Dzięki uprzejmości redaktora naczelnego "High Fidelity OnLine" - pana Wojciecha Pacuły - mamy przyjemność przedstawić czytelnikom HFOL zestaw zagadnień, powiązanych z szeroko rozumianym tematem dźwięku. Postaramy się poruszyć te sprawy, które poza nielicznymi publikacjami o charakterze akademickim, nie były przybliżane szerokiemu gronu miłośnikom muzyki słuchanej w domowym zaciszu. Chcielibyśmy zająć się również tymi problemami, które pojawiają się rzadziej, a zasługują na zainteresowanie.

Ponieważ nie ma możliwości, aby przedstawić wszystkie zagadnienia związane z dźwiękiem, teksty będą wyborem, swego rodzaju "autoportretem", odbiciem tego, co nas interesuje i frapuje. Jakby jednak nie było, zacząć trzeba od podstaw, a więc od dźwięku jako zjawiska fizycznego, realizacji nagrań i psychoakustyki. Ponieważ zajmujemy się budową kolumn, postaramy się przekazać również nasze podejście do konstruowania sprzętu w ogóle. Nie mamy zamiaru w tym miejscu uprawiać tandetnie pojętej reklamy, skupimy się raczej na całościowym podejściu do konstruowania urządzeń (w naszym przypadku - kolumn głośnikowych), za pośrednictwem których można, z dala od wspaniałych sal koncertowych, cieszyć się dźwiękiem w "domowych pieleszach".

To tyle - w skrócie - na początek.

I. Podstawa podstaw - fizyka dźwięku (wybrane elementy)

W rozdziale tym przybliżymy tylko podstawowe zagadnienia z fizyki dźwięku, nie będziemy zagłębiać się w meandry i całą złożoność zjawiska fali dźwiękowej w interesującej nas postaci (tzn. częstotliwości i ciśnieniu).

Przyjęto umownie, że zakres częstotliwości słyszalnych przez człowieka zawiera się w granicach ok. 16-20000 Hz, czyli nieco ponad dziesięć oktaw (jest to duże uproszczenie, ale o tym później). Częstotliwości niższe nazywają się infradźwiękami, zaś wyższe ultradźwiękami. Zrozumiałe jest, że nie będziemy się nimi zajmować (poza jednym wyjątkiem, ale już w innym rozdziale).

Ważną cechą fali dźwiękowej jest sposób jej propagacji w ośrodku gazowym (i płynnym) - rozchodzi się ona prostopadle do źródła dźwięku, jest więc falą mechaniczną podłużną. Drgania cząstek powietrza (lub innego ośrodka) powoduje naprzemienne zagęszczenia i rozrzedzenia, które tworzą falę. Dla naszych rozważań warto zaznaczyć, że zakres użyteczny częstotliwości mieści się w obszarze znacznie węższym niż podane powyżej 16-22000 Hz, a to za sprawą wątpliwej użyteczności fali o długości poniżej 30-40 Hz. Trzeba bowiem zdać sobie sprawę, że fala o częstotliwości np. 20 Hz ma długość... 17 m. Częstotliwości o podobnej wartości (i niższej) i odpowiednio dużym ciśnieniu akustycznym mogą doświadczyć wszyscy posiadacze subwooferów, tyle tylko, że najwięcej "poweru" z tego subwoofera doświadcza nie sam jego użytkownik, tylko jego sąsiedzi... Ile to razy słyszałem opowieści o tym, że jakiś człowiek po wytarganiu wielkiego "suba" na któreś tam piętro swojego bloku i odpaleniu go w swoim ukochanym systemie, basu nie słyszał z niego w ogóle... natomiast sąsiadom trzy piętra poniżej i powyżej drzwi od lodówki same się otwierały, a kanapa samoczynnie wędrowała z dużego pokoju do łazienki...

Wróćmy jednak do głównego wątku. Oprócz fali podłużnej, powinna interesować nas jeszcze jedna odmiana propagacji fali dźwiękowej - poprzeczna. Często występuje ona w ciałach stałych, np. metalach. Mogą mieć również charakter złożony. Właśnie tego typu drgania występują w membranach głośnikowych i obudowach kolumn. Prędkości tych fal są zasadniczo większe niż w powietrzu. Dla porównania; prędkość fali w powietrzu o temp. 20 C wynosi 344 m/s, w stali wzrasta ona już do 5000 m/s. W materiałach ceramicznych bądź cermatalach jest jeszcze wyższa (ok. 9000 m/s). W pewnym stopniu ma ona wpływ na własności ruchu np. membrany, ale nie tak wielki jak się powszechnie sądzi, szczególnie wśród miłośników tzw. super-ultra sztywnych membran.

Fale dźwiękowe odbijają się od przeszkody. W pomieszczeniach zamkniętych, czyli między innymi w naszych mieszkaniach, na skutek wielokrotnych odbić o nakładających się przebiegach następuje, w pewnym sensie, całkowite "wypełnienie" pomieszczenia dźwiękiem. Im silniejsze własności odbijające fale dźwiękowe mają dane powierzchnie, tym owe "wypełnienie" jest gęstsze. Oczywiście nie ma to nic wspólnego z jakością akustyki pomieszczenia, w którym słucha się na co dzień muzyki.

Aby całkiem nie zanudzić czytelnika, pominiemy teraz niektóre właściwości fali takie jak interferencję, zasadę Huygensa, prawo Snella czy zjawisko Dopplera. Powrócimy niechybnie do nich w dalszych, bardziej szczegółowych rozważaniach nt. konstrukcji kolumn i psychoakustyki.

II. Akustyka fizjologiczna i psychoakustyka

W tym rozdziale przedstawimy wybrane zagadnienia z bardzo szerokiego zakresu wiedzy nt. własności słuchu ludzkiego i percepcji dźwięków.

Pojęcie dźwięku można definiować z punktu widzenia fizycznego (fala akustyczna o określonej energii i własnościach) jak i psychofizjologicznego (wrażenia głośności, barwy, wysokość tonu). Percepcja dźwięku łączy efekty działania trzech układów: źródła dźwięku, ośrodka, w którym się ten dźwięk rozchodzi i kładu odbiorczego - czyli aparatu słuchowego.

O ile dwa pierwsze są na ogół dość dobrze poznane i zdefiniowane, to trzeci układ - narząd słuchu - w niewielkim stopniu. Współczesna nauka nie jest w stanie precyzyjnie i jednoznacznie określić jak DOKŁADNIE działa cały aparat słuchowy człowieka, ponieważ jego najważniejsza i najbardziej złożona cześć znajduje się w korze mózgowej. Części aparatu słuchowego (tzw. ucho zewnętrzne, środkowe i wewnętrzne) są znane medycynie już od dawna, ale nad tym co się dzieje z sygnałem nerwowym opuszczającym ten układ usilnie pracowały i dalej pracują najtęższe głowy. Twierdzenia w tym przypadku opierają się raczej na przypuszczeniach niż na dowiedzionych doświadczalnie pewnikach. Dlaczego? Po pierwsze, wynika to z faktu niemożności precyzyjnego ustalenia, jak mózg ludzki odbiera, dekoduje i "obrabia" impulsy nerwowe - istnieje wiele równouprawnionych teorii na ten temat (trudno, aby je w tym miejscu przedstawiać). Po drugie, subiektywnego charakteru wrażeń dźwiękowych i wielkości związanych z percepcją dźwięku po prostu nie da się zmierzyć... zamiast wyników pomiaru, można wyznaczyć jedynie prawdopodobieństwo wartości jakiejś wartości, lub też prawdopodobieństwo wystąpienia samego zjawiska. Psychoakustyka wykazuje duże podobieństwo do mechaniki kwantowej, zajmującej się badaniem ruchu cząstek elementarnych, których korpuskularno-falowy dualizm nie pozwala na dokładne określenie ich położenia i pędu. Mechanika kwantowa opiera się w większości przypadków na probabilistycznym opisie tego ruchu wynikającym z zasady nieoznaczoności Heisenberga. Podobnie ma się sprawa z psychoakustyką. Powyższa zasada - odnosząca się również do tej nauki - nie neguje naszej wiedzy o percepcji dźwięku, a wskazuje raczej na ograniczoną stosowalność pojęć fizyki klasycznej do percepcji dźwięku. Podobnie jak mechanika kwantowa, psychoakustyka próbuje przewidzieć zachowanie się układu - systemu słuchowego człowieka - w określonych warunkach fizycznych. Jego zachowanie się oraz odpowiadającym mu wielkości, związanych głównie z dziedziną częstotliwości i czasu, nie daje się jednoznacznie określić, co wynika z zasady nieoznaczoności odnoszącej się do dźwięku. Wielkościom tym można jedynie przyporządkować wartości pewnych prawdopodobieństw, bądź też wyznaczyć rozkłady tych prawdopodobieństw. Jest to jeden z powodów, dla których uważamy, że poszukiwanie "w pełni doskonałego systemu odsłuchowego" można uznać za utopię godną pierwowzorowi Morusa.

Warto w tym miejscu jeszcze zaznaczyć, że psychoakustyka, która ma wiele powiązań z fizyką, wykazuje wiele interdyscyplinarnych związków z innymi dziedzinami wiedzy, w tym głównie z psychologią eksperymentalną, audiologią, neurofizjologią.

Przejdźmy teraz do spraw nieco bardziej przystępnych. Jak działa nasz słuch? Teoretycznie, słuch ludzki potrafi odebrać drgania o częstotliwości od 16 Hz do 20000 Hz. Jest to duże uproszczenie, nie mające wiele wspólnego z rzeczywistością. Po pierwsze, powyższy zakres jest słyszalny tylko wtedy, gdy energia dźwięku jest duża. Dla częstotliwości bardzo niskich (poniżej 200 Hz) i bardzo wysokich (powyżej ok. 8000 Hz) czułość ucha drastycznie maleje, spada także w tych zakresach próg dyskryminacji dźwięków (rozróżnialność). Po drugie, zakres 16-20000 Hz mogą odbierać jedynie bardzo młodzi ludzie i to niewielu z nich. (Osoby o słuchu muzycznym potrafią określić wysokość dźwięków z dokładnością 0,3-1 %, czyli od 4 do 10 centów, 1 cent = 1/100 półtonu. Dla najlepiej słyszalnych częstotliwości - około 2 kHz - można zauważyć zmianę wysokości nawet o 4 Hz odczuwaną bardziej jako zmiana barwy dźwięku).

Ucho ludzkie jest w stanie usłyszeć dźwięki o natężeniu od 0 do 120 dB, co oczywiście w rzeczywistych warunkach jest niemal nieweryfikowalne. Nigdy nie słyszymy dźwięków o natężeniu 0 dB, jak też nigdy nie zdarza się "słuchać" dźwięku o natężeniu 120 dB - przy tym poziomie natężenia słuch ludzki ulega bezpowrotnemu uszkodzeniu. Tak więc użyteczny zakres dynamiki ludzkiego słuchu jest zasadniczo węższy, niż podają to podręczniki wskazując na najczęściej używany zakres 0-120 dB. I w tym miejscu można zadać pytanie co poniektórym: ponieważ 120 dB to 10 do potęgi dwunastej czyli 1000000000000 (tyle razy większa jest energia najgłośniejszego dźwięku od najcichszego jaki człowiek jest w stanie usłyszeć), czy jest więc ktoś, kto potrafi udowodnić, że potrafi usłyszeć taką rozpiętość dynamiczną? Pytanie pozostawiam otwarte.

Chcielibyśmy teraz przybliżyć Czytelnikom niektóre właściwości słuchu ludzkiego, które w zasadniczy sposób wpływają na nasz odbiór zarówno dźwięków i muzyki.

Maskowanie dźwięków. To właściwość słuchu, która sprawia, że w chwili gdy dociera do nas kilka dźwięków na raz, tony silniejsze i o niższej częstotliwości osłabiają subiektywny poziom tonów cichszych, czasem powodując ich całkowite "przykrycie". Zjawisko to jest tym silniejsze, im częstotliwość i kierunki, z których dobiegają, są bardziej do siebie zbliżone.

Nieliniowość słuchu. Polega on na generowaniu przez ucho tonów harmonicznych w wyniku dostarczenia zbyt silnych bodźców zewnętrznych. Czasami zwie się to "trzeszczeniem" w uchu. Zjawisko to następuje w rejonie największej czułości ucha wewnętrznego, czyli w okolicach 2-5 kHz. Jako ciekawostkę można przytoczyć fakt, że ucho także samoistnie wytwarza słabe sygnały akustyczne. Zjawisko to nazywa się otoemisją akustyczną.

Adaptacja słuchu. Słuch ludzki potrafi w bardzo krótkim czasie przyzwyczaić się do dźwięku, co objawia się tym, że po jakimś czasie, mimo tego samego natężenia wydaje się on cichszy. Zjawisko to nazywa się adaptacją słuchu. W takich sytuacjach następuje bowiem automatyczny (regulowany przez centralny ośrodek słuchu umieszczony w korze mózgowej) spadek czułości słuchu. Po dłuższej przerwie wszystko wraca do poprzedniego stanu.

Czas refrakcji. Jest to cecha słuchu, która w znaczny sposób wpływa na nasz odbiór dźwięku. Nazywa się ją także bezwładnością słuchu. Ucho nie od razu reaguje na bodźce dźwiękowe. Zanim uświadomimy sobie, jaka jest częstotliwość dźwięku, który do nas dotarł, mija co najmniej 15 ms. Czas ten jest tym dłuższy, im częstotliwość jest niższa. Dla tonów "średnicy" (200-25000 Hz) waha się w granicach 30 do 15 ms. Dla częstotliwości najniższych znacznie się wydłuża, osiągając nawet 0,1 s. Można więc powiedzieć, że słuch nie nadąża za szybkością zmian dźwięku.

O krzywych Fletchera-Munsona nie będziemy się pisać, ponieważ były one już omawiane na wielu popularnych stronach (polskich również) poświęconych zagadnieniom audio (m.in. internetowej "inkarnacji" "Magazynu HI-FI").

W następnym odcinku postaramy się przybliżyć zasady postrzegania i percepcji dźwięków występujących w naturze (w tym oczywiście instrumentów muzycznych).

Mirosław Kucia
Roman Trojanowski

Autorzy są właścicielami i konstruktorami firmy CMC, zajmującej się budową kolumn głośnikowych - red.