Havainto: Miten kuuntelu muotoutuu
Ihmiskorva ei pelkästään rekisteröi mekaanista värähtelyä kuten mikrofoni. Se tiivistää dynaamisia alueita, jakaa taajuusspektrit biologisia nauhoja pitkin ja rakentaa koherentteja äänikokonaisuuksia meluisista ympäristöistä.
Basilaarikalvo biologisena spektrianalysaattorina
Simpukan sisällä noin 16,000–20,000 karvasolua lepää basilaarikalvon päällä. Kalvon fyysinen jäykkyys ja leveys muuttuvat sen 32 millimetrin mittaisen kierteen varrella. Korkeat taajuudet (jopa 20,000 Hz terveillä nuorilla) aiheuttavat suurimman siirtymän kapean ja jäykän tyvipään lähellä, lähellä soikeaa ikkunaa. Matalat taajuudet (jopa 20 Hz) etenevät aina joustavaan, leveämpään kierteen huippuun, helikotremaan.
Kun sisäisten karvasolujen päällä olevat stereovillukset taipuvat peittokalvoa vasten, mekaanisesti ohjatut ionikanavat aukeavat ja vapauttavat kalium- ja kalsiumioneja. Tämä depolarisoi solun ja tuottaa toimintapotentiaaleja kuulohermossa (aivohermo VIII). Aivot saavat sisäisesti tilallistetun tonotooppisen koodin: se hermosäie, joka laukeaa, vastaa suoraan kuultua taajuutta.
„Kuulo on nopein aistimme. Kun visuaalinen käsittely vaatii aivokuoren tunnistukseen noin 20–40 millisekuntia, ensisijaiset kuulosignaalit saavuttavat aivorungon alle 3 millisekunnissa.”
— Auditory Neuroscience, Schnupp, Nelken & KingYhtä voimakkaiden äänten käyrät ja Fletcher-Munson-käyrät
Ihmisen kuulon herkkyys on taajuuksien suhteen epälineaarinen. Harvey Fletcher ja Wilden A. Munson dokumentoivat ilmiön ensimmäisen kerran vuonna 1933. Yhtä voimakkaiden äänten käyrät (nykyään standardoitu ISO 226:2003 mukaisesti) osoittavat, että korvamme ovat poikkeuksellisen herkkiä 2,000–5,000 Hz:n välillä. Tämä on juuri se taajuusalue, joka on olennainen ihmisen puhekonsonanttien, kuten /s/, /t/ ja /k/, erottamisessa.
ISO 226 -herkkyyspoikkeama matalilla amplitudeilla (40 foonia)
Matalilla kuunteluvoimakkuuksilla syvä basso (alle 100 Hz) muuttuu tuskin kuuluvaksi, kun taas keskitaajuudet pysyvät selkeinä. Kun toistovoimakkuus kasvaa, käyrä tasoittuu. Tämä selittää, miksi musiikki kuulostaa lämpimämmältä ja tasapainoisemmalta suuremmilla äänenpainetasoilla.
Kriittiset kaistat ja auditiivinen peittyminen
Basilaarikalvo toimii päällekkäisten kaistanpäästösuodattimien joukkona, joita kutsutaan kriittisiksi kaistoiksi (Harvey Fletcherin muotoilemia ja Eberhard Zwickerin tarkentamia). Kun kaksi eri taajuutta osuu samaan kriittiseen kaistaan (noin 100 Hz leveä alle 500 Hz:n taajuuksilla ja ylempänä 20 % keskitaajuudesta), ne häiritsevät toisiaan mekaanisesti ja tuottavat aistimuksellista sointuvuutta, dissonanssia tai peittymistä.
Jos hiljainen viulun sävel soitetaan viereisen kovan oboen äänen kanssa täsmälleen samassa kriittisessä kaistanleveydessä, tälle alueelle varatut kuulohermosäikeet kyllästyvät kovemmasta äänestä. Hiljaisempi sävel peittyy eikä sitä koskaan havaita, vaikka sen fyysinen akustinen aalto oli huoneessa.
Psykoakustiset illuusiot: aivojen päättelykone
Koska aivot toimivat päättelevänä moottorina, niitä voi huijata synteettisillä kuuloärsykkeillä:
- Shepard-ääni: Oktaavien päähän toisistaan sijoittuvien siniaaltojen päällekkäisyys, jotka liikkuvat ylöspäin ja häipyvät sujuvasti korkeilla taajuuksilla ja vahvistuvat matalilla alueilla, luo illuusion loputtomasti nousevasta sävelkorkeudesta.
- Binauraaliset lyönnit: Kun kuulokkeiden kautta annetaan kummallekin korvalle hieman erilaiset siniäänet (esim. 400 Hz vasemmalle ja 410 Hz oikealle), ylempi oliivikompleksi laskee sisäisen 10 Hz:n vaihemodulaation.
- Haamuperusäänet: Kun matkapuhelimen kaiuttimet toistavat basso-osuuksia, joita ne eivät fyysisesti pysty säteilemään alle 200 Hz:n taajuudella, ylemmät harmoniset äänet saavat kuulojärjestelmän kuulemaan olemattoman bassosävelkorkeuden.