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Wissenschaft im Alltag: Hörgeräte - Orientierung auf der Cocktailparty

Hören, das bedeutet Schallwellen in neuronale, also elektrische Signale umzuwandeln und im Gehirns auszuwerten. Digitale Systeme simulieren immer mehr Fertigkeiten der akustischen Wahrnehmung.
Hörgerät
Geräte im Gehörgang | Kleine Geräte im Gehörgang nutzen dessen Richtwirkung. Sie verstärken Schall um bis zu 40 Dezibel (dB).
Auf dem Weg von Schallwelle zu elektrischem Impuls werden im menschlichen Hörapparat zunächst die Luftbewegungen über Trommelfell und Gehörknöchelchen auf die Basilarmembran des Innenohrs übertragen. Deren Vibrationen bewegen die Haare der inneren Haarzellen. Diese wiederum erzeugen Ionenströme und setzen Botenstoffe für die Weiterleitung durch den Hörnerv frei. Wird das komplexe System durch Krankheiten oder Alterungsprozesse stark gestört, sind die Folgen für den Betroffenen schwer wiegend, denn ein Großteil der menschlichen Kommunikation erfolgt durch Sprache.

Hörgeräte analysieren auf mehreren Frequenzkanälen | Digitale Hörgeräte analysieren den eintreffenden Schall in mehreren Frequenzkanälen, um Sprache und Störgeräusche zu unterscheiden und dann gegebenenfalls das Sprachsignal gezielt zu verstärken.
Je nach Ursache der Behinderung erleichtern Hörgeräte das Los der Erkrankten. Analoge Geräte trennen das über ein Mikrofon aufgenommene akustische Signal meist nur in tiefe, mittlere und hohe Frequenzen und verstärken jeden dieser drei Kanäle für sich. Digitale Systeme – seit 1996 auf dem Markt – unterscheiden bis zu 22 Frequenzbänder, die sie separat analysieren und in der Lautstärke differenziert anheben. Zudem versuchen die Entwickler, die technischen Möglichkeiten auszuschöpfen, um ein "komfortables" Hören zu ermöglichen. So empfinden Schwerhörige laute Geräusche oft als besonders unangenehm, vermutlich infolge defekter äußerer Haarzellen. Normalerweise erweitern diese Strukturen den Dynamikbereich des Gehörs, indem sie starke Schwingungen der Basilarmembran dämpfen und schwache verstärken. Getrennt für jedes Frequenzband hebt eine individuell einstellbare Automatik deshalb leise Signale deutlich an und verstärkt laute nur wenig.

Hörgerate: leistungsfähig hinter der Ohrmuschel | Hinter dem Ohr getragene Hörgeräte können Schall um bis zu 80 Dezibel verstärken. Sie eignen sich deshalb auch für hochgradig Schwerhörige. Denn diese Systeme bieten Platz für große Batterien, eine Telefonspule zum Empfang elektromagnetischer Wellen eines Telefonhörers oder einer Fernbedienung für die Einstellung. Zwei Mikrofone unterstützen das Richtungshören.
Hintergrundgeräusche sind ein weiteres Problem, da sie das Sprachsignal überlagern. Hörgeräte filtern deshalb im ersten Schritt Frequenzen unterhalb von 100 bis 200 Hertz heraus, wie sie zum Beispiel Motoren erzeugen. Digitale Systeme suchen zudem in den verschiedenen Frequenzkanälen nach Sprachsignalen, beispielsweise anhand statistischer Eigenschaften, um dann Störungen durch Filter zu unterdrücken.

Selbst der Cocktailparty-Effekt lässt sich heute mit Hörgeräten erreichen. Der normal Hörende verfügt über ein Arsenal physiologischer Funktionen, um selbst bei hohem Geräuschpegel zu verstehen, was sein Gegenüber ihm erzählt. Kommt das Signal beispielsweise von links, die Störung aber von rechts, verarbeitet das Gehirn bevorzugt die Informationen des linken Ohrs (Kopfschatten-Effekt). Aber auch bei nur leichten Richtungsdifferenzen vermag das gesunde Gehör Signal und Rauschen gut zu differenzieren. Dies zu imitieren setzt eine Richtcharakteristik des Mikrofons voraus: Seine Empfindlichkeit ist nach vorn maximal, zur Seite aber gering (so genannte Nierencharakteristik).

Wahrgenommener Schalldruckpegel entscheidet Grad der Schwerhörigkeit | Hörverlust wird anhand des Schalldruckpegels gemessen, ab dem erst eine Wahrnehmung erfolgt (in Relation zum Hörvermögen eines jungen gesunden Menschen). Bei Verschlechterung um 20 dB wird der Schall nur noch halb so laut gehört,. Der dunkle Bereich umfasst Frequenz und Schalldruckpegel einer ruhigen Stimme, die Position von Vokalen und Konsonanten (graues Feld) entspricht mittleren Werten.
Digitale Hörgeräte arbeiten mit zwei bis drei Mikrofonen, die miteinander gekoppelt werden. Entdecken die Signalprozessoren kein Sprachsignal, empfängt das System aus allen Richtungen gleichermaßen. Ansonsten steuern sie die Mikrofone so, dass eine Richtcharakteristik entsteht. Das Empfindlichkeitsminimum weist dann in Richtung der störenden Lärmquelle. Sogar wenn sich diese bewegt – etwa ein Auto – lässt sich die Störung auf diese Weise abdämpfen, ohne dass der Schwerhörige den Vorgang bemerkt. Leider stoßen die heutigen Spracherkennungsverfahren noch an Grenzen, sobald mehr als eine Person redet.


Wussten Sie schon?

  • Schwerhörigkeit ist nicht nur ein Altersleiden. Laut offiziellen Studien leiden in Deutschland etwa 2,5 Prozent der 20-Jährigen an Hörschäden – mit steigender Tendenz; bei den 50-Jährigen sind es fast 10, bei den 75-Jährigen über 30 Prozent.

  • Rückkopplungen sind die Folge, wenn vom Lautsprecher erzeugter Schall wieder aufgenommen und erneut verstärkt wird. Digitale Prozessoren identifizieren die Störung und ihre Mittenfrequenz, sehr schmalbandige Filter eliminieren das unangenehme Pfeifen.

  • Wind an den Mikrofonöffnungen erzeugt ein tieffrequentes, fluktuierendes Rauschen. Die zugehörigen Spektren sind weit gehend unkorreliert – das ist der Hinweis für die Steuerung des Hörgeräts, zum Beispiel niedrige Frequenzen weniger zu verstärken.

  • Das bis ins späte 19. Jahrhundert verwendete Hörrohr verstärkte den Schall zwar um 10 bis 30 Dezibel, doch nur zwischen etwa 500 und 2000 Hertz. Gerade die für das Sprachverständnis wichtigen höheren Frequenzen gehen bei Schwerhörigkeit oft als Erste verloren.



  • "Wissenschaft im Alltag" ist eine regelmäßige Rubrik in Spektrum der Wissenschaft. Eine Sammlung besonders schöner Artikel dieser Rubrik ist soeben als Dossier erschienen.

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