Low-frequency noise: a biophysical phenomenon

[yewie56]

Low-frequency noise: a biophysical phenomenon 2012
von
Mireille Oud
Medical physicist / Scientist
Almere Stad Area, Netherlands

Forscherin bei Computer Science Dept. of University Utrecht
Technology Consultant & Science Journalist bij Freelance
Researcher Medical Technology and Intelligent Traffic Systems bij Computer Science Dept. of University of Amsterdam
Honorary Associate Member bij Auditory Neuroscience Laboratory of School of Medical Sciences, University of Sydney, Australia
Lecturer/Researcher bij Biomedical Technology Department of University of Groningen
Visiting Researcher bij Institute of Respiratory Medicine, Sydney, Australia
Visiting Researcher bij National Voice Centre of University of Sydney, Australia

Beschwerden durch die Belastung mit niederfrequentem Lärm konnten bis vor kurzem ziemlich
schlecht erklärt werden. Nun aber konnte die audiologische Forschung Licht auf die Mechanismen werfen,
welche die Wahrnehmung von Frequenzen unterhalb der Wahrnehmungsschwelle durchnittlichen Hörens ermöglichen.

Es konnte gezeigt werden, dass die Belastung mit niederfrequentem Lärm (LFN Low Frequency Noise) das innere Ohr
verändern kann. Diese Veränderung bewirkt eine Zunahme der Empfindlichkeit hin zu niederfrequenten
Frequenzen. Somit werden nun vorher nicht wahrnehmbare Töne für den durch LFN Belasteten wahrnehmbar.

Zudem sind Wechselwirkungen der Antworten des inneren Ohres zwischen niedrigeren und höheren Frequenzen
ebenso für die Wahrnehmung des niederfrequenten Tons verantwortlich wie die Fähigkeit des Gehörs,
so genannte Differenz-Töne wahrnehmen zu können.

http://docs.wind-watch.org/Oud_NAG2012.pdf

Ich werde versuchen, den Bericht in Häppchen zu übersetzen.
Macht jemand mit?

[yewie56]

Eine wachsende Minderheit von Leuten berichtet von einer vergrößerten Empfindlichkeit für den niederfrequenten Ton.
Nicht überaschend wird in einigen Fällen sogar von lautem niederfrequentem Geräusch berichtet.
Ihre Beschwerden über die Anwesenheit von Summen, Brummen ja sogar Poltern werden oftmals nicht als Belastung
anerkannt, da die Mehrheit diese niederfrequenten Störungen nicht hören kann.
LFN kann aber schwerwiegende gesundheitliche Folgen wie Gleichgewichtsstörung, gestörter Schlaf, Stress und dessen Folgen,
Hypertonie und Herzrhythmus-Störungen nach sich ziehen. Die Zahl der Betroffenen wächst und dies hat zwei
mögliche Ursachen. Zum einen haben die Quellen niedrigfrequenten Lärms im Volumen und der Dimension im Laufe der letzten Jahrzehnte
zugenommen, zum anderen benötigt eine spezifische Gehörssensitivisierung Jahre um sich zu entwickeln.
Heutzutage ist die Hauptquelle des niederfrequenten Geräusches die öffentliche Infrastruktur: Windturbinen,
Pipelinenetzwerke, Industriewerke, Straßen- und Eisenbahnverkehr, Kanalisation, und so weiter. Ihre Vergrößerung
ist enorm, da sie mit unserer schnell zunehmenden Sozialfürsorge und Industrialisierung einher geht.
Neue Erfindungen wie Fernheizung und unterirdischer Mülltransport fügen außerdem Quellen von LFN hinzu.
In den letzten Jahren hat es zunehmend wissenschaftliche Arbeiten über die Sensibilisierung des Gehörs für
niederfrequenten Lärm gegeben. Dieses Papier diskutiert mehrere der vorgeschlagenen Mechanismen für dieses
biophysikalische Phänomen.

[yewie56]

Für das menschliche Gehör hörbarer Ton befindet sich zwischen 20 - 20.000 Hz, an den Enden diese Bereiches
nimmt die Hörbarkeit ab. In der Audiologie wird dieser Bereich auf den Bereich von Sprache zwischen
125 - 8000 Hz [2] eingeschränkt. Grob kann niederfrequenter Lärm (LFN) unterhalb dieses Bereiches, also
unterhalb von 125Hz, angesiedelt werden. Töne jeder Frequenz werden außerdem über den Schädel übertragen
ohne durch die Hörmuschel zu gelangen. Dies wird Knochenleitung genannt und dort wiederum werden vor allem
die niedrigen Frequenzen bevorzugt. Da niedrige Frequenzen geringer durch die Ohrmuscheln und mehr durch die
Knochenleitung aufgenommen werden, enthalten sie keine Rauminformation. (Wir wissen nicht, woher diese Töne kommen)
(Aus diesem Grund gibt es bei einem Laustprechersystem nur einen Subwoofer)
Der maximal ertragbare Schalldruck beträgt 140 dB (ref. 20uPa) - die Schmerzgrenze.
Zur Erläuterung: LKW-Verkehr erzeugt ungefähr 80 dB, und ein normales Gespräch 60 dB [2].
Bei mittleren Schalldruckpegeln wird der Bereich der Sprache besser aufgenommen als sehr niedrige
oder sehr hohe Frequenzen. Dies spiegelt sich in dem weit verbreiteten dBa Bewertungsstandard wieder.
Bild 3 stellt den niederfrequenten Teil dieses Bewertungsstandartes dar.

Die Hörschnecke (cochilea) ist eine knöcherige Struktur mit drei durch Membrane voneinander abgetrennten Räumen
(scala vestibuli, scala media - auch ductus cochlearis und scala tympani), welche mit (verschiedenen) Flüssigkeiten
gefüllt sind.
Die Basiliar-Membran wird durch Wellen des Schalldruckes im oberen Raum (scala vestibuli) in Bewegung versetzt.
Diese Bewegung regt die äußeren Haarzellen des Sinnesorgans auf der Basiliarmembran - dem Cortischen Organ - an.
Diese liegt im mittleren Raum (scala media) der Hörschnecke. Die äußeren Haarzellen funktionieren dabei
als Vorverstärker und regen die inneren Haarzellen an. Die inneren Haarzellen setzen die mechanischen Reize in
elektrische Reize um.

SNAG-0008.jpg

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daviddarling-cochlea.jpg

http://www.daviddarling.info/encyclopedia/C/cochlea.html

ETH_Enz_Brit_Cochlea_cross_section.gif

http://www.ifd.mavt.ethz.ch/research/group_lk/projects/cochlear_mechanics

wiki 490px-Cochlea.svg.png

http://de.m.wikipedia.org/wiki/Datei:Cochlea.svg

charite-cochlea.jpg

http://www.charite.de/klinphysio/themen_ahg/ear2_anatomy_d.htm

rice-corti.gif

http://www.ece.rice.edu/~dhj/cochlea.html
Die stereocilia (Die Häarchen) werden beim Auf- und Ab der Membran in seitliche (!)
Bewegungen umgesetzt.

[yewie56]

SNAG-0009.jpg

In Abbildung 2 sind die Empfindlichkeitskurven der inneren und der äußeren Haarzellen dargestellt.
Zusätzlich dazu der Verlauf des Geräusch-Spektrums einer holländischen Windkraftanlage.
Erkennbar ist, dass oberhalb von 50Hz das Spektrum von einer normal hörenden Person gehört werden
kann.
(Die Blaue Kurve liegt dort oberhalb der schwarzen Hörschwelle.
Unglücklich ist in diesem Diagramm die Vermischung von Aktiva und Passiva in Relation zur Hörschwelle.
Während ein Geräusch (Aktiva) hier als blaue Kurve dargestellt ist und oberhalb der Hörschwelle liegend hörbar
ist, sind die grünen und roten Kurven Passiva, nämlich die Empfindlichkeit der inneren und äußeren
Haar- oder Hörzellen.
Liegen diese Empfindlichkeitskurven - wie auch in Figur 1 UNTERHALB der Hörschwelle,
dann können eben diese äußeren Haarzellen
noch weit unterhalb dieser Hörschwelle niedrige Frequenzen - ich sage mal bewusst - spüren)

Geräusch unterhalb von 5Hz ist unhörbar für jeden. Der Bereich zwischen 5 und 50Hz ist nicht hörbar,
es sei denn, dass sich die Empfindlichkeit der äußeren Haarzellen einer Person geändert haben würde.
Frequenzen niedriger als 20Hz können normalerweise nicht gehört werden.
Sie können jedoch als Vibrationen vernommen werden, ganz so ähnlich als würde man neben
einem Subwoofer Lautsprecher stehen.
Trotzdem kann eine Minderheit von Personen diese niederfrequenten Wellen nicht nur spüren sondern
auch hören.
Niedrig-Frequenz Audiogrammme von drei sehr empfindlichen Personen sind in Bild 1 dargestellt.
Diese drei Personen sind in der Lage unterhalb von 20Hz zu hören. Bei Schalldruckpegeln welche sogar noch
20dB unter denen normalhörender Personen liegen.
(Erläuterung: Die Kurven liegen fast vollständig unter der genormten ISO 226:2003 Hörschwelle
und der gedachten Verlängerung von ihr bis in den Infraschallbereich. Betrachtet man beispielsweise
die Dreieck-Person bei 20Hz, so liegt sie bei 60dB also 20dB unterhalb der Hörschwelle von 80dB.
Da 3dB immer dem Abstand der Verdoppelung der Lautstärke entspricht, hört die Person noch bei 20Hz Frequenzen,
welche nur etwa 1/128 (!!!) so laut sind, wie bei einem normal Hörenden)
Verschiedene Mechanismen in der Cochilea können für diese erhöhte Empfindlichkeit und für andere
gesundheitliche Effekte verantwortlich sein. Wir werden zwei hydromechanische und zwei neuronale
Mechanismen beschreiben.
(Anmerkung: Diese Mechanismen hat man sich nicht einfach so ausgedacht. Sie sind messtechnisch erforscht,
teilweise allerdings nicht beim Menschen und verfügbar durch die umfangreichen Literaturstellen des Berichtes)

Enz_Brit_Basilar_membrane_analysis_of_sound_frequencies.gif hires.gif

http://www.ifd.mavt.ethz.ch/research/group_lk/projects/cochlear_mechanics/

inn02.gif

http://www.dasp.uni-wuppertal.de/ars_auditus/physiologie/inn02.htm

101352567970558.jpg

http://www.studyblue.com/notes/note/n/neuroanatomy-lecture-13/deck/4427248

[Bischter-Brummgiggel]

Danke Yewie !

[yewie56]

Gerne geschehen !

Es wurde gezeigt, dass die Anregung der cochlea durch Anschwellung (hydops) der Flüssigkeit (endolymph) im mittleren
Raum hervorgerufen wird [3].
Diese Anschwellung verursacht einen Fluss des endolymphs durch einen schmalen Kanal, welcher mit dem sacculus verbunden ist.
Der sacculus wiederum ist eine (druckausgleichende) Kammer, welche jedoch auch Sinneszellen enthält. Diese liefern
neuronale Impulse zum Gehirn, sobald der Kopf bewegt wird.
Sobald diese Zellen durch den endolymphatischen Fluss gereizt werden, verspürt man vertigo (Schwindelgefühl) [4].

Es ist bekannt, dass das endolymphatische Anschwellen (im mittleren Raum) zu einem Verschluss des helicotremas (an der
Schneckenspitze) beiträgt.
Wenn dieses helicotrema allerdings verschlossen ist, dann werden die einlaufenden Schallwellen im oberen Raum
am helicotrema reflektiert und wandern im oberen Raum zurück. Sie interferieren im oberen Raum mit den einlaufenden Wellen,
was dazu führen kann, dass die einlaufenden Wellen verstärkt werden können.
Die rücklaufenden Wellen starten am apex (Schneckenspitze) und verlieren dann ihre Energie im Rücklaufen des oberen Raumes
zurück zu dessen Basis. Die höchste Energie entsteht dabei in der Nähe des apex. Dies erzeugt eine Reizung des Hörorganes
in der nähe des apex.
Und dies ist nun genau jener Bereich, in welchem Empfindlichkeit für niederfrequente Signale am höchsten ist

(Es entsteht eine stehende Welle im Ohr. Stehende Wellen in einer Röhre haben ihr Maximum genau am Reflexionsort
Weiter erinnern wir uns, dass eigentlich die einlaufenden Wellen vom oberen Raum über das helicotrema in den unteren Raum
wandern sollten, in welchem dann die Energie dieser Wellen vernichtet werden sollten. Mhm, wie das genau geschehen sollte,
weiß ich nicht, ich vermute aber, dass die Umleitung durch das helicotrema eine Phasenumkehr hervorruft.
Dann würden sich im oberen und unteren Raum phasenverschobene Wellen gegenüberstehen und sich gegenseitig auslöschen können)

Die Folge dieser Reflexion ist es, dass das Gehör um 20-30dB empfindlicher gegenüber niedrigfrequenten Signalen wird [8].
Nun ist der Abstand der Empfindlichkeitskurven zwischen inneren und äußeren Haarzellen ebenso etwa 20dB. Und dies
unterstützt die Idee einer LFN-erzeugten Empfindlichkeitserhöhung.

tdmu-edu-ua_image007.jpg

http://intranet.tdmu.edu.ua/data/kafedra/internal/anatomy/classes_stud/en/nurse/1/16%20Organ%20of%20balance.%20Organ%20of%20hearing.htm

tdmu-edu-ua_image015.jpg

http://intranet.tdmu.edu.ua/data/kafedra/internal/anatomy/classes_stud/en/nurse/1/16%20Organ%20of%20balance.%20Organ%20of%20hearing.htm
Der Übergang in den sacculus ist rechts neben der (3) zu sehen..

uni-protokolle_oh2.gif

http://www.uni-protokolle.de/foren/viewt/275223,0.html
Der sacculus müsste hier das sein, was als Vorhof bezeichnet ist

[yewie56]

Wie wir von der DBA-Kurve gesehen haben, werden höhere Frequenzen bei den meisten Schalldrücken besser wahrgenommen
als niedrige Frequenzen. Bei Schalldrücken, welche höher als 85dB SPL sind, konnte jedoch ein umgekehrtes Verhalten
beobachtet werden: bei Messungen der Hörantwort bei Labortieren war diese im Bereich 5-50Hz höher als bei
einem 500Hz Ton. [9]

Eine andere interessante Beobachtung in diesem vorgenannten Laborexperiment ist die Beobachtung biologischer
Amplitudenmodulation: Töne mit höherer Frequenz kann die Reaktion der Cochlea auf sehr niedrige Frequenzen unterdrücken.
Und sogar umgekehrt: Bei einem Ton niedriger Frequenz und so geringem Pegel, dass er praktisch nicht wahrgenommen
werden kann, wurde ebenfalls eine bemerkenswerte Beobachtung gemacht: Ein Ton von beispielsweise 50Hz war
imstande gewesen, die Antwort der Schnecke zu höheren Frequenzen [9] zu unterdrücken.

Wenn das Spektrum des Geräusches zwei gleichschwingende (kohärente) höherfrequente Töne mit nur geringfügig
unterschiedlichen Frequenzen enthält, dann zeigt dieses Interferenz-Muster eine niedrig frequente Schwebung.
Unser Gehör empfängt diese Form von Amplitudenmodulation als so genannten Differenz-Ton.
Normal hörende Personen können unter bestimmten Bedingungen diese Form niedriger Frequenzen auch hören,
beispielsweise wenn sie ein Musikinstrument stimmen. Musiker kennen diese Töne als "Tartini-Töne".
Leser, welche dieses biophysikalische Phänomen nicht kennen, sind eingeladen, das Sound-Sample unter [10] online
anzuhören.

(Viele Begriffe für ein und dasselbe. Es sollte eigentlich nur zwei davon geben, da alle anderen Begriffe
immer nur genau dasselbe bezeichnen und damit zur Verwirrung beitragen: die Schwebung oder englisch: Beat-Tones)

(Das ist überhaupt nichts Verwunderliches, dies ist eine ganz normale physikalische Erscheinung.
Damit ist dies auch keine BIOLOGISCHE Amplitudenmodulation, sondern ganz einfach eine PHYSIKALISCHE
Eines jedoch kann diese Erscheinung ganz gut erklären:
Das Gewummere des Brummtones, ähnlich wie bei einem LKW-Motor im Leerlauf.
Der Ton wird ständig etwas lauter und leiser - eben eine Amplitudenmodulation)

[yewie56]

Auch wenn der Artikel noch nicht fertig übersetzt ist: Eine Bemerkung sei mir noch erlaubt:

Der Effekt der stehenden Welle im Ohr bei - kankhaftem - Verschluss oder Öffnungsreduzierung des helicotremas würde natürlich auch dazu führen, dass externes technisches Gerät die gehörten Brummtöne definitiv NICHT messen kann.
Obwohl jedoch durchaus eben niederpegeliger niederfrequenter Lärm durchaus messbar ist,
aber eben im Pegel das technische Regelwerk nicht überschreitet, könnte sich durch diesen Mechanismus
im Ohr bei so niedrigen Pegeln eben doch ein hoher und hörbarer Pegel einstellen.

Sollten jedoch krankhafte Veränderungen im Ohr verursacht worden sein durch zuviel und zu lauten
Umweltlärm niederfrequenter Herkunft, dann tragen jene eine einklagbare Verantwortung, welche
permanent dieses technische Regelwerk verwässern. So geschehen beim Versuch der Novellierung dieser
DIN-Richtlinien erst vor kurzem. Der Betreiber dieser Verwässerungen war da die deutsche Bahn AG.