptijd, volume en klank van het directe geluid en het gereflecteerde geluid.

Bij stereo weergave is het de bedoeling dat de luisteraar zo goed mogelijk hoort wat 'ie in de concertzaal gehoord zou hebben (en dan liefst nog wel op de beste plek)
Nou gaat dat nogal moeizaam, want stel je maar voor dat je huiskamer een geluiddichte kist is die ergens in de concertzaal hangt, en waarin slechts twee openingen zitten (je luidsprekerkasten). Ik verzeker je dat dat niet echt goed klinkt.
In kringen van geluidstechnici is dan nog steeds veel discussie over de te prefereren microfoon opstellingen, om tegemoet te komen aan de "sleutelgat" effecten van de stereo luidsprekers.
In een zaal opstelling zie je heel vaak twee centrale microfoons op ca. 40 cm afstand midden voor het podium hangen, vaak met een staaf verbonden en iets uit elkaar schuin naar beneden wijzend. Deze microfoons geven de hoofdmoot van het geluidsbeeld.
De soms tientallen andere microfoons die boven het orkest hangen of er tussen in staan zijn z.g. steun microfoons en een goed geluidstechnicus zal die slechts spaarzaam gebruiken.

Een geheel ander verhaal zien we bij veruit de meeste opnames van jazz en populare muziek. Omdat zulke ensembles zelden een goede akoestische balans hebben (dus zonder elektronica) of Łberhaupt niet zonder versterking kunnen (vocalisten! ) wordt er meestal een z.g. close-miking techniek gebruikt.
Dat betekent dat de microfoons zo dicht mogelijk bij de betreffende instrumenten staan, niet zelden zijn de instrumenten zelfs gescheiden door geluiddempende schermen, en er wordt zo weinig mogelijk meegenomen van de zaalakoestiek c.q. men kiest een studio met een tamelijk dode akoestiek.
De "plaatsing" wordt hier geheel op de mixer bepaald, en de ruimtelijkheid komt van een apparaat dat een kunstmatige akoestiek levert. In het simpele geval wordt de plaatsing gegeven door het volume verschil waarmee een microfoon aan links/rechts doorgegeven wordt (pan). In een meer moderne en luxueuze digitale regietafel wordt waarschijnlijk ook iets met de looptijden gedaan.
Voor de ruimtelijkheid (zaal akoestiek, nagalm) wordt gebruik gemaakt van allerlei mogelijkheden om kunstmatig nagalm op te wekken.

Het is mij gebleken dat nogal wat Hifi hobbyisten de mate van "plaatsing" beschouwen als een van de beste graadmeters van de kwaliteit van de apparatuur. Helaas, ze luisteren voornamelijk naar wat de geluidstechnicus voor hen bedacht heeft, en zeker bij pop- en jazz is dat bijna altijd een nep-akoestiek. (Begrijp me niet verkeerd, het resultaat is vaak best wel aan te horen)
Het is wel zo dat naarmate je verschillen in opneemtechniek/kwaliteit van diverse opnames beter kunt horen, je weergeefspullen waarschijnlijk beter zijn. Dit is de strekking van het verhaal over luisterproeven waarop ik ook nog eens hoop terug te komen met een nederlandse samenvatting.


Afwijkingen aan het gehoor

Met het klimmen der jaren wordt bij de meesten onder ons de hoogste frequentie die we nog kunnen horen lager. Als je op je 60ste nog 12 kHz kunt horen mag je blij zijn. Het schijnt dat deze teruggang bij mannen sterker is dan bij vrouwen, maar die informatie heb ik uit slechts 1 bron.

De meest bekende en meest voorkomende gehoor problemen zijn die van doofheid voor een beperkt dan wel groot gebied aan frequenties, en het horen van tonen of frequenties die er eigenlijk niet zijn. Deze laatste kwaal staat bekend onder de naam "tinnitus" of "oorsuizen".

PartitiŽle doofheid, d.w.z. doofheid voor bepaalde frequentie gebieden, wordt nogal eens veroorzaakt door langdurige blootstelling aan te hoge geluidsnivo's. Berucht zijn sommige gereedschapswerktuigen zoals luchthamers, cirkelzaag, enz, maar ook frequent bezoek aan disco en pop-concerten met geluidsnivo's ver over de 100 dBa kan een aanzienlijke gehoorschade op veel te jonge leeftijd teweeg brengen. 

En niet te vergeten, de musici zelf. En niet alleen popmuzikanten. Bij het symfonie orkest zijn het nogal eens de alt-violisten die op het spreekuur van de audioloog komen; geen wonder, ze zitten in het orkest pal voor het koper. 

Eenmaal ontstane gehoorschade, hetzij spontaan, hetzij door aanwijsbare oorzaken, valt meestal niet te genezen.


De ARBO-wet (Arbeids omstandigheden) schrijft voor dat vanaf 80 dBa gehoorbeschermende maatregelen genomen moeten worden in de werksituatie.
Geluiden op een nog veel lager nivo worden door veel mensen als hinderlijk of zelfs als een psychische belastig ervaren. Vooral als de noodzaak van zulk geluid afwezig is. Te denken valt aan de popmuziek die gedurende de hele werkdag door productie ruimtes schalt, de muzak waarmee winkels en winkelstraten besproeid worden, en de klakkeloosheid waarmee mensen de boxen buiten zetten bij de barbecue.