Ultrasoon geluid, een simpele uitleg

Ultrasoon geluid is een geluidstrilling met een frequentie, grofweg tussen 20 kHz (20.000 Hz) en 150 kHz (150.000 Hz). Dergelijke hoge tonen zijn niet meer hoorbaar voor de mens. Bepaalde diersoorten kunnen wel tonen boven de 20 kHz 'horen', zoals b.v. vleermuizen, honden, insecten, vogels of dolfijnen. Ze gebruiken ultrasoon geluid om te communiceren of te navigeren.
Toch is het menselijk brein in staat ultrasoon geluid te detecteren en de informatie te verwerken, we noemen dit 'perceptie'. Er is nog veel onderzoek nodig om dit fenomeen tot in detail te beschrijven, maar de perceptie van ultrasoon geluid is inmiddels door een aantal wetenschappelijke studies aangetoond. Dat dit al heel lang bekend is, blijkt uit de aanwezigheid van ultrasoon registers in een aantal 'antieke' Duitse pijporgels. Deze kleine pijpjes 'hoor' je alleen maar als ze worden uitgeschakeld. Laat dit even op u inwerken.
Bij de perceptie van ultrasoon geluid is, door de hersenactiviteit te meten, zelfs aangetoond wanneer wij een geluid dat wij niet kunnen horen prettig of storend ervaren.
De perceptie van ultrasoon geluid kan op 2 manieren tot stand komen namelijk:
* Via de oren
* Buiten de oren om, d.m.v. penetratie door de huid en via beengeleiding

Arbo-aspecten
Doordat ultrasoon geluid niet gehoord wordt, maar er wel perceptie is en er onmiskenbaar luchtdrukverschillen zijn, is het zinvol om de invloed van ultrasoon geluid op onze gezondheid te onderzoeken. Zeker als er invloeden van buitenaf zijn die wij niet met onze zintuigen kunnen waarnemen. Wat je niet hoort is dus niet altijd onschadelijk. Naast muzikale en biologische aspecten zijn vooral de Arbo-aspecten van belang, zoals:
* Gehoorbeschadiging
* Gehooraandoeningen als Hyperacusis (pijnlijke overgevoeligheid voor geluid) en Tinnitus (oorsuizen)
* Stress

Gehoorbeschadiging
In de industrie kunnen we worden geconfronteerd met veel ultrasoon geluid om ons heen. Surft u maar eens op het internet. Het resultaat van de zoektermen, Ultrasoon of Ultra Sonic vergroot alleen maar de bezorgdheid. Er wordt ultrasoon gereinigd, gemeten, gesneden, enz. Stoorgeluiden van klimaatbeheersing worden door de ontwerpers van deze systemen zoveel mogelijk naar het ultrasoon gebied opgeschoven. Ook in de moderne muziek komen harmonischen van hoorbare tonen in het ultrasoongebied terecht, waarbij er sprake kan zijn van een behoorlijke lawaaidosis. In 2001 is er een rapport gepubliceerd, waar de onderzoekingen vanaf de 60-er jaren tot 2001, inzicht geven in de schade aan het menselijk gehoor door geluid van zeer hoge en ultrasone frequentie. Dit rapport is opgesteld door het Institute of Sound and Vibration Research voor de Engelse overheidsinstelling, the Health and Safety Executive en heeft als titel:

Damage to human hearing by airborne sound of very high frequency or ultrasonic frequency.

Hierin wordt ook verwezen naar zo'n 118 internationale wetenschappelijke rapporten over dit onderwerp.

Hyperacusis en Tinnitus
Vermoed wordt, dat ultrasoon geluid kan bijdragen tot de ontwikkeling van Hyperacusis en/of Tinnitus. Het is zinvol om ook dit aspect te onderzoeken, omdat deze aandoeningen bij een bevriende pianostemmer voldoende aanleiding hebben gegeven om dit aspect serieus te nemen. Kanttekening hierbij: De geluidsenergie van bijna alle moderne akoestische instrumenten is de laatste jaren meer dan verdubbeld. Moderne piano's met hun korte dikke snaren hebben tot meer dan 5x zoveel energie nodig in vergelijking met hun klassieke voorgangers.

Stress
De perceptie van normaal hoorbaar geluid heeft in de akoestiek geleid tot de vuistregel, dat elke 10 dB minder achtergrondlawaai een uur scheelt op de vermoeidheidsgrens. Hoewel we ultrasoon geluid niet horen, is er door de perceptie wel constant hersenactiviteit en is er, zonder dat men het merkt, kans op een bijdrage in de ontwikkeling van stress. Stress kan andersom weer bijdragen tot de ontwikkeling van een hoorafwijking.

Muzikale aspecten.
Stellingen over geluidsbeleving zijn moeilijk objectief te omschrijven. De verwerking van signalen door het brein, zal de wetenschap nog wel een aantal jaren bezighouden. Individuele personen zijn medisch gezien ook verschillend en de belevenis van muziek is ook afhankelijk van hoe de perceptie van ons eigen brein in elkaar steekt. Het is al moeilijk genoeg om ons eigen 'computertje' te begrijpen door de vele processen die zich op de achtergrond afspelen en we niet bewust meemaken. Dit houdt een grijs gebied in stand, dat niet te vatten is in exacte metingen of te omschrijven met termen die door iedereen op gelijke wijze worden verstaan. Wat horen “Audio Freaks” anders dan anderen?
Een van de uitgangspunten in de subjectieve geluidsbelevenis is, dat signaalvervorming ook in het ultrasoongebied leidt tot een minder prettige geluidservaring. Een adequate filtering van signalen in de D/A -converters (Digitaal naar Analoog omzetters) van b.v. een CD-speler is erg belangrijk. Hierbij moet vooral gelet worden op vervorming rond de halve samplefrequentie, n.l. rond 22 kHz. Bij een aantal moderne 'walkman' -achtige CD-spelers resulteerde de slechte filtering al in een goed hoorbare storing als er in de muziek tonen vanaf circa 8 kHz voorkomen.
Bij versterkers is het belangrijk om de frequentiekarakteristiek te verhogen naar 50 kHz. Als dit niet haalbaar is, is het beter om alle frequenties boven de 20 kHz er radicaal uit te filteren.
Bij SACD (Super Audio CD) wordt voor een betere definitie al gewerkt met een 24 bits, i.p.v. de gebruikelijke 16 bits codering, waarbij de standaard CD samplefrequentie van 44,1 kHz, verhoogd is naar 96 kHz of 192 kHz. Het frequentiebereik is afhankelijk van de gebruikte codering. Jammer dat er bij een nieuwe techniek als SACD meerdere methoden zijn, terwijl iedereen roept om standaardisering. Als PCM codering is toegepast, is de hoogst weer te geven frequentie de halve samplefrequentie. Buizenversterkers produceren, door het niet lineaire bovenste gedeelte van de buiskarakteristiek harmonischen die muzikaal gezien een relatie hebben met de grondtoon. Deze “vervorming” klinkt door in het ultrasoongebied en wordt muzikaler ervaren dan de Harmonische vervorming die optreedt bij oversturing van een transistorversterker.
De laatste schakel is de luidspreker. Er zijn fabrikanten van hoge tonen luidsprekers, b.v. Tannoy, die hierop inspelen en de hoge tonen weergave van hun “super tweeters” tot 40 kHz oprekken. Electrostatische luidsprekers geven ook vaak tonen boven de 20 kHz weer.
Een Amerikaanse vinding, de 'Acoustic Spotlight' maakt gebruik van een ultrasoon draaggolf om het daarin opgesloten hoorbare geluid net als een lichtspot in een smalle bundel af te kunnen stralen. Dit kan zo extreem (minimaal 6°), dat het geluid b.v. in de disco, alleen hoorbaar is op de dansvloer en je bij de bar, ook als slechthorende nog een redelijk gesprek met de buurman kunt voeren. Er is een laser nodig om de speaker uit te richten. Deze techniek wordt nog geperfectioneerd.

Slechthorenden
Ook voor slechthorenden wordt ultrasoon geluid bewust toegepast ter verbetering van het horen. Nu beschikbare nieuwe technologie met Ultrasoon “trodes” maakt trouwens gebruik van beengeleiding, om de hoge tonen hoorbaar te maken buiten het “mechanische” gedeelte van ons gehoor om. Dit maakt het voor slechthorenden met een sterk hoge tonen verlies (en ouderen) mogelijk om weer van muziek te genieten. Ook speciale hoortoestellen met ultrasoon speaker (array technologie) lijken voor een groep slechthorenden de oplossing. Doel is uiteindelijk, om een alternatief te ontwikkelen voor de zogenaamde “cochleaire implantatie”. Geen operatie meer dus.

Werkgroep Techniek LOK
Willem Verhoog.