Gehoor en techniek

Wat is de relatie tussen het menselijk gehoor en techniek en kun je die zomaar met elkaar vergelijken?

De techniek gaat juist over zaken die geen betrekking hebben op de mens. Los van de vraag of je een mens technisch kunt beschrijven, is het niet mogelijk om een universeel en allesomvattend model van het gehoor te maken omdat ieder mens uniek is. Een model zal daarmee altijd blijven steken bij een globale beschrijving dat alleen voldoet voor de gemiddelde luisteraar.

Je kunt dus vanuit de techniek niet op voorhand zeggen dat iets voor een specifiek individu wel of niet hoorbaar is, ook dat blijft steken bij een globale benadering in algemene zin.

Het gehoor kun je technisch proberen te beschrijven als een sensor die geluid opneemt (luchtdruk) en omzet naar elektrische signalen die verwerkt en beoordeelt worden (hersenen). Zolang het niet inhoudelijk gaat over het beoordelen, kun je met techniek een eind komen.

Om enkele voorbeelden te geven:
- Als het gehoor een geluid waarneemt, kan de locatie en richting ivan dat geluid n grote lijnen bepaalt worden door een tijdverschil en/of een nivo verschil tussen beide oren. Het interessante is dat bij frequenties tot ca. 2kHz de richtwerking voornamelijk bepaalt wordt door het tijdverschil en daarboven voornamelijk op nivo verschil. Daarnaast geldt dat onder de ca. 120Hz er nauwelijks een richting gedetecteerd kan worden .
- Het gehoor is gevoeliger voor de eerste impuls (of perioden) van een geluid dan voor de rest van dat geluid. In de eerste 30 milliseconde wordt een geluid 'beoordeelt' door de hersenen, op basis hiervan wordt onder andere de richting bepaalt. Wanneer er binnen die tijd echo's of andere geluiden bijkomen worden deze bij het oorspronkelijke signaal opgeteld en wordt dit als 1 signaal gehoord. Dit wordt ook het Haas-effect genoemd. Een (in)direct gevolg hiervan is dat elke beinvloeding van die eerste 'indruk' een niet getrouw beeld (positie) kan oproepen.
- In het spraak gebied (van ca. 300Hz tot 5kHz) is het gehoor op z'n gevoeligst. In dit gebied kunnen zeer kleine nuances in spraak en geluid gedetecteerd worden. Te denken valt bijvoorbeeld aan de grootte van een ruimte (echo's en volume), locatie van een plotseling geluid (volume en fase) of een verkouden persoon (invloed op bekende klank en frequentie).
Bijzonder hierin is het feit dat wat men hoort, eerst in de hersenen door een soort databank wordt gehaalt zodat er herkenning kan plaatsvinden. Zonder vulling en training van die databank is het moeilijker om verschillen of gebeurtenissen te (her)kennen.

Naar boven

Het gehoor en de invloed van amplitude verschillen

Dit is een van de eenvoudige onderwerpen over het gehoor. Het is duidelijk dat het menselijk gehoor gevoelig is voor amplitude (volume) verschillen. De mate van gevoeligheid kan per persoon iets verschillen.
Het gehoor is niet voor elke hoorbare frequentie even gevoelig, er is een gebied waarin het gehoor op z'n gevoeligst is. Dit gebied loopt ongeveer van 300Hz tot 5000Hz. Daarbuiten loopt de gevoeligheid terug. Zie ook het onderstaande figuur.
curve loudness Zoals te zien in dit figuur wordt de gevoeligheid uitgedrukt in dB (deci Bell). Dit is een verhouding gebaseerd op absolute geluidsdruk (in Pascal). Wanneer er gesproken wordt over een geluid intensiteit dan wordt hiermee de hoeveelheid energie bedoelt (W/m²).
In de praktijk zal er van een geluidsnivo worden gesproken uitgedrukt in dB of dB(SPL). Omdat het menselijk gehoor niet lineair is, kan dit ook worden uitgedrukt ten opzichte van het menselijk gehoor en wordt dit dB(A) of 'A-weging' genoemd. Het gehoor is niet lineair, voor lagere volumes is de gevoeligheid anders dan bij luidere volumes (zie bijvoorbeeld de curve 30 en 90). Daarnaast is het gehoor ook gevoelig voor maskering, als er een hele luide toon en een zachte toon gelijktijdig klinken, kan het zijn dat de zachte toon niet hoorbaar is.
Technisch gesproken is een verdubbeling van de luidheid een verhoging van 3dB, terwijl er gevoelsmatig een verhoging van 10dB moet zijn wil er een verdubbeling van de luidheid wordt waargenomen. Dit geldt niet voor elke frequentie, bijvoorbeeld onder de 100Hz gaat dit niet meer op.
Wat er mee aangetoond wordt is het feit dat je niet alles technisch 'een op een' kunt vergelijken, ook wordt er mee aangetoond dat wanneer iets technisch lineair is het nog niet als lineair wordt ervaren omdat het gehoor niet lineair werkt en gevoelig kan zijn voor maskering.
Voor de amplitude geldt in algemene zin dat een dynamisch bereik van 70dB voldoende is (daarbuiten gaan hele andere factoren meespelen: o.a. richting en vervormingen in het oor!). In absolute zin zijn volume verschillen van kleiner dan -0,5dB niet waarneembaar en verschillen van -1 a -1,5dB nog acceptabel.
Wanneer er 2 tonen gelijktijdig klinken en 1 toon is veel luider dan de andere en de 2e toon een volume heeft van -30dB of kleiner, deze 2e toon niet meer gehoord wordt (is getest onder veel omstandigheden). Hieruit volgt ook dat een (gelijktijdige) vervorming die lager is dan -30dB in amplitude ten opzichte van het originele signaal, deze niet meer hoorbaar is. (Onderzoek BBC in 1977: Factors in the design of loudspeaker cabinets).

Naar boven

Invloed van fase verschillen

De invloed die de fase van een signaal heeft is nog altijd een onderwerp van discussie. Ik zal mij daarom beperken tot enkele hoofdzaken.
Het begrip fase wordt wel eens verwisselt met vertraging. Dit is echter iets heel anders.
Met een fase verschuiving wordt bedoelt dat een signaal wel op hetzelfde moment aanwezig is maar met een andere (verschoven) waarde. Een vertraging houdt in dat het signaal juist later begint (tijd vertraging) maar met dezelfde vorm en waarde.
Voor verdere uitleg over vertraging, zie het volgende onderwerp vertragingen.
Zie het onderstaand figuur voor de onderlinge verschillen.
Het blauwe (bovenste) signaal is het orgineel. De middelste (rood) is 180 graden in fase verschoven (dit is hetzelfde als de + en - omdraaien!). In het onderste signaal (groen) is er een tijdvertraging aanwezig.
De vraag waar het uiteindelijk om draait is dan, zijn fase verschillen hoorbaar? Ja, fase verschillen zijn hoorbaar.
De mate waarin dit hoorbaar is, is minder duidelijk te beantwoorden. Het hangt af van de omstandigheden, maar over het algemeen zijn de hoorbare effecten van zeer minimaal tot matig waarneembaar.
In algemene zin komt dit overeen met allerlei studies en onderzoeken op het gebied van het gehoor, de werkelijke invloeden van fase verschillen zijn niet zo heel groot [noot 1] en [noot 2] maar wel aanwezig.
Het lijkt er dus op dat het menselijk gehoor wel onderscheid kan maken in de fase van een signaal (cq. de harmonischen ervan) maar dat de mate van gevoeligheid niet hoog is. Wat opvalt is dat bij sommige testen in de signalen onderling geen hoorbaar verschil zit, maar dat de overgang wel hoorbaar is! Dit is te verklaren door het Haas-effect (het 1e golf front is bepalend voor de rest).
Met test-signalen kan worden aangetoond dat wanneer de fase van harmonischen 90' of 180' wordt verschoven, dit hoorbaar is [noot 1].
Een neven-effect is dat door een fase verschuiving de (maximale) amplitude groter zou kunnen worden, met als gevolg dat de maximale uitslag en de vervorming toe kan nemen. Het hangt weer van diverse omstandigheden af of dit van invloed is en hoorbaar kan zijn. Er zijn testen met klik-geluiden waarbij kleine verschillen waarneembaar zijn.
De grens wat 'niet' meer hoorbaar is aan fase verschuiving is niet eenduidig te geven, als richtlijn is een waarde van 10 à 20 graden (frequentie afhankelijk!) een goed uitgangspunt.

Naar boven

Invloed van vertragingen

Het begrip vertraging is hierboven uitgelegd. Dit effect wordt voornamelijk veroorzaakt doordat bij een luidspreker de akoustische centra (mechanisch) niet exact boven elkaar liggen.
Een luidspreker unit straalt in principe af op de grens van de spreekspoel en de konus (is ook frequentie afhankelijk). Omdat bijvoorbeeld een tweeter en een woofer die recht boven elkaar gemonteerd zijn, de woofer verder naar achter steek, zal het akoustische centrum ook verder naar achteren gaan. De beide centra liggen dan niet meer recht boven elkaar met als gevolg dat het geluid uit de woofer 'later' arriveerd bij de luisteraar.
Dat roept de vraag op of dit hoorbaar kan zijn.
Als voorbeeld wordt een verticale afstand van 4 centimeter genomen tussen de akoustische centra (is realistisch), dan wordt de vertragingstijd ongeveer 0,18ms. Met een test signaal van 400Hz is er geen verschil te horen, maar bij 2kHz [noot 3] is het verschil hoorbaar als een zachter signaal; dus is er wel invloed.
In de praktijk is de verticale afstand ertussen en de kantelfrequentie van de naast elkaar liggende luidspreker units bepalend of dit hoorbaar kan zijn. Over het algemeen zou dit hoorbaar kunnen zijn omdat in het gebied rond de 2kHz er veel filters werken en een verticale afstand van 4 centimer een zeer realistische waarde is. Als het wissel filter juist is ontworpen, worden deze looptijden hierin gecompenseerd.

Naar boven

Gevolgen voor techniek

Als de relatie met de weergave techniek wordt gemaakt, zijn er vier zaken die van belang kunnen zijn: de speler, de bekabeling, de versterker en de luidspreker.
De speler, als we hiermee beginnen dan kunnen we stellen dat elke degelijke speler voldoet aan bovengenoemde punten en zal naar verwachting geen negatieve invloed hebben. Een speler geeft normaal gesproken alleen weer wat opgeslagen is op een bepaalt soort medium. Er kan een addertje onder het gras zitten: soms worden er scherpe filters gebruikt om een frequentie bereik te beperken, zoals in de cd-speler op 20kHz. Zulke filters kunnen fase fouten geven, echter hoeveel en of dit ook daadwerkelijk gehoord wordt is niet duidelijk aan te tonen.
De bekabeling, met name tussen de versterker en de luidsprekers, zou invloed kunnen hebben als deze te dun wordt gekozen (dempingsfactor gaat naar beneden). Maar over het algemeen zijn de invloeden nog relatief klein maar niet meer verwaarloosbaar. Zie ook mijn test van luidspreker snoeren.
De versterker zou een van de betere componenten moeten zijn, elke degelijke versterker voldoet aan bovengenoemde punten en zal naar verwachting geen negatieve invloed hebben. Een opmerking kan zijn dat filters het fase gedrag kunnen beinvloeden.
De luidspreker als laatste. Hier zijn de invloeden van amplitude en fase het grootst omdat bij meerdere afzonderlijke weergevers er altijd verschillen zitten in hun onderlinge specificaties. Een wisselfilter zal een scheiding in weergave bereik moeten maken en moet er voor zorgen dat de som van beide weergevers vlak en zonder fouten is. Hierbij is niet alleen die specificatie van de weergever van belang maar ook hoe deze gemonteerd is, zoals de onderlinge horizontale en verticale afstand ten opzichte van elkaar en de randen van de kast.

Naar boven

Samengevat

Samengevat mag er gesteld worden dat voornamelijk bij luidsprekers en in wisselfilters invloeden optreden door amplitude of fase veranderingen, deze kunnen groot genoeg zijn om hoorbaar te kunnen worden.
Mits goed ontworpen met technische middelen en ondersteund door een goede luistertest, zijn de gevolgen van amplitude en fase verschuiving niet zo groot, de onderlinge fase is in een (goed) weergave systeem redelijk constant en zal niet snel hoog oplopen.
Bij een goed luidspreker ontwerp is het dus van belang dat rondom het kantelpunt (liefst 2 octaven naar boven en onder) en in het 'spraak' gebied de onderlinge fase verschillen zo klein mogelijk zijn. In het spraak gebied (van ca. 300Hz tot 5kHz) is het gehoor het gevoeligst en zal daarin ook sneller afwijkingen kunnen detecteren.
Praktisch betekent het dat het gebruikte wisselfilter en de luidspreker-constructie de grootste invloeden veroorzaken. Als praktische grenswaarden moet je bij fase verschillen denken aan 30 graden of minder, voor amplitude verschillen is 1 a 1,5dB afwijking nog acceptabel.
Bij vertraging kan er ook invloed zijn, er zouden dan ook volume verschillen waargenomen worden. Hier is het van belang dat de akoustische centra van de luidsprekers precies boven elkaar liggen of dat het verschil in het wissel filter is gecompenseerd. Deze vertragingen zijn over het algemeen lastiger te compenseren.

Naar boven

Nog vragen?

Heb je vragen? Stuur een gerust een email.
Op de pagina contact vind je meer informatie en een contactformulier.

[1]: Voor de gebruikte test-signalen, zie de volgende signalen (mp3):
400Hz, even harmonischen 2-12, 0 en 180 graden,
400Hz, even harmonischen 2-12, 0 en 90 graden,
400Hz, oneven harmonischen 3-13, 0 en 180 graden,
400Hz, oneven harmonischen 3-13, 0 en 90 graden.
Gebruikt Excel bestand om signalen grafisch te berekenen: fase_en_harmonischen (download).
[2]: Referenties:
- Daisuke Koya, University of Miami: "Aural Phase Distortion Detection"
- S. Linkwitz, Linkwitz Labs: "phase distortion discussion"
- A. Hon / Prof. D.Wessel, University of Berkeley: "Audibility and Musical Understanding of Phase Distortion"
- AES, Audio Engineering Society, by S.P.Lipshitz, M .Pocock en J.Vanderkooy (Sept 1982): "On the Audibility of Midrange Phase Distortion in Audio Systems"
- AES, R.C.Mathes and R.L.Miller (1947), "Phase Effects in Monaural Perception"
- IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing (1980): J.R.Ashley, "Group and Phase Delay Requirements for Loudspeaker Systems"
- IEC 268-5, International Electrotechnical Commission, Geneve Zwitserland, Sound system equipment, Part 5: Loudspeakers.
- J. Blauert, Spatial Hearing: The Psychophysics of Human Sound Localisation; MIT Press Cambridge 1996.
- AES 19th international conference New York, Surround Sound, techniques, technology and perception by Günther Theile 2001.
[3]: Test signalen, voor vertragingen (mp3): 2000Hz, vertraging 0 en 118 microseconde.

Naar boven

Gehoor en techniek

Inleiding

Het menselijk gehoor