HC10 -Akoestiek gehoor.pptx

# De structuur en functie van het oor Dit onderwerp behandelt de anatomie en akoestische functies van het buitenoor, middenoor en binnenoor, inclusief mechanismen voor geluidslokalisatie, resonantie en impedantieaanpassing. ## 1. Het buitenoor: Lokalisatie, geleiding en resonantie Het buitenoor, bestaande uit de oorschelp en de gehoorgang, vervult vier akoestische functies: ### 1.1 Lokalisatie De vorm van de oorschelp en de interactie met het hoofd creëren subtiele verschillen in de geluidsgolven die het oor bereiken. Deze verschillen, zoals buiging en de afgelegde weg, zijn cruciaal voor het bepalen van de richting waaruit geluid afkomstig is. ### 1.2 Geleidingsmechanisme De oorschelp en gehoorgang richten geluid efficiënt naar het trommelvlies. ### 1.3 Resonantieversterking De specifieke vorm van het buitenoor zorgt voor een natuurlijke versterking van bepaalde frequenties. ### 1.4 Kamfiltereffect Het buitenoor werkt als een kamfilter, waarbij sommige frequenties worden versterkt en andere worden verzwakt. ## 2. Het middenoor: De impedantieaanpasser en versterker Het middenoor bevat de gehoorbeentjes (malleus, incus en stapes) en speelt een sleutelrol bij het aanpassen van de akoestische impedantie tussen het luchtgevulde middenoor en het vloeistofgevulde binnenoor. ### 2.1 Impedantie en reflectie Lucht heeft een lagere impedantie ($Z_{lucht} \approx 415$ Rayl) dan de vloeistof in het binnenoor ($Z_{vloeistof} \approx 56 \times 10^3$ Rayl). Een groot verschil in impedantie leidt tot aanzienlijke geluidsreflectie. De reflectiefactor wordt gegeven door: $$ r = \left( \frac{Z_1 - Z_2}{Z_1 + Z_2} \right)^2 $$ Zonder aanpassingsmechanismen zou ongeveer 97% van het geluid worden gereflecteerd, wat resulteert in significant gehoorverlies. ### 2.2 Impedantie van het binnenoor De impedantie van het binnenoor wordt beïnvloed door: * **Resistieve component:** De stroperigheid van het vocht in het binnenoor zet trillingen om in warmte, wat bij alle frequenties remmend werkt. * **Reactieve componenten:** * **Stijfheid:** Het vloeibare medium is minder samendrukbaar dan lucht, wat een sterker effect heeft bij lage tonen. * **Massa-effect:** De traagheid van het medium heeft een sterker effect bij hoge tonen. ### 2.3 Oplossingen voor impedantieaanpassing Het middenoor gebruikt drie mechanismen om de geluidstransmissie te optimaliseren en reflectie te minimaliseren: #### 2.3.1 Oppervlakteverschil Het oppervlak van het trommelvlies is significant groter (ongeveer 17 keer) dan dat van het ovale venster (waar de stijgbeugel aanhecht). Dit oppervlakteverschil vergroot de druk die op de vloeistof in het binnenoor wordt uitgeoefend, wat resulteert in een drukversterking van ongeveer 25 dB. De relatie tussen druk ($p$), kracht ($F$) en oppervlak ($A$) is $p = F/A$. #### 2.3.2 Hefboommechanisme De gehoorbeentjes, met name de hamer en aambeeld, vormen een hefboom rond een rotatie-as. Dit mechanisme vergroot de kracht die op de stapes wordt uitgeoefend met een factor van ongeveer 1,3, wat een geluidsversterking van circa 2 dB oplevert. #### 2.3.3 Flexibiliteit van het trommelvlies De flexibiliteit van het trommelvlies zelf draagt bij aan de geluidsoverdracht. Een optimale flexibiliteit kan een versterking van een factor 2 (ongeveer 6 dB) geven. De combinatie van deze drie mechanismen resulteert in een totale geluidsversterking van ongeveer 33 dB, waardoor een efficiënte overdracht van geluid van lucht naar vloeistof mogelijk wordt gemaakt. ### 2.4 Bescherming tegen harde geluiden: De stapediusreflex Het middenoor biedt gedeeltelijke bescherming tegen te harde geluiden via de stapediusreflex. Wanneer een luid geluid het oor bereikt, trekt de stapediusspier samen, wat de beweging van de stapes remt en de geluidsdoorgifte met ongeveer 14 dB verzwakt. Deze reflex heeft echter een reactietijd van 60-120 milliseconden, waardoor het niet effectief is bij plotselinge, zeer luide geluiden, en gehoorschade nog steeds mogelijk is. ### 2.5 Problemen in het middenoor en hun impact Problemen in het middenoor, zoals ontstekingen of verkoudheid, kunnen de werking ervan negatief beïnvloeden: * **Vocht of ontsteking:** Dit kan de stijfheid van het middenoor verhogen (Compliantie $\downarrow$), waardoor de effectiviteit van de geluidstransmissie afneemt. * **Veranderde druk:** Een verstopte buis van Eustachius kan leiden tot drukverschillen, waardoor het trommelvlies minder mobiel wordt en de geluidstransmissie vermindert. * **Verminderde stapediusreflex:** Een minder goed functionerende stapediusreflex leidt tot minder bescherming tegen luide geluiden. Impedantie kan worden gedefinieerd als de weerstand tegen de doorgifte van geluid, terwijl compliantie de soepelheid of beweeglijkheid van structuren zoals het trommelvlies en de gehoorbeentjes aangeeft. ## 3. Het binnenoor: Frequentieanalyse en transductie Het binnenoor, met name de cochlea (slakkenhuis), is verantwoordelijk voor het omzetten van mechanische trillingen in neurale signalen en voor frequentiesegregatie. ### 3.1 De lopende golf en resonantie Geluidstrillingen die het ovale venster binnenkomen, creëren een lopende golf langs het basilair membraan van de cochlea. Dit membraan heeft een variabele dikte en spanning over zijn lengte. Elke zuivere toon veroorzaakt een maximale uitslag op een specifieke locatie van het basilair membraan, die correspondeert met de eigen resonantiefrequentie van dat deel van het membraan. ### 3.2 Locatie-specifieke frequentiedetectie * **Basis van de cochlea:** Hier is het basilair membraan dun en gespannen, wat leidt tot resonantie en maximale excitatie bij **hoge frequenties** (tot 20.000 Hz). * **Apex van de cochlea:** Hier is het basilair membraan dik en slap, wat resonantie en maximale excitatie veroorzaakt bij **lage frequenties** (vanaf 200 Hz). Dit principe maakt de cochlea tot een natuurlijke "filterbank" die geluidssignalen analyseert op frequentie. ### 3.3 Transductie naar neurale signalen De maximale uitslag op een bepaalde locatie van het basilair membraan stimuleert specifieke haarcellen. Deze haarcellen zetten de mechanische beweging om in elektrische signalen, die vervolgens via de gehoorzenuw naar de hersenen worden gestuurd voor verdere verwerking. ### 3.4 Het basilair membraan als filterbank Het basilair membraan gedraagt zich als een reeks parallelle banddoorlaatfilters. Elk deel van het membraan reageert selectief op een bepaald frequentiebereik. De hersenen ontvangen informatie over zowel frequentie als amplitude van deze gebieden, die samen een spectrogram van het geluid vormen. ## 4. Maskering: Onderdrukking van geluidssignalen Maskering treedt op wanneer een geluidssignaal (het signaal) wordt onderdrukt door de aanwezigheid van een ander geluid (het masker), waardoor de gehoordrempel voor het signaal wordt verhoogd. ### 4.1 Definitie van maskering Maskering is het proces waarbij de perceptie van een signaal wordt bemoeilijkt of onmogelijk gemaakt door een gelijktijdig (simultaan) of opeenvolgend (niet-simultaan) aanwezig masker. ### 4.2 Toepassingen van maskering * **Audiometrie:** Om het gehoor van één oor te testen zonder dat het andere oor meedoet. * **Studeren:** Om storende, zwakke geluiden te onderdrukken. * **MP3-opslag:** Om data te reduceren door alleen niet-gemaskeerde geluiden op te slaan. * **Spraakverstaanbaarheid:** Luide muziek op feesten kan spraak maskeren. ### 4.3 Simultane maskering Bij simultane maskering worden signaal en masker tegelijkertijd aangeboden. #### 4.3.1 Soorten ruis voor maskering * **Smalbandruis (Narrowband Noise, NBN):** Ruissignalen met een beperkte bandbreedte rond een centrale frequentie. Maskering is het sterkst wanneer de frequentie van het signaal dicht bij de centrale frequentie van de smalbandruis ligt. Echter, smalbandruis is vaak niet ideaal voor audiometrie omdat de drempelverschuiving niet uniform is over alle frequenties. * **Witte ruis:** Bevat alle hoorbare frequenties met gelijke spectrale dichtheid. Bij voldoende hoge intensiteit kan witte ruis de drempelverschil bijna onafhankelijk van de frequentie maken, maar bij lagere intensiteiten is de drempel nog steeds frequentieafhankelijk. * **Roze ruis:** Heeft een spectrale dichtheid die afneemt met toenemende frequentie (meestal 3 dB per octaaf). Met behulp van roze ruis kan een relatief constante drempelverschuiving over een breed frequentiebereik worden verkregen, wat het geschikt maakt voor audiometrische metingen. * **Uniforme maskeerruis (maskeerruis + roze ruis):** Een combinatie die streeft naar een uniforme drempelverschuiving over alle frequenties, met specifieke aanpassingen voor hogere frequenties. * **Zuivere toon:** Maskering met een zuivere toon is het sterkst in de buurt van die toon. Dit kan echter leiden tot zwevingen en verschiltonen, wat audiometrische metingen bemoeilijkt. ### 4.4 Kritieke banden De cochlea heeft ongeveer 24 "kritieke banden", die corresponderen met de minimale bandbreedte van ruis die nodig is om een toon volledig te maskeren. Alleen frequenties binnen de kritieke band van een geluid dragen significant bij aan de maskering ervan. De breedte van deze kritieke banden varieert met de frequentie; ze zijn smaller bij lage frequenties en breder bij hoge frequenties. #### 4.4.1 Berekening van de kritieke bandbreedte De kritieke bandbreedte ($\Delta f_c$) kan worden bepaald met behulp van de volgende relatie, gebaseerd op signaalvermogen ($P_S$), ruisvermogen ($P_N$) en spectrale ruisdichtheid ($N_0$): $$ P_N = N_0 \cdot \Delta f_c $$ Hieruit volgt dat $\Delta f_c = P_N / N_0$. In termen van geluidsdrukniveau (SPL) kan dit worden uitgedrukt als: $$ L_{SPL} - L_{N} = 10 \log_{10} \left( \frac{\Delta f_c}{\Delta f_{ref}} \right) $$ waarbij $L_{SPL}$ het SPL van het signaal is, $L_N$ het SPL van de ruis, en $\Delta f_{ref}$ een referentiebandbreedte (meestal 1 Hz). ### 4.5 Niet-simultane maskering Bij niet-simultane maskering wordt het masker voor of na het signaal aangeboden. * **Achterwaartse maskering:** Het masker komt *na* het signaal. De reactietijd van het auditieve systeem (ongeveer 5-20 ms) speelt hierbij een rol. Dit kan medeklinkers onduidelijker maken dan klinkers. * **Voorwaartse maskering:** Het masker komt *voor* het signaal. De "vervaltijd" van het auditieve systeem (ongeveer 100 ms) is hierbij relevant. ### 4.6 Auditieve vermoeidheid en gehoorverlies Blootstelling aan luide geluiden kan tijdelijke auditieve vermoeidheid veroorzaken, wat leidt tot een tijdelijke verlaging van de gehoordrempel en dus tijdelijk gehoorverlies. Dit herstelt zich normaal gesproken, maar langdurige of regelmatige blootstelling aan luide geluiden kan leiden tot permanent gehoorverlies doordat de gehoordrempel permanent verschuift. ## 5. Luidheid en geluidsdruk ### 5.1 Luidheid van geluiden De totale luidheid van meerdere geluidssignalen die in dezelfde kritieke band vallen, is niet simpelweg de som van hun individuele luidheden. * **Gelijke frequenties in fase:** Wanneer twee identieke geluiden met dezelfde frequentie en fase tegelijkertijd optreden, wordt de geluidsdruk geadditiveerd. Als $p_1$ en $p_2$ de effectieve geluidsdrukken zijn, dan is de totale geluidsdruk $p_t = p_1 + p_2$. De totale luidheid in dB wordt dan: $$ L_t = 20 \log_{10}(p_1 + p_2) $$ Als bijvoorbeeld twee 1000 Hz tonen van 40 dB SL (Sensational Level) worden gecombineerd, waarbij $p_1 = p_2 = 10^{40/20} = 100$ Pa, dan is $p_t = 100 + 100 = 200$ Pa, en $L_t = 20 \log_{10}(200) \approx 46$ dB SL. * **Verschillende frequenties in dezelfde kritieke band:** Wanneer geluiden met verschillende frequenties binnen dezelfde kritieke band optreden, wordt de geluidsdruk kwadratisch geadditiveerd (RMS-waarde). De totale geluidsdruk is dan $p_t = \sqrt{p_1^2 + p_2^2}$. De totale luidheid wordt berekend uit deze gecombineerde geluidsdruk. Als bijvoorbeeld een 1000 Hz toon van 60 dB SL ($p_1 = 10^{60/20} = 1000$ Pa) en een 1050 Hz toon van 60 dB SL ($p_2 = 10^{60/20} = 1000$ Pa) worden gecombineerd, dan is $p_t = \sqrt{1000^2 + 1000^2} = \sqrt{2 \times 1000^2} = 1000\sqrt{2} \approx 1414.21$ Pa. De totale luidheid is dan $L_t = 20 \log_{10}(1414.21) \approx 63$ dB SL. De formule voor het omzetten van geluidsdrukniveau ($L_{SPL}$) naar geluidsdruk ($p$) is $p = p_{ref} \cdot 10^{L_{SPL}/20}$, waarbij $p_{ref}$ de referentiegeluidsdruk is (meestal 20 $\mu$Pa voor lucht). In de context van SL is de referentiedrempel de hoorbaarheidsdrempel. --- # Akoestische principes van maskering Dit onderwerp verklaart het fenomeen maskering, waarbij een geluid de waarneming van een ander geluid onderdrukt. ### 2.1 Definitie en concept van maskering Maskering treedt op wanneer de gehoordrempel voor een bepaald geluid (het signaal) wordt verhoogd door de aanwezigheid van een ander geluid (het masker). Hierdoor wordt het signaal minder goed of helemaal niet meer gedetecteerd. De mate van maskering is afhankelijk van het geluidsdrukniveau van het masker. > **Tip:** Maskering is een fundamenteel concept in de audiologie, met name bij het uitvoeren van gehoortesten, maar heeft ook toepassingen in data-reductie en de analyse van spraakverstaanbaarheid. ### 2.2 Toepassingen van maskering De principes van maskering vinden diverse toepassingen: * **Toonaudiometrie:** Maskering wordt gebruikt om te voorkomen dat het geluid dat aan één oor wordt aangeboden, wordt waargenomen door het andere oor (overhoren). Dit zorgt ervoor dat de audiogramgegevens accuraat zijn voor elk afzonderlijk oor. * **Studie-omgevingen:** Zwakke omgevingsgeluiden, zoals een tikkende klok, kunnen gemaskeerd worden door achtergrondgeluid, waardoor ze minder storend zijn tijdens het studeren. * **MP3-opslag:** In digitale audio-compressie worden geluiden die door andere, luidere geluiden worden gemaskeerd, verwijderd of met lagere kwaliteit opgeslagen, wat resulteert in kleinere bestandsgroottes. * **Spraakverstaanbaarheid:** In lawaaierige omgevingen, zoals een feestje met luide muziek, kan de spraakverstaanbaarheid significant verminderd worden doordat de spraak wordt gemaskeerd door de achtergrondmuziek. ### 2.3 Soorten maskering op basis van tijd Maskering kan worden ingedeeld naar de temporele relatie tussen het signaal en het masker: #### 2.3.1 Simultane maskering Bij simultane maskering worden het signaal en het masker tegelijkertijd aangeboden. Dit is de meest voorkomende vorm van maskering die wordt toegepast bij audiometrische testen. #### 2.3.2 Niet-simultane maskering Niet-simultane maskering treedt op wanneer het masker niet tegelijkertijd met het signaal wordt aangeboden, maar er vlak voor of vlak na. ##### 2.3.2.1 Achterwaartse maskering Achterwaartse maskering vindt plaats wanneer het masker wordt aangeboden *na* het signaal. Er is een korte reactietijd van het auditieve systeem om het signaal nog waar te nemen, doorgaans tussen 5 en 20 milliseconden. * **Toepassing in spraak:** Medeklinkers kunnen minder duidelijk worden waargenomen dan klinkers, omdat de neurale en cognitieve verwerking van de daaropvolgende klinker voorrang kan krijgen en de medeklinker achterwaarts maskeert. Dit kan bijdragen aan de waarneming van assimilatie in spraak. ##### 2.3.2.2 Voorwaartse maskering Voorwaartse maskering treedt op wanneer het masker wordt aangeboden *voor* het signaal. Hierbij speelt de vervaltijd van het auditieve systeem een rol, die ongeveer 100 milliseconden kan duren voordat de auditieve perceptie van het signaal volledig is verdwenen. > **Tip:** Niet-simultane maskering kan leiden tot tijdelijke verlaging van de gehoordrempel, wat kan voelen als tijdelijk gehoorverlies na blootstelling aan luide geluiden. Dit herstelt zich normaliter binnen 24 uur, tenzij er sprake is van regelmatige blootstelling aan hoge geluidsniveaus, wat kan leiden tot permanent gehoorverlies. ### 2.4 Typen maskeerruis Verschillende typen ruis worden gebruikt voor maskering, elk met specifieke eigenschappen: #### 2.4.1 Smalbandruis (Narrowband Noise - NBN) Smalbandruis is gefilterde ruis met een beperkte bandbreedte rondom een centrale frequentie. * **Effect:** Maskering is het sterkst wanneer de frequentie van het signaal dicht bij de centrale frequentie van de smalbandruis ligt. Bij hogere tonen is het maskeringseffect groter. * **Beperking:** Smalbandruis is niet ideaal voor audiometrie omdat de maskering niet uniform is over alle frequenties. Lage tonen in het masker maskeren hogere tonen gemakkelijker, en de gehoordrempel is niet constant over het gehele frequentiespectrum. #### 2.4.2 Witte ruis (Broadband Noise) Witte ruis bevat gelijke energie per frequentie-eenheid. * **Effect:** Bij intensieve witte ruis (hoge spectrale dichtheid $N_0$) wordt de gehoordrempel minder afhankelijk van de frequentie. Echter, bij lagere intensiteiten van witte ruis is de drempel nog steeds frequentieafhankelijk. * **Beperking:** Witte ruis is ook niet ideaal voor audiometrie omdat de gehoordrempel bij lagere intensiteiten sterk frequentieafhankelijk is, wat leidt tot een helling in de gehoordrempelcurve, vooral bij hogere frequenties (ongeveer 3 dB per octaaf). #### 2.4.3 Roze ruis (Pink Noise) Roze ruis heeft gelijke energie per octaaf. Dit resulteert in een spectrale dichtheid die met 3 dB per octaaf afneemt met toenemende frequentie. * **Effect:** Wanneer witte ruis wordt gecombineerd met roze ruis, of wanneer roze ruis op zichzelf wordt gebruikt, kan de gehoordrempel constant worden gemaakt over een breed frequentiebereik. * Voor frequenties groter dan 500 Hz zorgt een correctie van 3 dB per octaaf ervoor dat de drempelverschuiving constant is. * Hogere tonen, die moeilijker gemaskeerd worden, vereisen meer maskering. * Lagere tonen worden niet of nauwelijks beïnvloed. * **Voordeel:** Roze ruis zorgt voor een uniforme maskering over een breed frequentiespectrum, waardoor het zeer geschikt is voor audiometrische testen. #### 2.4.4 Zuivere toon als masker Het is ook mogelijk om een zuivere toon te gebruiken als masker. * **Effect:** Maskering is het sterkst wanneer de frequentie van het masker dicht bij die van het signaal ligt. * **Beperking:** Wanneer twee tonen dicht bij elkaar liggen, kunnen zwevingen en verschiltonen ontstaan, wat de maskering en de nauwkeurigheid van audiometrische testen kan bemoeilijken. ### 2.5 Kritieke banden Het concept van kritieke banden is essentieel voor het begrijpen van hoe geluiden worden verwerkt in het slakkenhuis. * **Definitie:** Een kritieke band is de minimale bandbreedte van ruis rondom een bepaalde frequentie waarbinnen alle ruis bijdraagt aan de maskering van een toon op die frequentie. Wanneer de bandbreedte kleiner is dan de kritieke band, neemt de maskering af. * **Functie:** Het basilair membraan in het slakkenhuis kan worden gezien als een filterbank met ongeveer 24 kritieke banden. Deze banden zijn cruciaal voor de frequentieselectiviteit van het gehoor, waardoor we verschillende tonen van elkaar kunnen onderscheiden. > **Tip:** De grootte van de kritieke band is afhankelijk van de frequentie. Bij hogere frequenties zijn de kritieke banden breder. ### 2.6 Akoestische principes bij optelling van geluiden De waargenomen luidheid van meerdere geluiden hangt af van hun frequenties en of ze binnen dezelfde kritieke band vallen. * **Gelijke frequenties en in fase:** Wanneer meerdere geluiden met dezelfde frequentie en in fase worden aangeboden, is de resulterende geluidsdruk simpelweg de som van de individuele geluidsdrukken. Dit leidt tot een toename in de luidheid (bv. twee identieke tonen van 40 dB SL geven samen 46 dB SL). $$ p_t = p_1 \text{ rms} + p_2 \text{ rms} $$ $$ L_t = 20 \log(p_t) $$ * **Verschillende frequenties:** Wanneer geluiden verschillende frequenties hebben, worden hun geluidsdrukken eerst gekwadrateerd, opgeteld en vervolgens wordt de wortel genomen (rms-waarde). $$ p_t = \sqrt{p_1 \text{ rms}^2 + p_2 \text{ rms}^2} $$ $$ L_t = 20 \log(p_t) $$ * **Binnen kritieke band:** Als meerdere geluiden binnen dezelfde kritieke band vallen, draagt hun totale energie bij aan de maskering. De berekening van de totale luidheid wordt complexer, maar het effect is groter dan wanneer ze zich in verschillende kritieke banden zouden bevinden. Buiten de kritieke band wordt de berekening minder lineair en is de totale luidheid lager dan de som van individuele luidheden. > **Voorbeeld:** Het optellen van twee geluiden van 60 dB SL op 1000 Hz en 1050 Hz, die waarschijnlijk binnen dezelfde kritieke band vallen, zal resulteren in een hogere gecombineerde luidheid dan wanneer deze in volledig gescheiden kritieke banden zouden liggen. --- # Toepassingen en berekeningen in audiologie Hieronder volgt een gedetailleerde samenvatting over toepassingen en berekeningen in audiologie, opgesteld als een examenstudiehandleiding. ## 3. Toepassingen en berekeningen in audiologie Dit deel behandelt praktische audiologische toepassingen zoals het toonaudiogram, het concept van 'Hearing Level' (HL) in plaats van 'Sound Pressure Level' (SPL), en illustreert berekeningen gerelateerd aan geluidsdruk en luidheid in diverse scenario's. ### 3.1 Het toonaudiogram en gehoorniveau #### 3.1.1 Het concept van 'Hearing Level' (HL) Het toonaudiogram is een essentieel instrument in de audiologie om de gehoorgevoeligheid van een persoon in kaart te brengen. In plaats van gebruik te maken van de objectieve meting van geluidsdruk, uitgedrukt in Sound Pressure Level (SPL), hanteert men in audiometrie het concept van 'Hearing Level' (HL). * **Sound Pressure Level (SPL):** Dit is een absolute meting van de druk die een geluidsgolf uitoefent op een medium, uitgedrukt in decibels (dB). Het SPL geeft de fysieke intensiteit van het geluid weer. * **Hearing Level (HL):** Dit is een relatieve maat die aangeeft hoeveel geluid een persoon moet horen om het te detecteren, vergeleken met een referentiedrempel van een normaalhorend persoon. De referentiedrempel van een normaalhorend persoon wordt gedefinieerd als $0$ dB HL. Dit betekent dat $0$ dB HL niet overeenkomt met stilte, maar met de zachtste geluiden die een persoon met een optimaal gehoor kan waarnemen bij specifieke frequenties. **Voordelen van HL ten opzichte van SPL in audiometrie:** * **Gestandaardiseerde vergelijking:** HL maakt het mogelijk om de gehoorgevoeligheid van verschillende personen te vergelijken, ongeacht kleine variaties in de kalibratie van apparatuur. * **Klinische relevantie:** Het geeft direct weer hoe "verstoord" iemands gehoor is in vergelijking met het gemiddelde. Een afwijking van $0$ dB HL duidt op een normaal gehoor, terwijl hogere waarden duiden op gehoorverlies. #### 3.1.2 De gehoordrempel en gevoeligheidsgebied Het gevoeligheidsgebied van het gehoor wordt weergegeven door de gehoordrempel. * **Normale gehoordrempel:** De laagste lijn op een gehoorcurve, die de zachtste geluiden vertegenwoordigt die een normaalhorend persoon kan waarnemen, wordt gedefinieerd als $0$ dB HL. * **Gehoorverlies:** Wanneer iemand geluiden moet horen die luider zijn dan $0$ dB HL om ze te detecteren, spreekt men van gehoorverlies. Een gehoordrempel van bijvoorbeeld $40$ dB HL betekent dat de persoon $40$ decibel meer geluidsdruk nodig heeft om een toon te horen dan een normaalhorende persoon. ### 3.2 Berekeningen gerelateerd aan geluidsdruk en luidheid De akoestiek van het oor, inclusief het middenoor en binnenoor, is complex en omvat diverse mechanismen die bijdragen aan de geluidsverwerking. De luidheid van geluid kan worden gekwantificeerd met behulp van verschillende berekeningen, met name wanneer het gaat om het optellen van geluidsdrukken of het begrijpen van maskeringseffecten. #### 3.2.1 Optellen van geluidsdrukken Wanneer er meerdere geluidsbronnen tegelijkertijd aanwezig zijn, of wanneer geluidsgolven met verschillende frequenties elkaar overlappen, is het optellen van de afzonderlijke geluidsdrukken niet lineair, zeker niet wanneer ze in fase zijn of niet. * **Gelijke frequenties, in fase:** Als twee identieke geluidsgolven met dezelfde frequentie en amplitude in fase zijn, dan wordt de totale geluidsdruk de som van de individuele drukken. Als de geluidsdruk van één bron $p_1$ is, en van een tweede identieke bron $p_2$ (dus $p_1 = p_2$), dan is de totale geluidsdruk $p_t = p_1 + p_2$. In termen van geluidsdrukniveau (SPL) resulteert dit in een verhoging van $6$ dB. * Formule: $$L_t = 20 \log_{10}(p_t)$$ met $p_t = p_1 + p_2$ voor gelijke signalen in fase. * Voorbeeld: Als $1000$ Hz op $40$ dB SL ($p_1 = 10^{40/20}$ Pa) en nogmaals $1000$ Hz op $40$ dB SL ($p_2 = 10^{40/20}$ Pa) worden aangeboden, dan is $p_t = 100 + 100 = 200$ Pa. De totale luidheid is dan $L_t = 20 \log_{10}(200) \approx 46$ dB SL. * **Verschillende frequenties:** Wanneer geluidsgolven met verschillende frequenties optreden, kan de totale geluidsdruk worden berekend met behulp van de wortel uit de som van de kwadraten van de individuele geluidsdrukniveaus (rms-waarden), gevolgd door de omzetting naar decibellen. Dit is gebaseerd op de stelling dat geluidsenergie optelt. * Formule: $$L_t = 20 \log_{10}\left(\sqrt{p_1^2 + p_2^2 + \dots}\right)$$ of equivalent: $$L_t = 10 \log_{10}(10^{L_1/10} + 10^{L_2/10} + \dots)$$ waarbij $L_1$ en $L_2$ de geluidsdrukniveaus zijn in dB SPL. * Voorbeeld: Als $1000$ Hz op $60$ dB SL ($p_1$) en $1050$ Hz op $60$ dB SL ($p_2$) worden aangeboden, en deze frequenties bevinden zich buiten elkaars kritieke band, dan berekenen we eerst de druk: $p_1 = 10^{60/20}$ Pa en $p_2 = 10^{60/20}$ Pa. De totale druk is $p_t = \sqrt{p_1^2 + p_2^2} \approx 1414.21$ Pa. De totale luidheid is dan $L_t = 20 \log_{10}(1414.21) \approx 63$ dB SL. #### 3.2.2 Maskering en kritieke banden Maskering treedt op wanneer het horen van een geluid (het signaal) wordt bemoeilijkt of verhinderd door de aanwezigheid van een ander geluid (het masker). Dit principe is cruciaal bij gehoortesten om te voorkomen dat het geluid dat in het ene oor wordt getest, via de schedel hoorbaar wordt in het andere oor. ##### 3.2.2.1 Maskering met ruis * **Definitie:** Maskering is het verschuiven van de gehoordrempel voor een signaal door de gelijktijdige aanbieding van een ander geluid (maskeerruis). De intensiteit van het masker bepaalt hoe sterk de drempelverschuiving is. * **Soorten ruis voor maskering:** * **Smalbandruis (Narrowband Noise - NBN):** Dit is ruis die is gefilterd tot een beperkte bandbreedte rond een bepaalde middenfrequentie (bijvoorbeeld $1/3$ octaaf). Het maskeringseffect is het sterkst wanneer de frequentie van het signaal dicht bij de middenfrequentie van de smalbandruis ligt. Echter, smalbandruis is niet ideaal voor audiometrie omdat het maskeringseffect niet uniform is over alle frequenties en de drempelverschuiving voornamelijk plaatsvindt rond de middenfrequentie en sterker is bij hogere tonen. * **Witte ruis (White Noise):** Dit is ruis met een constante spectrale energiedichtheid over een breed frequentiebereik. Bij hoge intensiteiten (hoge spectrale dichtheid, $N_0$) wordt de drempelverschuiving nagenoeg onafhankelijk van de frequentie. Echter, bij lagere intensiteiten is witte ruis nog steeds frequentieafhankelijk en daardoor niet optimaal voor audiometrie. * **Roze ruis (Pink Noise):** Dit is ruis met een spectrale energiedichtheid die omgekeerd evenredig is met de frequentie (een daling van $3$ dB per octaaf). Wanneer roze ruis wordt gebruikt als masker, wordt een constante drempelverschuiving bereikt over een breed frequentiebereik. Dit maakt roze ruis geschikt voor audiometrische metingen. De effectieve maskering is constant voor alle frequenties. * **Berekening van de drempelverschuiving met roze ruis:** Wanneer een masker met roze ruis op $40$ dB wordt aangeboden, ligt de gehoordrempel voor het signaal op $40$ dB HL, onafhankelijk van de frequentie. ##### 3.2.2.2 Kritieke banden Het concept van kritieke banden is essentieel voor het begrijpen van maskering en de perceptie van luidheid. Een kritieke band is een frequentiebereik binnen het gehoorsysteem (met name op het basilair membraan) waarbinnen geluiden bijdragen aan de maskering van een centraal signaal. Geluiden die buiten de kritieke band van het signaal vallen, dragen minder of niet bij aan de maskering. * **Definitie:** De kritieke bandbreedte, $\Delta f_c$, vertegenwoordigt de bandbreedte van ruis die dezelfde maskering veroorzaakt als een zuivere toon van een specifieke intensiteit. Binnen deze band dragen alle frequenties bij aan de maskering. Buiten deze band neemt het maskeringseffect af. * **Berekening van de kritieke bandbreedte:** De kritieke bandbreedte kan worden berekend aan de hand van de relatie tussen het signaalvermogen ($P_S$), het ruisvermogen ($P_N$), en de spectrale ruisdichtheid ($N_0$). * Formule: $$P_N = N_0 \cdot \Delta f_c$$ Het maskeringseffect is gelijk tot de bandbreedte kleiner wordt dan deze kritieke waarde. * Een veelgebruikte formule, gerelateerd aan geluidsintensiteitsniveaus, is: $$L_S - L_N = 10 \log_{10}(\Delta f_c / \Delta f_{ref})$$ waarbij $L_S$ het geluidsdrukniveau van het signaal is, $L_N$ het spectrale ruisdichtheidsniveau (in dB/Hz) van de ruis is, $\Delta f_c$ de kritieke bandbreedte is, en $\Delta f_{ref}$ een referentiebandbreedte (vaak $1$ Hz). * **Voorbeeld:** Stel, een toon op $1000$ Hz en $58$ dB SPL wordt gemaskeerd door witte ruis met een spectrale dichtheid van $40$ dB SPL/Hz. De kritieke bandbreedte $\Delta f_c$ kan als volgt worden berekend: $58 \text{ dB SPL} - 40 \text{ dB SPL/Hz} = 10 \log_{10}(\Delta f_c / 1 \text{ Hz})$ $18 \text{ dB} = 10 \log_{10}(\Delta f_c)$ $10^{18/10} = \Delta f_c$ $\Delta f_c \approx 63.1$ Hz. De kritieke bandbreedte is dus ongeveer $63$ Hz. #### 3.2.3 Overige akoestische mechanismen in het oor * **Geleidingsmechanisme:** De oorschelp en gehoorgang spelen een rol in het richten van geluidstrillingen naar het trommelvlies. * **Resonantieversterking:** De vorm van de gehoorgang zorgt voor een natuurlijke versterking van bepaalde frequenties. * **Kamfiltereffect:** De structuur van de oorschelp kan leiden tot een kamfiltereffect, waarbij specifieke frequenties worden versterkt en andere worden verzwakt. * **Middenoorversterking:** Het middenoor, met de gehoorbeentjes (hamer, aambeeld, stijgbeugel), functioneert als een versterkingsmechanisme. Dit is cruciaal om de impedantieovergang van lucht (buiten- en middenoor) naar vloeistof (binnenoor) te overbruggen en significante reflectie te minimaliseren. Drie mechanismen dragen hieraan bij: 1. **Oppervlakteverschil:** Het trommelvlies heeft een groter oppervlak dan het ovale venster ($~17$ keer). Dit leidt tot een drukvergroting van circa $25$ dB. 2. **Hefboommechanisme:** De gehoorbeentjes vormen een hefboom die de krachtoverdracht versterkt (ongeveer $2$ dB). 3. **Flexibiliteit van het trommelvlies:** De buiging van het trommelvlies kan bijdragen aan de versterking (ongeveer $6$ dB). De gecombineerde versterking kan oplopen tot circa $33$ dB. * **Akoestische reflex (stapediusreflex):** De spieren in het middenoor (m. stapedius en m. tensor tympani) kunnen samentrekken bij luide geluiden om de geluidsintensiteit te verminderen en het binnenoor te beschermen. Deze reflex, met een reactietijd van $60-120$ ms, kan de geluidsoverdracht met ongeveer $14$ dB verzwakken. Het is echter niet snel genoeg om plotselinge, harde geluiden volledig te dempen, waardoor gehoorschade nog steeds mogelijk is. * **Impedantie van het binnenoor:** De impedantie van het binnenoor wordt beïnvloed door de weerstand van het vocht (resistieve component), de stijfheid van de vloeistof (reactieve component, belangrijk bij lage tonen), en de massa van de vloeistof (massa-effect, sterk bij hoge tonen). * **Binnenoor (slakkenhuis):** Het basilair membraan in het slakkenhuis is tonotopisch georganiseerd: dikkere delen aan de apex reageren op lage frequenties, terwijl dunnere delen aan de basis reageren op hoge frequenties. Dit functioneert als een filterbank die frequentie- en amplitudeninformatie analyseert en doorgeeft aan de hersenen. #### 3.2.4 Maskering in de praktijk * **Spraak:** Maskering speelt een rol in spraakperceptie. Bijvoorbeeld, medeklinkers kunnen minder duidelijk worden waargenomen dan klinkers door maskering, met name door de neurale en cognitieve verwerking van de daaropvolgende klinker (assimilatie). * **Niet-simultane maskering:** * **Achterwaartse maskering:** Het masker wordt *na* het signaal aangeboden. Dit is relevant voor de verwerkingstijd van het auditieve systeem. * **Voorwaartse maskering:** Het masker wordt *voor* het signaal aangeboden. Dit houdt rekening met de vervaltijd van het auditieve systeem (ongeveer $100$ ms). * **Auditieve vermoeidheid:** Blootstelling aan luide geluiden kan leiden tot een tijdelijke verlaging van de gehoordrempel (tijdelijk gehoorverlies). Als deze blootstelling chronisch is, kan dit leiden tot permanente gehoorschade en een blijvend verlaagde gehoordrempel. ### 3.3 Toepassingen van maskering * **Toonaudiometrie:** Maskering is essentieel om de gehoordrempel van één oor nauwkeurig te meten zonder dat het geluid van het andere oor wordt gehoord. * **Studeren:** Zwakke omgevingsgeluiden kunnen gemaskeerd worden door een aangename achtergrondruis, waardoor ze minder storend zijn. * **MP3-opslag:** Data kan worden gecomprimeerd door informatie te verwijderen die gemaskeerd wordt door andere geluiden en daardoor niet hoorbaar is. * **Communicatie in rumoerige omgevingen:** Het vermogen om spraak te verstaan in luide omgevingen wordt beïnvloed door maskering. > **Tip:** Begrijp het verschil tussen SPL en HL grondig. HL is de klinisch relevante maat in audiologie die aangeeft hoe het gehoor van een persoon afwijkt van een norm. > **Tip:** Bij het optellen van geluidsniveaus, onthoud dat decibels logaritmisch zijn. Een verdubbeling van de geluidsdruk (bij dezelfde frequentie en in fase) resulteert in een toename van $6$ dB, terwijl een verviervoudiging van de druk een toename van $12$ dB oplevert. Dit is anders dan bij niet-lineaire optelling (verschillende frequenties of niet in fase), waar de wortel uit de som van de kwadraten wordt gebruikt. > **Tip:** Roze ruis is de voorkeurskeuze voor het maskeren in standaard audiometrie, omdat het een uniforme drempelverschuiving over frequenties biedt. --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Akoestiek | De wetenschap die zich bezighoudt met geluid, de productie, overdracht, waarneming en effecten ervan. | | Lokalisatie | Het vermogen om de richting van waaruit een geluid komt te bepalen, wat beïnvloed wordt door het oor en het hoofd. | | Resonantie | Het natuurlijke versterken van geluid wanneer de frequentie van het geluid overeenkomt met de natuurlijke frequentie van een object of systeem. | | Kamfilter | Een akoestisch effect waarbij bepaalde frequenties worden versterkt en andere worden onderdrukt, veroorzaakt door de vorm van het buitenoor. | | Trommelvlies | Een dun membraan dat de gehoorgang afsluit en de geluidsgolven opvangt, die het vervolgens omzet in mechanische trillingen. | | Gehoorbeentjes | De drie kleine botjes in het middenoor (hamer, aambeeld, stijgbeugel) die de trillingen van het trommelvlies versterken en doorgeven aan het binnenoor. | | Impedantie | De weerstand tegen de doorgifte van geluid. Een groot verschil in impedantie tussen twee media leidt tot meer reflectie van geluid. | | Binnenoor (Slakkenhuis) | Het deel van het oor waar de mechanische trillingen worden omgezet in elektrische signalen die via de gehoorzenuw naar de hersenen worden gestuurd voor interpretatie. | | Basilair membraan | Een flexibel membraan in het slakkenhuis dat resoneert met specifieke frequenties, waarbij dikkere delen lage tonen en dunnere delen hoge tonen verwerken. | | Gehoorzenuw | De zenuw die de elektrische signalen van het binnenoor naar de hersenen transporteert, waar ze worden geïnterpreteerd als geluid. | | Maskering | Het fenomeen waarbij de waarneming van een bepaald geluid (signaal) wordt onderdrukt door een ander geluid (masker), waardoor de gehoordrempel voor het signaal verhoogd wordt. | | Toonaudiogram | Een grafische weergave van de gehoordrempel van een persoon voor verschillende frequenties, vaak gebruikt om gehoorverlies te diagnosticeren. | | HL (Hearing Level) | Een schaal die wordt gebruikt in audiometrie om de luidheid van geluid uit te drukken ten opzichte van de normale gehoordrempel van een gemiddelde persoon. | | SPL (Sound Pressure Level) | Een maat voor de geluidsdruk, uitgedrukt in decibel (dB), die wordt gebruikt om de intensiteit van geluid te kwantificeren. | | Kritieke band | Een specifiek frequentiebereik in het binnenoor waarin geluiden bijdragen aan maskering. Alleen frequenties binnen deze band zullen effectief maskeren. | | Zwevingen | Een auditief fenomeen dat optreedt wanneer twee tonen met vergelijkbare frequenties tegelijkertijd worden waargenomen, wat resulteert in een waarneembare pulsatie in luidheid. |