Persepsjon: Slik formes lytteopplevelsen
Det menneskelige øret registrerer ikke bare mekanisk vibrasjon slik en mikrofon gjør. Det komprimerer dynamiske områder, deler frekvensspektre langs biologiske bånd og bygger sammenhengende lydobjekter ut av støyende omgivelser.
Basilarmembranen som biologisk spektralanalysator
Inne i cochlea sitter omtrent 16,000 til 20,000 hårceller på basilarmembranen. Denne strukturen endrer fysisk stivhet og bredde langs sin 32 millimeter lange spiral. Høye toner (opptil 20,000 Hz hos friske unge) gir størst utslag nær den smale, stive basen, nærmest det ovale vinduet. Lave toner (ned til 20 Hz) brer seg helt frem til den fleksible, bredere apex ved helicotrema.
Når stereocilier på toppen av de indre hårcellene bøyes mot tectorialmembranen, åpnes mekanisk styrte ionekanaler, og kalium- og kalsiumioner slippes ut. Dette depolariserer cellen og gir aksjonspotensialer i hørselsnerven (kranienerve VIII). Hjernen mottar en iboende romlig tonotopisk kode: hvilken akson som avfyrer, svarer direkte til frekvensen som høres.
«Hørsel er vår raskeste sansemodalitet. Mens visuell bearbeiding krever omtrent 20 til 40 millisekunder for kortikal gjenkjenning, når primære auditive signaler hjernestammen på under 3 millisekunder.»
— Auditory Neuroscience, Schnupp, Nelken & KingLik lydstyrke og Fletcher-Munson-kurvene
Den menneskelige hørselens følsomhet er ikke-lineær på tvers av frekvenser. Opprinnelig dokumentert av Harvey Fletcher og Wilden A. Munson i 1933 viser kurvene for lik lydstyrke (i dag standardisert under ISO 226:2003) at ørene våre er usedvanlig følsomme mellom 2,000 Hz og 5,000 Hz, nettopp det frekvensbåndet som er avgjørende for å skille menneskelige talekonsonanter som /s/, /t/ og /k/.
ISO 226-avvik i følsomhet ved lave amplituder (40 fon)
Ved lave lyttenivåer blir dyp bass (under 100 Hz) knapt hørbar, mens mellomfrekvensene forblir tydelige. Når avspillingsvolumet øker, flater kurven ut. Dette forklarer hvorfor musikk høres varmere og mer balansert ut ved høyere lydtrykknivåer.
Kritiske bånd og auditiv maskering
Basilarmembranen fungerer som et sett overlappende båndpassfiltre kjent som kritiske bånd (formulert av Harvey Fletcher og videreutviklet av Eberhard Zwicker). Når to ulike frekvenser faller innenfor samme kritiske bånd (omtrent 100 Hz bredt under 500 Hz, og 20% av senterfrekvensen høyere oppe), påvirker de hverandre mekanisk og gir sensorisk konsonans, dissonans eller maskering.
Hvis en svak fiolintone spilles ved siden av en høy oboetone i nøyaktig samme kritiske båndbredde, mettes hørselsnervefibrene som er viet til dette området, av den sterkere lyden. Den svakere tonen maskeres og oppfattes aldri, selv om den fysiske akustiske bølgen var til stede i rommet.
Psykoakustiske illusjoner: Hjernens slutningsmaskin
Fordi hjernen fungerer som en slutningsmotor, kan den lures av syntetiske lydstimuli:
- Shepard-tonen: Ved å legge sammen sinusbølger med oktavavstand som beveger seg oppover, og samtidig tone dem jevnt ut i høye frekvenser og inn i lave registre, skapes illusjonen av en uendelig stigende tonehøyde.
- Binaurale svevinger: Når to litt ulike sinustoner presenteres for hvert sitt øre gjennom isolerte hodetelefoner (f.eks. 400 Hz venstre, 410 Hz høyre), får den superiore olivekomplekset til å beregne en intern 10 Hz fasemodulering.
- Fantomgrunntoner: Når mobiltelefonhøyttalere gjengir basslinjer som de fysisk ikke kan utstråle under 200 Hz, lurer de øvre overtonene hørselssystemet til å oppfatte en bass som ikke finnes.