Geluid gevonden

Hoe weten we waar het geluid van een jankende hond of een helikopter vandaan komt? Onderzoekers van tno kwamen er achter via een nieuwe techniek: virtuele akoestiek.

IN DE KOPTELEFOON is aanvankelijk alleen een monotoon getsjirp te horen. Maar als ik de joystick heen en weer beweeg, gebeurt er iets raars: ik kan de bron van het geluid van plaats laten veranderen, zelfs achter mijn hoofd langs. In werkelijkheid beweegt er helemaal niets: de verplaatsing zit tussen mijn oren. Voor me staat een scheidingswand. Daarachter is een computer opgesteld. Voor elke richting waarin ik de joystick beweeg berekent hij hoe een geluidsbron daar vandaan zou klinken. De illusie is heel overtuigend, je kunt de bron bijna aanwijzen. Toch kan het niet helemaal perfect zijn, omdat de computer voor de berekeningen niet van mijn `oren' gebruik maakt, maar uitgaat van iemand anders zijn earprint. ``Dat is een nadeel van dit soort virtuele akoestiek'', zo legt dr. Adelbert Bronkhorst, groepsleider bij TNO in Soesterberg later uit: ``Iedereen kijkt op dezelfde manier, daarom werkt virtual reality zo goed. Maar de manier waarop geluidsgolven ons oor binnen komen is voor iedereen anders.''

Bij TNO wordt al meer dan 40 jaar gehooronderzoek gedaan. Zo zijn Bronkhorst en zijn groep onder andere verantwoordelijk voor de keuring van gehoorbeschermers, maar ze werken ook aan de ontwikkeling daarvan en doen verder metingen aan geluidshinder, vooral in de buurt van militaire oefenterreinen: van oudsher gebeurt er veel onderzoek in opdracht van het ministerie van Defensie, al is er tegenwoordig ook een duidelijke `civiele' component.

REFLECTIES

In dit kader ontwikkelde Bronkhorst, samen met collega Tammo Houtgast, een (kwantitatief) model voor de manier waarop we de afstand bepalen tot een geluidsbron. Ze publiceerden hun onderzoek onlangs in Nature (11 februari, 1999). Houtgast en Bronkhorst zijn daarmee de eersten die de ideeën van de Hongaars-Amerikaanse natuurkundige en fysioloog Georg von Békésy kwantitatief testten. In 1938 deed Von Békésy een ingenieus experiment waarmee hij aantoonde dat we voor de afstandsbepaling van een geluidsbron zowel het `directe' geluid gebruiken als het geluid dat na een aantal reflecties ons oor bereikt.

Hoe we die verhouding tussen direct en gereflecteerd geluid bepalen is moeilijk na te gaan. Als je alleen over een gewone geluidsbron beschikt, kun je die verhouding niet of nauwelijks op een gecontroleerde manier veranderen, laat staan kwantificeren. Bronkhorst bedacht dat hij dat wél zou kunnen via virtuele akoestiek. Daarmee is in het hoofd van de luisteraar de illusie van een geluidsbron te creëren, in principe met zoveel of zo weinig reflecties als je wilt. Eenvoudig is dat niet, want iedereen hoort op een iets andere manier. ``Alleen laag-frequente geluiden zijn voor ons allemaal ongeveer hetzelfde'', zegt Bronkhorst. ``Die hebben een zo grote golflengte dat ze nauwelijks worden beïnvloed door de vorm van iemands hoofd, laat staan van de oorschelp. Hoe hoger de frequentie, hoe karakteristieker het gehoor. Zo heeft elke gehoorgang zijn eigen resonantie en vindt er uitdoving plaats bij heel specifieke frequenties als gevolg van reflecties in de oorschelp. De anatomie van het hoofd fungeert dus als een soort filter. Vanaf de geboorte leren we door ervaring hoe ons oor het geluid bewerkt.''

Dat is bijvoorbeeld essentieel bij de bepaling van de richting waar een geluid vandaan komt. Al lang is bekend dat we daarvoor gebruik maken van het feit dat we met twee oren tegelijk horen. Zo is er bijna altijd een tijdsverschil tussen het moment waarop geluidsgolven aankomen bij elk van beide oren. Het geluid afkomstig van een geluidsbron die zich rechts voor je bevindt, heeft immers een net iets kortere weg af te leggen naar het rechter oor dan naar het linker. Dat verschil is vooral handig voor het lokaliseren van lage tonen. Bij hoge tonen daarentegen zijn het eerder intensiteitsverschillen die lokalisatie mogelijk maken. Hoogfrequente geluidsgolven van rechts zullen op weg naar het linker oor meer hinder ondervinden van het hoofd. Ze worden meer verstrooid waardoor er sprake is van een soort hoofdschaduw. Toch is dit alles niet voldoende om alle verwarring uit te sluiten. Een geluidsbron schuin voor is namelijk niet te onderscheiden van eentje die even ver schuin naar achteren staat. In beide posities zijn de verschillen in tijd en intensiteit identiek. Al dit soort posities liggen op een kegel die wel de cone of confusion wordt genoemd. Gelukkig komt ook daar de oorschelp ons te hulp.

Dat werd onlangs overtuigend aangetoond door Paul Hofman en zijn collega's van de Katholieke Universiteit Nijmegen (Nature Neuroscience, september 1998). Zij veranderden de vorm van de oorschelp van een aantal proefpersonen door er hier en daar kleine stukjes was in te plaatsen. Vervolgens werden ze een aantal keren daarna getest op hun vermogen om de richting te bepalen waar een bepaald geluid vandaan kwam. Terwijl ze dat vóór de verandering van hun oorschelp allemaal uitstekend konden, brachten ze er de eerste tijd daarna niets meer van terecht. Pas na een week of zes waren ze weer op hun oude niveau gekomen. Hun brein moest zich als het ware aanpassen aan de nieuwe karakteristiek van het oor. Soortgelijke experimenten waren al veel langer bekend met ons visuele systeem. Wie een prismabril krijgt opgezet, waardoor het normale beeld omdraait, loopt een paar dagen tegen van alles op en heeft grote moeite om zich voort te bewegen. Maar als je dat nou maar gewoon blijft doen, wennen je hersens op een zeker moment aan de nieuwe situatie. Zet je de bril vervolgens weer af, dan heb je weer een zekere tijd nodig om je opnieuw aan te passen. Een verrassende uitkomst van het Nijmeegse onderzoek was, dat die aanpassing niet nodig was voor het gehoor. Zodra de stukjes was weer waren verwijderd, hoorden de proefpersonen weer op de oude manier. Je kunt jezelf blijkbaar meer `oren' tegelijk aanleren.

Bij het ontwikkelen van een virtuele geluidsbron moet de onderzoeker dus rekening houden met de anatomie van het oor. Eerst moet er een earprint van elke luisteraar worden vastgelegd. Daartoe plaatste Bronkhorst in de gehoorgang van beide oren een klein microfoontje. Daarmee werd de geluidskarakteristiek gemeten van een bron die - op een vaste afstand - op een groot aantal posities rond het hoofd werd geplaatst. En omdat niemand zijn hoofd volkomen stil kan houden, werd bovendien de positie ervan nauwkeurig gevolgd. Zo kon men corrigeren voor kleine hoofdbewegingen. Op deze manier werd voor zo'n duizend bronposities de karakteristiek van iemands `hoofdfilter' bepaald. Tezamen vormen die iemands earprint, waarmee voor die betreffende persoon een geluidsbron op een bepaalde positie kan worden gesimuleerd. Het enige wat je dan nog moet doen, is die interpretatie van het geluid aanbieden met behulp van een koptelefoon, direct in het oor. De hersenen doen dan de rest en maken er een keurig ruimtelijk plaatje bij.

REFLECTIES

Voor een zo natuurgetrouw mogelijke simulatie, zijn ook nog reflecties nodig. Die kwamen eveneens uit de computer. Uitgaande van de vorm en afmetingen van de kamer berekende Bronkhorst de vele paden waarlangs het geluid van de bron naar het oor van de luisteraar kan komen. Daarbij moest hij ook rekening houden met de absorptie van het geluid aan de wanden, waardoor het signaal na elke weerkaatsing een beetje zwakker wordt. Uiteindelijk werden zo'n achthonderd paden meegenomen met maximaal acht reflecties. Die konden nu naar believen aan het virtuele signaal worden toegevoegd.

Er werden twee series van experimenten gedaan, elk met zes proefpersonen. De hypothese van Von Békésy - dat de bepalende factor daarvoor de verhouding was tussen de intensiteit van het directe en het gereflecteerde geluid - bleek al snel onjuist. Bronkhorst en Houtgast waren in staat om die verhouding kunstmatig constant te houden. Toch waren de proefpersonen niet altijd in staat om nauwkeurig de bron van het geluid te bepalen.

Een belangrijke rol blijkt weggelegd voor het tijdvenster. Houtgast ontdekte een paar jaar geleden al dat onze hersenen het directe geluid selecteren met behulp van zo'n venster. Zes milliseconden. Dat is de tijd waarin het directe geluid wordt waargenomen. Alles wat later komt, wordt als reflectie beschouwd. De verhouding van deze twee intensiteiten bleek de gezochte plaatsindicator. Ook de uitkomsten van experimenten van andere groepen konden er mee verklaard worden. En tegelijkertijd werd duidelijk dat voor de simulatie van een natuurgetrouwe geluidsbron lang niet alle reflecties hoeven te worden meegenomen. Bronkhorst: ``Dat heeft belangrijke consequenties voor eventuele praktische toepassingen. Het berekenen van een virtuele geluidsbron dient immers in real time te gebeuren, en als daarbij het effect van honderden reflecties moet worden meegenomen, dan heb je daarvoor veel rekenkracht nodig.'' Een ander probleem vormt de noodzaak om van iedere potentiële gebruiker een earprint te hebben. Ook daar denkt Bronkhorst binnenkort een oplossing voor te hebben gevonden. Hij wil er nog niet al te veel over kwijt, maar laat al wel weten dat in elk geval de vorm van het hoofd en de oren moet worden vastgelegd.