Icon left Vorige Icon up Overzicht Volgende Icon right

De wondere wereld van het oor

Onderwerp: Geluid

Begrippen: Frequentie

Je oren zijn onmisbaar in het dagelijks leven, omdat ze je in staat stellen je te oriënteren en te reageren op je omgeving. Als je bijvoorbeeld fietst, kun je door het horen van een afwijkend geluid snel reageren op de situatie. Daarom kan het dragen van oortjes tijdens het fietsen tot gevaarlijke situaties leiden. Je oren zijn goud waard, maar hoe werken ze?

Hoe meer je over de werking van het oor weet, hoe meer je erachter komt wat een wonderbaarlijk mooi systeem er eigenlijk achter zit. Het is verbazend hoe groot het frequentiebereik is van onze oren en hoe goed we lage geluidsniveaus kunnen onderscheiden. De frequenties die mensen kunnen horen, liggen ongeveer tussen de 20 en 20.000 Hertz. Dat zijn bijna tien octaven op een muzikale schaal! Bovendien is het niveauverschil tussen het zachtste en het hardste geluid dat we kunnen horen ongeveer 120 dB.

Audiogram

Figuur 1: Verschillende soorten geluiden en bijbehorende frequenties en aantal decibels. Illustratie: Schoonenberg.

Onderscheiden van frequenties

Met onze oren kunnen we ook erg goed onderscheid maken tussen twee verschillende toonhoogtes (frequenties). Stel dat je twee tonen met verschillende frequenties laat horen, de ene met frequentie f1 en de andere met frequentie f2. Je kunt deze frequenties dan nog van elkaar onderscheiden als de verhouding tussen deze frequenties f1/f2=1,002 is. Even ter vergelijking: bij de naastgelegen toets op een piano is deze verhouding 1,06.

Gehoororgaan

Het gehoororgaan in ons lichaam bestaat uit drie delen: het buitenoor, het middenoor en het binnenoor. Het buitenoor bestaat uit je oorschelp, de gehoorgang en het trommelvlies. Het middenoor is de holte die gevuld is met lucht en grenst aan het trommelvlies. Hierin zitten de middenoorbeentjes: hamer, aambeeld en stijgbeugel. Ook is er een verbinding van het middenoor via de buis van Eustachius naar de keelholte. Het binnenoor bestaat uit het slakkenhuis, dat gevuld is met vloeistof, en het evenwichtsorgaan (labyrint).

Gehoororgaan

Figuur 2: Schematische weergave van het gehoororgaan in het hoofd (1. schedel). Opbouw: buitenoor (2. gehoorgang, 3. oorschelp), middenoor (4. trommelvlies, 6. hamer, 7. aambeeld, 8. stijgbeugel, 12. buis van Eustachius) en binnenoor (9. labyrint, 5. ovaal venster 10. slakkenhuis, 11. gehoorzenuw). Illustratie: Wikipedia.

Trommelvlies

Laten we eens wat meer in detail bekijken hoe een geluid van buiten via je gehoororgaan je hersenen bereikt. Stel je voor dat je praat met een klasgenoot. De klanken die hij of zij maakt verspreiden zich als geluidstrillingen door de ruimte en komen in jouw oorschelp terecht. Daarvandaan gaan de trillingen via je gehoorgang naar je trommelvlies, dat hierdoor mee gaat trillen. Bij hoge tonen trilt het met een hoge frequentie, bij lage tonen met een lage frequentie. Bovendien varieert de uitwijking van het trommelvlies met de geluidssterkte.

Overbrenging middenoorbeentjes

De hamer, die grenst aan het trommelvlies, neemt de trilling van het trommelvlies over en geeft deze door aan de andere middenoorbeentjes: het aambeeld en de stijgbeugel. De stijgbeugel geeft zijn trilling vervolgens weer door aan de vloeistof in het binnenoor via het ovale venster.

Slakkenhuis

Via dit ovale venster komt het geluid dan aan in het binnenoor, oftewel het slakkenhuis. Dit noem je zo, omdat het qua vorm lijkt op een slakkenhuis. 

Anatomie oor met slakkenhuis

Figuur 3: Anatomie van het oor met hierin het slakkenhuis. Credits: Blausen.com staff (2014). Medical gallery of Blausen Medical 2014.

Het slakkenhuis (ook wel cochlea genoemd) is een spiraalvormige buis die gevuld is met vloeistof. In doorsnede is deze buis opgedeeld in drie delen: het bovenste deel (scala vestibuli), het middendeel (scala media) en het onderste deel (scala tympani). De delen zijn van elkaar gescheiden door twee flexibele membranen, het membraan van Reissner en het basilair membraan. Op het basilair membraan bevindt zich het orgaan van Corti. 

Doorsnede slakkenhuis

Figuur 4: Doorsnede van het slakkenhuis en weergave van het orgaan van Corti. Credits: CC BY-SA 3.0, Oarih (aangepast).

Wanneer de stijgbeugel in het middenoor het ovale venster naar binnen drukt, gaat het ronde venster naar buiten. De vloeistof in het slakkenhuis is namelijk niet samendrukbaar. Doordat de vensters trillen, gaan ook het membraan van Reissner en het basilair membraan trillen.

Orgaan van Corti

Het trillen van het basilair membraan beïnvloedt ook het orgaan van Corti dat zich op dit membraan bevindt (zie figuur 4). Hier voltrekt zich dan een klein wonder. Dit orgaan zet de mechanische trilling om in een signaal naar de hersenen. De haarcellen die op het orgaan van Corti zitten, werken als een soort sensor. Op deze haarcellen zitten kleine (enkele micrometers lange) rechtopstaande haartjes. 

Beeld elektronenmicroscoop orgaan Corti

Figuur 5: Afbeelding gemaakt met een elektronenmicroscoop van het orgaan van Corti met hierop de haartjes op de haarcellen.  Afbeelding: Universitair Medisch Centrum Groningen.

Deze haartjes zijn afgedekt met een zogeheten tectoriaal membraan. Als nu het basilair membraan gaat trillen, zorgt dit voor een schuifbeweging van het tectoriaal membraan ten opzichte van deze haartjes. Vergelijk het maar met een zachte tandenborstel waar je met je hand in één richting overheen wrijft. De haartjes van de borstel zullen dan een klein beetje meebewegen en ombuigen. Door deze buiging gaan er een soort klepjes open die aan de haartjes zitten. Door het openen van deze klepjes stromen er ionen (geladen deeltjes) de haarcellen in en ontstaat er een actiepotentiaal bij de zenuwvezels die contact maken met de haarcellen. Zo is op ingenieuze wijze de mechanische geluidstrilling omgezet in een elektrisch signaal dat naar de hersenen gaat.

 

Figuur 6: Filmpje over de overbrenging van geluid in je gehoororgaan (Engelstalig). Bron: YouTube.

Onderscheid frequenties

Het mooie is nu dat wanneer het basilair membraan gaat trillen, de plek waar de uitwijking van dit membraan maximaal is, afhangt van de frequentie. Zo is voor hoge frequenties de uitwijking van het basilair membraan maximaal vooraan in het slakkenhuis (dicht bij het ovale venster) en voor lage frequenties achteraan. Deze frequentieselectiviteit noem je tonotopie. Dat dit zo is, komt door de mechanische eigenschappen van het basilair membraan. Vooraan in het slakkenhuis is het membraan smal en stijf, achteraan is het juist breed en slap. 

Model van het oor

Op basis van de frequentieselectiviteit en de eigenschappen van het basilair membraan is er een wiskundig model gemaakt waarmee je het basilair membraan kunt simuleren. Het model bestaat uit een soort kegelvormige buis van 35 millimeter die is opgesplitst in twee delen met hiertussen een flexibel membraan. Dit membraan is aan het begin (de smalle kant) stijf en aan het einde (de brede kant) slap.

Model van het oor
Figuur 7: Mechanisch model van het slakkenhuis. Credits: CC BY 2.5, Kern A, Heid C, Steeb W-H, Stoop N, Stoop R.

De formule die de frequentie (f) aangeeft als functie van de plaats (x) is:



f= frequentie van de toon in Hertz
x= plaats op het basilair membraan vanaf het ovale venster in millimeters.

Kijk maar eens welke frequenties je vindt voor x=0 en voor x=35 en voor een aantal plaatsen hier tussenin.

Ik hoor je!

Denk nu nog eens aan je klasgenoot die tegen je praat. Je oren vangen dit geluid op in je buitenoor en brengen het via je middenoor over naar het binnenoor. Het binnenoor onderscheidt de verschillende klanken en geeft signalen door aan je hersenen. De hersenen zetten deze informatie om in woorden. Je hoort je klasgenoot praten!

Audiologie

Zoals je hebt gezien, komt er veel natuurkunde kijken bij de werking van het oor. Er werken daarom ook natuurkundigen in de audiologie, de wetenschap die zich bezighoudt met het gehoor. Dat de audiologie op het snijvlak ligt van de geneeskunde, biologie en fysica, maakt het tot een bijzonder vakgebied.