Ακουστό φάσμα

Ως ακουστό φάσμα περιγράφεται το διάστημα μεταξύ της μικρότερης και της μεγαλύτερης συχνότητας ήχου που μπορεί να ακούσει ένας άνθρωπος ή ένα ζώο. Στους ανθρώπους το ακουστό φάσμα εκτείνεται κατά προσέγγιση από τα 20 Hz έως τα 20 KHz (20.000 Hz). Ωστόσο, υπάρχουν σημαντικές διαφορές στο φάσμα μεταξύ ατόμων, ειδικά στην περιοχή των ψηλών συχνοτήτων, στην οποία παρατηρείται και η μεγαλύτερη απομείωση ανάλογα με την ηλικία του ατόμου. Η ευαισθησία στον ήχο εξαρτάται επίσης από την συχνότητα, όπως δείχνουν οι Καμπύλες ίσης ακουστότητας. Η εξέταση των ορίων του ακουστού φάσματος και της σταδιακής αλλοίωσής τους περιλαμβάνει το ακοόγραμμα, κατά το οποίο εκπέμπονται ήχοι διαφορετικών συχνοτήτων σε σταδιακά μειωμένη ένταση.

 Στους ανθρώπους, η εξέταση ακοογράμματος γίνεται με χρήση του ακοογράφου, ο οποίος επιτρέπει την εκπομπή ήχων σε διαφορετικές συχνότητες προς τον εξεταζόμενο. Οι ήχοι μεταφέρονται σε ειδικά ρυθμισμένα ακουστικά, σε προκαθορισμένες και προτυποποιημένες εντάσεις. Οι συνδυασμοί συχνότητας και έντασης του κάθε ήχου που εκπέμπεται ακολουθούν την καμπύλη ελάχιστης ακουστότητας, η οποία αναπαριστά την «κανονική» ακοή. Δεν υπάρχουν καθολικά αποδεκτοί συνδυασμοί συχνότητας και έντασης, καθώς διαφορετικά διεθνή πρότυπα ορίζουν την καμπύλη ελάχιστης ακουστότητας με διαφορετικό τρόπο. Για παράδειγμα, το πρότυπο ASA-1951 χρησιμοποιεί το επίπεδο 16.5 dB SPL (Sound Pressure Level) στα 1 kHz, ενώ το μεταγενέστερο πρότυπο ANSI-1969/ISO-1963 χρησιμοποιεί το 6.5 dB SPL, και προβλέπει σφάλμα/διόρθωση 10 dB για ηλικιωμένους ανθρώπους.Τα ακουστά όρια ανθρώπων οι οποίοι δεν μπορούν να αντιδράσουν πλήρως σε μια ακοομετρική εξέταση, αλλά και άλλων θηλαστικών, μπορούν να βρεθούν είτε με εξετάσεις αλλαγής της συμπεριφοράς είτε με εξετάσεις φυσιολογίας. Μπορεί να ληφθεί ένα ακοόγραμμα μέσω μιας συμπεριφορικής εξέτασης, η οποία ονομάζεται Ακοομετρία. Στους ανθρώπους, η εξέταση περιλαμβάνει την εκπομπή διαφορετικών ηχητικών τόνων καθορισμένης συχνότητας και έντασης. Όταν ο εξεταζόμενος ακούσει τον ήχο, αντιδρά κάνοντας μια κίνηση (συχνά ύψωση του χεριού, ή πάτημα ενός κουμπιού). Από τον εξεταστή καταγράφεται ο ακουστός ήχος με την χαμηλότερη ένταση. Στα παιδιά, ως αντίδραση στον ακουστό ήχο παρατηρείται κάποια κίνηση του σώματος, ή κάποια συγκεκριμένη χρήση ενός παιχνιδιού, για την οποία το παιδί έχει προηγουμένως εκπαιδευτεί. Στα ζώα χρησιμοποιείται παρόμοια συμπεριφορική εξέταση, κατά την οποία το εξεταζόμενο μπορεί να επιβραβεύεται με φαγητό όταν αντιδρά στον ήχο. Οι εξετάσεις φυσιολογίας δεν απαιτούν την εσκεμμένη αντίδραση του εξεταζόμενου. Για παράδειγμα, εξετάζονται οι αντιδράσεις του εγκεφάλου του εξεταζόμενου όταν ένας ήχος φτάνει στο αυτί. Οι πληροφορίες για την ακοή διαφόρων θηλαστικών, έχουν αποκτηθεί κυρίως από εξετάσεις συμπεριφοράς. Στις πιο κάτω παραγράφους περιγράφεται το ακουστό φάσμα για διάφορα θηλαστικά. Στους ανθρώπους, τα ηχητικά κύματα εισέρχονται στο αφτί από το εξωτερικό του μέρος και κρούουν στην μεμβράνη του τυμπάνου. Τα κύματα αυτά θέτουν σε κίνηση την μεμβράνη και τα οστά του μέσου αφτιού. Ο αριθμός των δονήσεων ανά δευτερόλεπτο υποδεικνύει την συχνότητα του ήχου που ακούγεται, και μετράται σε Χερτζ, όπου ένα Χερτζ είναι μία δόνηση ανά δευτερόλεπτο. Επιπλέον αίσθηση του ήχου προέρχεται από το είδος και την ένταση της δόνησης των τριχιδίων μέσα στον κοχλία του αφτιού. Οι συχνότητες αυτές χωρίζονται σε υπόηχους (κάτω από το ακουστό φάσμα), ήχους (μέσα στο ακουστό φάσμα) και υπέρηχους (πάνω από το ακουστό φάσμα). Συγκεκριμένα οι άνθρωποι έχουν ακουστό φάσμα που ξεκινά από τα 20 Hz, αν και σε ιδανικές συνθήκες στο εργαστήριο είναι δυνατή η ακοή ήχων από τα 12 Hz, όταν αυτοί παράγονται σε καθαρή κυματική μορφή και εκπέμπονται σε πολύ μεγάλη ένταση. Το φάσμα φτάνει μέχρι τα 20.000 Hz στα περισσότερα παιδιά και σε μερικούς ενήλικες, αρχίζει όμως να συρρικνώνεται σταθερά από την ηλικία περίπου των 8 ετών, με την εντονότερη συρρίκνωση να παρατηρείται στις ψηλές συχνότητες. Μερικοί υπόηχοι στο φάσμα 4 έως 16 Hz είναι αισθητοί στους ανθρώπους μέσω των δονήσεων του σώματος. Ακόμα, υπάρχει διαφορά ανάμεσα στην ευαισθησία στον ήχο ανάμεσα στα φύλα, με τις γυναίκες να έχουν περισσότερη ευαισθησία στις ψηλές συχνότητες.Εφαρμογή του ακουστού φάσματος αποτελεί η συμπίεση ενός ψηφιακού ηχητικού σήματος, κατά την οποία αποκόβονται οι συχνότητες πάνω από τα 20 KHz, μια που η έλλειψή τους δεν γίνεται αισθητή στο τελικό αποτέλεσμα. Για παράδειγμα, ο αλγόριθμος συμπίεσης ήχου για το MP3 αποκόβει τους ήχους πάνω από τα 18 KHz, ή ακόμα και πάνω από τα 16 KHz όταν η συμπίεση γίνεται στα 128 Kbits/s. Το ακουστό φάσμα ενός σκύλου εξαρτάται από το γένος (ράτσα) και την ηλικία του, αλλά προσεγγιστικά είναι από 40 Hz έως 60,000 Hz, το οποίο είναι κατά πολύ μεγαλύτερο από το ανθρώπινο. Όπως και στους ανθρώπους, σε μερικά γένη σκύλων η ακοή εξασθενεί με την ηλικία, όπως στα Γερμανικά τσοπανόσκυλα και στα Πουντλ Μινιατούρες. Τα αφτιά των σκυλιών ελέγχονται από περισσότερους από 18 μύες, οι οποίοι τους επιτρέπουν να τα στρέφουν προς την πηγή ενός ήχου, ώστε να μεγιστοποιήσουν την πρόσληψη των ηχητικών κυμάτων. Το όρθιο και καμπυλωτό σχήμα των αυτιών σε μερικά γένη, επιτρέπει επίσης ευθύτερη και πιο ενισχυμένη λήψη του ήχου. Καθώς τα σκυλιά ακούνε κατά πολύ ψηλότερες συχνότητες από τους ανθρώπους, έχουν διαφορετική ηχητική αντίληψη του κόσμου. Μερικοί ήχοι που στους ανθρώπους ακούγονται έντονοι, μπορεί να περιέχουν τόνους ψηλών συχνοτήτων που να τρομάζουν τα σκυλιά. Υπερηχητικά σήματα χρησιμοποιούνται επίσης στις σφυρίχτρες σκύλων. Τα άγρια σκυλιά, χρησιμοποιούν την οξεία ακοή τους για να εντοπίσουν και να κυνηγήσουν θηράματα, ενώ η ίδια ικανότητα κάνει τα κατοικίδια σκυλιά κατάλληλα για φύλακες. Οι νυχτερίδες έχουν πολύ ευαίσθητη ακοή, την οποία χρησιμοποιούν για εύρεση τροφής και για προσανατολισμό. Το ακουστό τους φάσμα είναι από τα 20 Hz έως τα 120,000 Hz. Εντοπίζουν την τροφή τους εκπέμποντας ήχους πολύ σύντομης διάρκειας και πολύ μεγάλης έντασης, και αξιολογούν την ηχώ που ανακλάται στα αντικείμενα γύρω τους, συμπεραίνοντας από αυτήν το μέγεθος και το είδος των αντικειμένων. Εκπέμπουν δύο τύπους ήχων, σταθερής συχνότητας (constant frequency - CF), και frequency modulated (FM). Κάθε τύπος επιστρέφει διαφορετικές πληροφορίες για την νυχτερίδα, οι CF χρησιμοποιούνται για να εντοπίσουν ένα αντικείμενο, ενώ οι FM για να προσδιορίσουν την φύση του και την απόσταση. Οι παλμοί του ήχου που παράγονται διαρκούν μόνο μερικά χιλιοστά του δευτερολέπτου, και οι παύσεις ανάμεσά τους λειτουργούν ως περίοδοι αξιολόγησης της ηχούς. Υπάρχουν επίσης ενδείξεις ότι οι νυχτερίδες αξιοποιούν την διαφορά συχνότητας που προκαλεί το φαινόμενο Ντόπλερ στον ανακλόμενο ήχο, ώστε να εκτιμούν την δική τους ταχύτητα πτήσης. Οι πληροφορίες σχετικά με το μέγεθος, το σχήμα και την υφή, συνδυάζονται ώστε να σχηματίζεται μια εικόνα της θέσης και του περιβάλλοντος του θηράματος. Τα ποντίκια έχουν μεγάλα αφτιά σε σχέση με το σώμα τους, και ακούν ψηλότερες συχνότητες, από το 1 kHz ως τα 70 kHz ή τα 90 kHz, τις οποίες χρησιμοποιούν για επικοινωνία. Δεν ακούν τις χαμηλότερες συχνότητες που ακούν οι άνθρωποι, όπως και οι άνθρωποι δεν ακούνε τους περισσότερους από τους ήχους των ποντικών. Για παράδειγμα, ο ήχος ενός νεαρού ποντικού υπό κίνδυνο παράγεται στα 40 kHz. Τα ποντίκια χρησιμοποιούν την ικανότητά τους να παράγουν και να ακούν ήχους αυτού του φάσματος, για να ειδοποιούν τα άλλα ποντίκια για κίνδυνο, χωρίς να γίνονται αντιληπτά. Τέλος, εκτός από τους υψίσυχνους ήχους, τα ποντίκια παράγουν και μερικούς ήχους μέσα στο ανθρώπινο ακουστό φάσμα, όταν θέλουν να επικοινωνήσουν σε μεγαλύτερη απόσταση, καθώς οι ήχοι χαμηλότερης συχνότητας ταξιδεύουν μακρύτερα. Τα υδρόβια θηλαστικά ζουν σε ωκεανούς, κόλπους και σε μερικά ποτάμια. Οι φυσικές ιδιότητες της μετάδοσης του ήχου μέσα στο νερό και οι διαφορές στην ακοή των υδρόβιων θηλαστικών έχουν οδηγήσει σε εκτενείς έρευνες, κυρίως γύρω από διάφορα είδη δελφινιών. Το ακουστικό σύστημα των χερσαίων θηλαστικών τυπικά λειτουργεί μέσω της μεταφοράς ηχητικών κυμάτων μέσα στο αφτί. Έχει παρατηρηθεί ότι στις φώκιες, στα θαλάσσια λιοντάρια και στους θαλάσσιους ελέφαντες, τα αφτιά είναι όμοια, και πιθανώς λειτουργούν με τον ίδιο τρόπο. Στις φάλαινες και στα δελφίνια όμως, δεν είναι ξεκάθαρο ακόμα πώς μεταδίδεται ο ήχος στο αφτί, αλλά μερικές έρευνες εισηγούνται ότι ο ήχος οδηγείται στο αφτί μέσω μεμβρανών στην κάτω σιαγόνα. Ένα είδος φάλαινας, οι Οδοντοκρήτες ή οδοντοφόρες φάλαινες, χρησιμοποιούν μια παρόμοια διαδικασία με τις νυχτερίδες, για να εντοπίζουν αντικείμενα μέσω της ανάκλασης του ήχου. Αυτές οι φάλαινες έχουν τα αφτιά τους μακριά το ένα από το άλλο, κάτι που βοηθά στη λειτουργία του εντοπισμού. Έρευνες έχουν δείξει ότι υπάρχουν δύο διαφορετικοί τύπου κοχλία αφτιού στα δελφίνια. Ο Τύπος Ι συναντάται στα δελφίνια του Αμαζονίου, τα οποία χρησιμοποιούν ήχους πολύ ψηλών συχνοτήτων για εντοπισμό, και ο κοχλίας του αφτιού είναι πάρα πολύ στενός στην βάση του, για να λειτουργεί καλύτερα με αυτές τις ψηλές συχνότητες. Ο Τύπος ΙΙ συναντάται στις φάλαινες των ανοικτών θαλασσών, οι οποίες εκπέμπουν χαμηλότερης συχνότητας ήχους (τυπικά μεταξύ 0,25 κσι 150 kHz). Οι ψηλότερες συχνότητες αυτού του φάσματος χρησιμοποιούνται για εντοπισμό, και οι χαμηλότερες για επικοινωνία. Τα υδρόβια θηλαστικά χρησιμοποιούν και διάφορες φωνές. Για παράδειγμα, τα δελφίνια επικοινωνούν με σφυρίγματα και κλικ, ενώ οι φάλαινες με χαμηλών συχνοτήτων φωνές και παλμούς. D'Ambrose, Chris (2003). «Frequency Range of Human Hearing». The Physics Factbook. Ανακτήθηκε στις 28 Φεβρουαρίου 2007. Hoelzel, A Rus (2002) Marine mammal biology: an evolutionary approach, Oxford: Blackwell Science Ltd Ketten, D.R. (2000) Cetacean Ears. In: Hearing by Whales and Dolphins. W. Au, R. Fay, and A. Popper (eds.), SHAR Series for Auditory Research, Springer-Verlag, pp. 43–108. http://www.whoi.edu/csi/research/publications.html Richardson W J (1998) Marine mammals and noise London: Academic Rubel, E. Popper, A. Fay, R (1998) Development of the Auditory System New York: Springer-Verlag inc. Audiogram - GP notebook Αρχειοθετήθηκε 2012-02-07 στο Wayback Machine. Bat calls converted to a frequency we can detect Moving image to represent echolocalisation Behavioral Audiograms of Mammals (in Table Form) Journal articles on mammalian hearing Frequency Range of Human Hearing (με ηχητικά τεστ για ήχους χαμηλών και ψηλών συχνοτήτων)