Wat is geluid ?

geluid-hersenen

primaire (41) en secundaire (42) gehoorschors

Wanneer we een hip deuntje opzetten, blijken we al snel te genieten. Dat heeft alles te maken met de werking van het menselijk oor dat de zogenoemde mechanische energie van de geluidsgevolgen omzet in elektrochemische signalen. Via het gehoor zet de hersenschors het ontvangen geluid om in iets dat we kunnen waarnemen. Toch is dat nog niet de volledige verklaring van het verhaal. Om muziek echt te snappen, moeten we weten wat geluid is en dit nog voor het door ons lichaam wordt verwerkt.

 

Omschrijving van geluid

 

 

De Grote Van Dale omschrijft geluid als vibraties in de lucht die door het gehoororgaan worden waargenomen. Verschillende andere woordenboeken onderschrijven die definitie en leggen dus een link vast tussen trillingen of een verandering in de luchtdruk en de waarneming ervan. Volgens hen is wat we niet kunnen horen, dus geen geluid. Logischerwijs zal pakweg een dolfijn geluid anders ervaren dan een mens: wat voor een dolfijn geluid is, hoeft het voor de mens niet te zijn. Dat is althans hoe we geluid in zijn meest enge vorm kunnen omschrijven.

 

Vanuit wetenschappelijk oogpunt kunnen we geluid dan ook veel breder omschrijven. Hier verlaten we de egocentrische piste van het menselijk gehoororgaan en hebben we het in de bredere zin over de geluidsgevolgen of de trillingen die door de lucht bewegen en door een gehoororgaan kunnen worden opgepikt. In een nog ruimere visie laten we ons tot slot niet beperken tot de veranderingen van de luchtdruk, maar kan het eveneens gaan over een ander medium. Bovendien kan men de term geluid ook gebruiken indien het niet langer gaat om een hoorbare verandering. Zo heeft men het ook over “ultrasoon geluid”.

 

Hoe ontstaan die geluidsgevolgen?

 

Geluidsgolven ontstaan door luchttrillingen. Dat is zo omdat die subtiele bibberingen lokaal de luchtdeeltjes samenpersen. Hierdoor zal de luchtdruk daar 

geluids trillingen

hoger worden, waarna de samengeperste deeltjes in contact komen met de deeltjes in de omgeving. Hierdoor ontstaat een kettingreactie waarbij de energie voortdurend wordt doorgegeven: het geluid verplaatst zich tot het uiteindelijk opnieuw tot rust komt. Overigens is dat meteen ook de reden waarom geluid een aards fenomeen is. Indien twee satellieten in de ruimte met elkaar tot botsing komen en zich laten verpulveren in duizenden stukjes, zal er geen enkel geluid waarneembaar zijn. Hier is er immers geen lucht of een ander medium dat de golven kan verplaatsen, laat staan dat er geluidsgolven ontstaan …

 

Dit verklaart eveneens de werking van een speaker dat eigenlijk gewoon een onderdeel is dat, dan wel op een slimme manier, in trilling wordt gebracht. Die bewegingen zullen ervoor zorgen dat de lucht om de speaker heen ook in beweging wordt gebracht. Je kan het misschien nog het beste vergelijken met een steentje in het water: er ontstaan golfjes die weg van de bron gaan. Door het groter worden van die cirkels moeten steeds meer luchtdeeltjes de energie van de voorgaande cirkel delen, waardoor het geluid uiteindelijk een stille dood sterft. Dat doet het dan wel aan een snelheid van ongeveer 300 m/s, maar het is niet onlogisch dat het geluid zwakker wordt naarmate je verder van de geluidsbron beweegt. Indien je ver genoeg van de geluidsbron gaat staan, zal het geluid uiteindelijk niet meer hoorbaar zijn. Niet meer hoorbaar voor de mens, want sommige dieren horen nu eenmaal veel beter dan ons.

 

Hoe ziet een geluidsgolf eruit?

 

Geluid zien, dat kunnen we niet. Althans niet zonder technische hulpmiddelen. Maar, zoals het woord het eigenlijk al aangeeft, bestaat een geluidsgolf dus uit een golf. Zo’n golf heeft op zijn beurt een golflengte en een amplitude. Hoe vaak zo’n golf doorlopen wordt, noemt men vervolgens de frequentie. Die frequentie is geluidsgolfniet onbelangrijk: het menselijk gehoor kan bijvoorbeeld een minimumfrequentie van twintig en een maximumfrequentie van 20.000 Hertz horen. Hiermee is de golflengte overigens omgekeerd evenredig: bij een frequentiestijging zal de golflengte korter worden (hogere toon) en omgekeerd.

 

De amplitude is op zijn beurt dan weer het gevolg van het verschil tussen de gemiddelde waarde van de druk en de maximale waarde van de druk. De daaruit volgende sterkte definiëren we in de beter bekende term decibel. Ook die term is niet onbelangrijk: vanaf 120 decibel zal er bij kortdurende blootstelling gehoorschade optreden. De pijngrens ligt echter op 134 decibel: wat verklaart waarom gehoorschade ook ongemerkt kan optreden.

 

Tot slot haalden we eerder al aan dat geluidsgevolgen zich net zoals watergolven gedragen. Zo kunnen ze rond een object heen buigen, afketsen, van richting veranderen of in contact komen met andere geluidsgolven, waarna ze elkaar versterken of uitdoven. Dat laatste is ook hoe gespecialiseerde hoofdtelefoons werken: zij geven een geluid af om andere geluidsgevolgen op te heffen.

 

Snelheid geluid is geen constante

 

Hiervoor haalden we aan dat de snelheid van geluid ongeveer 300 m/s bedraagt. In feite klopt dat niet helemaal. Het klopt min of meer voor verplaatsingen in lucht, maar geluid kan zich ook doorheen vaste stoffen en vloeistoffen verplaatsen. Zo is de geluidssnelheid in aluminium bijvoorbeeld 6.260 m/s bij 293 graden Kelvin (+/- kamertemperatuur) en 1120 m/s in methanol bij een gelijkaardige temperatuur. In koolstofdioxide is geluid dan weer een stuk trager, met een snelheid van 259 m/s bij 273 graden Kelvin (+/- vriespunt).

 

Ook in lucht is de stelling dat de snelheid van geluid ongeveer 300 m/s zou bedragen, niet helemaal waar. Hier hanteert men immers een ingewikkelde formule om de snelheid van het geluid te bepalen.

 

Formule snelheid geluid: √[γ(RT/M)]

 

Een uitgebreide bespreking laten we achterwege, maar onthoud vooral dat de temperatuur en luchtvochtigheid hier een belangrijke rol speelt. Bij een temperatuur van 233 graden Kelvin (ongeveer – 40 °C) zal het geluid inderdaad ongeveer 307 m/s bedragen, maar bij een warmere 313 graden Kelvin (ongeveer + 40 °C) zal dat al oplopen tot een veel hogere 354 m/s. In lucht zal geluid zich dus sneller voortbewegen indien de temperatuur warmer is. In de praktijk beweegt geluid zich echter zo snel voort dat dat na een lawineongeval zeker niet jouw grootste zorg hoeft te zijn.

 

Indien we het tot slot hebben over de snelheid van het geluid in water, wordt de formule nog een stuk ingewikkelder. Hier moeten we immers niet alleen rekening houden met de temperatuur, maar ook met het zoutgehalte en de waterdiepte.

 

Geluid voor mens en dier

 

Voor het menselijk gehoor zijn geluidstrillingen merkbaar binnen een bereik van ongeveer 20 tot 20.000 Hertz (20 kHz). Echter verschilt een en ander van persoon tot persoon. Vooral ouderen zullen geluidstrillingen bij hoge frequenties moeilijker opmerken.
Benieuwd tot welke frequentie jij kan waarnemen ? Speel onderstaand filmpje af en kom het te weten. 

 

Het belang van de frequentie voor mens en dier

 

De onderste gehoorgrens van 20 Hz kennen we voornamelijk als de grens met infrasoon geluid. Zo’n infrasoon geluid kunnen we niet horen, maar soms kunnen we de trillingen wel voelen. Het infrageluid wordt wel gebruikt door een aantal dieren. Het helpt hen immers om over een lange afstand te communiceren. Onder andere olifanten, neushoorns en giraffen gebruiken om die reden infrageluid. Toch kan het ook een ander nut dienen. Sommige soorten walvissen gebruiken infrageluid immers om hun prooien, voornamelijk inktvissen, te verlammen.

 

Bij een overschrijding van de bovenste gehoorgrens (20 kHz) spreken we van ultrasoon geluid. Sommige diersoorten maken ultrasoongebruik van ultrasoon geluid om zich te oriënteren (bv. vleermuizen) of voor het opsporen van prooien (bv. dolfijnen). Toch heeft de mens ook een aantal toepassingen bedacht. Een belangrijke ultrasoon geluid toepassing is de echografie (via ultrageluid verschillen tussen zacht en hard weefsel zichtbaar maken). Een ander voorbeeld vinden we dan weer in de tandheelkunde (reiniging tandtechnische instrumenten en verwijderen van tandsteen). Voor een andere ultrasoon geluid toepassing moeten we echter al terug naar het verleden: in de jaren ’70 gebruikten we het bijvoorbeeld voor de bediening van televisietoestellen.

 

Tot slot is er nog een laatste categorie geluid: hypersoon geluid. Hierbij gaat het om geluid met frequenties vanaf 800 MHz. In feite is het begrip er v gekomen omdat de mens lange tijd niet in staat was om dergelijke geluidsfrequenties op te wekken. Dankzij het piëzo-elektrisch effect is dat tegenwoordig niet langer een obstakel. Het wordt onder andere gebruikt om vaste stoffen te bestuderen.

 

Het belang van het geluidsniveau voor mens en dier

 

Niet alleen de geluidsfrequentie speelt een rol, ook het geluidsniveau (dB). In principe kan een mens ook een geluidsniveau tussen 0 en 130 dB horen, maar dat is niet altijd het geval. In dat geval spreken we van lawaaidoofheid. Bij een gehoorverlies van dertig tot zestig dB zal men meestal een hoortoestel gebruiken. Ter vergelijking: het geritsel van bladeren heeft ongeveer een geluidsniveau van 10 dB, terwijl een televisie op huiskamerniveau (+/- 1 meter afstand) een geluidsniveau heeft van ongeveer 60 dB.

 

Hiernaast moeten we ook rekening houden met het onaangenaam karakter van harde geluiden. Vanaf 90 dB ontstaat er immers reeds gehoorschade bij langdurige blootstelling. Dat is ongeveer het geluid dat je ervaart als je naast een autosnelweg staat. Een discotheek heeft dan weer geluidsniveaus die oplopen tot 100 dB, gelijkaardig met het geluid van een drilboor op één meter afstand. Hier overschrijden we het maximaal decibel voor langdurige blootstelling: let dus zeker op met festivalweekends waar je non-stop aan hoge geluidsniveaus wordt blootgesteld.

 

Vanaf een maximaal decibel van 120 dB treedt er dan weer gehoorschade op bij een kortdurende blootstelling. Dat is ongeveer het geluid van een straalmotor op +/- 100 meter afstand. De pijngrens ligt tot slot op 134 dB, lager dan het geluid dat we ervaren bij een geweerschot op één meter afstand. In dergelijke gevallen zal er zonder beveiligingsmiddelen zo goed als altijd gehoorschade optreden.

 

Diverse toepassingen van geluid

 

Geluid wordt door de mens niet alleen gebruikt om muziek te ervaren. Ook voor onderlinge communicatie is het bijvoorbeeld heel belangrijk. Toch zijn het aantal (potentiële) toepassingen veel uitgebreider dan dat. Onder andere de eerder aangehaalde echografie toont dat aan. Indien we de geluidssnelheid of andere kenmerken kennen, kunnen we immers veel bepalen. Eerder haalden we bijvoorbeeld aan dat we de geluidssnelheid in water kunnen berekenen. Door onder water een geluidspuls te verzenden en de tijd te meten tot de puls reflecteert, kunnen we immers de afstand tot een object of de zeebodem berekenen. Geluid is met andere woorden meer dan een muzikale gift, een communicatiemiddel of een waarschuwingssignaal: het vormt een integraal onderdeel van onze hedendaagse technische kennis.

 

Het hoorbaar karakter van geluid

 

Dit alles brengt ons tot slot opnieuw terug tot die twee magische grenzen: 20 Hz en 20 kHz. Het geluid tussen deze twee grenzen is immers de voor ons meest ‘tastbare’ vorm van geluid. Het is het claxonneren van de wagen, maar het is ook de Negende Symfonie in d mineur. Het is geluid in zijn meest enge vorm: geluid dat gewoon waarneembaar is door de mens. Rest uiteindelijk de vraag hoe wij dat geluid nu kunnen waarnemen.

 

Het is in feite de oorschelp die de geluidstrillingen opvangt en via de gehoorgang naar het trommelvlies brengt. In het trommelvlies wordt het geluid overgebracht naar de gehoorbeentjes (hamer, aambeeld en stijgbeugel), die fungeren als versterker. Vervolgens zal de vloeistof in het slakkenhuis bewegen, waardoor ook de haarcellen dat voorbeeld zullen volgen. Die bewegingen prikkelen tot slot de zenuwuiteinden waarmee een connectie met de hersenstam bestaat. De hersenen zullen de binnenkomende prikkels vervolgens “vertalen” en naar de thalamus sturen. Dit deel van de hersenen verwerkt eveneens de informatie van wat we zien of voelen en zal de “vertaalde informatie” interpreteren. Deze interpretatie wordt tot slot doorgegeven aan de hersenschors.

 

In de hersenschors komt het hoorbare geluid aan op het einde van zijn reis. Hier krijgt het een betekenis. Het koppelt het aan onze herinneringen. Het helpt ons geluid te herkennen: de stem van een moeder of het geluid van een aanstormende trein. Die herinneringen kunnen eveneens gevoelens opwekken. Het horen van de stem van een overledene kan bijvoorbeeld een oorzaak vormen voor neerslachtigheid of geluk, zelfs indien we de stem niet herkennen of er niet bij stil staan. Net zoals geluid wonderbaarlijk is, geldt dat ook voor onze hersenen. Het is ook net daarom dat wij zo van geluid houden en bekende muzikanten een rijkelijk leven kunnen leiden.

 

Meer betekenis geven aan geluid, is een onderdeel van wat mensen tot mensen maakt.