Podstawy

Dzwiek jest zjawiskiem fizycznym, ktore towarzyszy nam wszedzie. Dzwiekiem odbieranym przez czlowieka jest zjawisko drgania czastek powietrza w zakresie czestotliwosci od 16 hercow do 20 kilohercow. Pasmo to nazywa sie pasmem akustycznym. Konstrukcja ludzkiego aparatu sluchowego sprawia, ze jest ono ograniczone do tych wlasnie wartosci.

Podstawowym warunkiem zaistnienia zjawiska dzwiekowego jest obecnosc osrodka, ktorego czasteczki moga zostac wprawione w ruch. W prozni zjawisko to nie zachodzi. Dzwiek jest zaburzeniem falowym. Gdy na przyklad rzucimy do wody kamieñ , spowodujemy zaburzenie pewnego ustalonego porzadku, wywolujac powstanie ruchu o charakterze falowym. Oznacza to, iz np. wibracje instrumentow, powodujac cykliczne rozrzedzanie i zageszczanie molekul powietrza wymuszaja ruch fali dzwiekowej, ktora docierajac do ucha powoduje efekt slyszenia dzwieku. Proces ten w prosty sposob zobrazowac mozna na podstawie pracy glosnika. W momencie, gdy jego membrana wychyla sie na zewnatrz powietrze zostaje zageszczone i jego cisnienie jest wyzsze od atmosferycznego. W przypadku wychylenia membrany do wewnatrz powietrze zostaje rozrzedzone, osiagajac cisnienie nizsze od atmosferycznego. Tak wytworzona, przez poruszajace sie poprzez reakcje lañcuchowa molekuly powietrza, fala rozchodzi sie z predkoscia 1200 km/h. Im wieksza jest intensywnosc wibracji tym wyzsza jest amplituda szczytowa, a co za tym idzie glosniejszy jest dzwiek. Jedna fala oznacza jedno pelne drganie okreslane mianem cyklu.

Czestotliwosc

Czestotliwosc jest pierwsza podstawowa cecha fizyczna charakteryzujaca zjawisko dzwieku. Dla okreslenia wartosci czestotliwosci wprowadzono jednostke zwana hercem, od nazwiska niemieckiego fizyka Heinricha Rudolfa Hertza (1857-1894). Jeden herc reprezentuje jeden pelen cykl w ruchu falowym, to znaczy od szczytu do nastepnego szczytu fali. Dzieje sie tak, bowiem wlasciwa istota dzwieku sa drgania. Charakterystyczna cecha drgañ jest ich okres. Ilosc takich drgañ (okresow) zachodzacych w ciagu sekundy okreslana jest w okresach na sekunde. I wowczas jedno drgniecie (okres) w ciagu jednej sekundy okreslane jest jako 1 Hz (herc). 1500 drgañ w ciagu 1 sekundy to 1500 Hz. A ilosc drgañ w ciagu jednej sekundy oznacza czestotliwosc (wysokosc) danego dzwieku. Dla muzykow, wysokosc dzwieku "a" odpowiada 440 okresom/sekunde czyli 440 Hz Dzwieki z zakresu lezacego ponizej pasma akustycznego, zwane sa infradzwiekami i odbieramy je jako serie impulsow, natomiast dzwieki majace czestotliwosc powyzej 20 kHz to ultradzwieki. Moga byc one przez niektorych ludzi odbierane raczej jako odczucie niz wrazenie sluchowe. W tej czesci zostana omowione pozostale wielkosci zwiazane z dzwiekiem. Nalezy pamietac, ze kazdy instrument wytwarza czestotliwosci w pewnym okreslonym przedziale.

Zla charakterystyka czestotliwosciowa

Charakterystyka czestoliwosciowa jest odpowiedzia - sposobem, w jaki glosnik reaguje na pobudzenie go sygnalem o stalej amplitudzie i czestotliwosci rownomiernie zmieniajacej sie od najnizszych basow do najwyzszych sopranow. Glosniki posiadajace nierownomierna charakterystyke, beda "podbijaly" dzwiek nienaturalnie. Glosnik o charakterystyce plaskiej brzmiec bedzie naturalniej niz ten, ktorego charakterystyka jest poszarpana. Poza tym, plaskosc charakterystyki czestotliwosciowej umozliwia w duzym stopniu redukcje sprzezeñ miedzy mikrofonem a glosnikami. Jesli bowiem glosniki wykazuja duze uwypuklenie charakterystyki w pewnym przedziale, to moze sie okazac, ze mikrofon zareaguje na ten szczyt i na tej wlasnie czestotliwosci zacznie sie sprzegac.

Bezposredni zwiazek z czestotliwoscia fali dzwiekowej ma jej dlugosc. Poniewaz predkosc dzwieku jest ograniczona i wynosi srednio 331,8 m/s, latwo mozna obliczyc, ze fala o czestotliwosci np. 100 Hz ma dlugosc rowna 331,8/100 = 3,32 metra. Wynika to ze wzoru na dlugosc fali dzwiekowej. Dlugosc fali = cT=c/F, (gdzie c to predkosc rozchodzenia sie fali w metrach na sekunde (m/s), T to okres - w sekundach (s), natomiast F to czestotliwosc drgañ, podawana oczywiscie w hercach (Hz)). Dlugosc fali nie jest bez znaczenia z naszego punktu widzenia, bowiem gdy dokonujemy odsluchu w zamknietym pomieszczeniu, fala bezposrednia z glosnika i fala odbita od przeciwleglej sciany, a nastepnie odbita ponownie, moga nalozyc sie na siebie, powodujac powstanie tzw. fali stojacej. Praktycznym tego efektem jest oslabienie lub wzmocnienie odbioru konkretnej czestotliwosci w tym pomieszczeniu w zaleznosci od tego, czy glowa sluchajacego znajduje sie w wezle takiej fali, gdzie nastepuje zanik cisnienia akustycznego, lub tez przeciwnie - tam, gdzie amplitudy fal sa najwyzsze. W praktycznie kazdym pomieszczeniu moze wystepowac kilka takich czestotliwosci . Na przyklad jesli pokoj ma dlugosc 3 metrow, a glosniki ustawione sa przy jednej ze scian, do przeciwleglej sciany pozostaje dystans rowny 3 metrom. Na tym dystansie moga powstac fale stojace o dlugosciach 3 metrow, 1.5 meta, 0.75 meta, itd. Mozna obliczyc, ze w tym konkretnym przypadku bedziemy mieli do czynienia z uposledzeniem odsluchu dzwiekow o czestotliwosciach 110,6 Hz, 221,2 Hz, 442,4 Hz i tak dalej. Zmiany te moga byc odczuwalne w zakresie niskich czestotliwosci niosacych najwieksza czesc energii dzwiekowej, nalezy jednak miec na uwadze fakt, ze czestotliwosci srednie i wysokie moga byc lekko zafalszowane. Jest to prosty przyklad i ma sygnalizowac problem przy wlasciwym przygotowaniu pomieszczenia do odsluchu. Miedzy innymi z faktu istnienia fal stojacych wynika bowiem koniecznosc stosowania adaptacji akustycznych pomieszczeñ, w ktorych pracuje sie nad dzwiekiem. Szerzej na ten temat w dziale akustyka oraz innych artykulach naszego serwisu.

Amplituda

Dzwieki mozemy charakteryzowac nie tylko z uwagi na wczesniej wymienione elementy, lecz rowniez pod wzgledem amplitudy fali je wywolujacej. Aby przedstawic to zagadnienie obrazowo nalezy wyobrazic sobie fale o roznych wielkosciach , fale male i duze. Wysokosc takich fal nazywa sie amplituda. Wielkosc amplitudy fali ma bezposredni wplyw na glosnosc , a scislej na wrazenie glosnosci jakie odbiera nasze ucho. Czulosc ludzkiego sluchu zmienia sie w miare zwiekszania lub zmniejszania czestotliwosci dzwieku. Szerzej na ten temat w tym dziale sekcja sluch. W tym miejscu mozna jednak zasygnalizowac, ze dzwieki w zakresie 2kHz do 4kHz, sa odbierane najsilniej prze ludzkie ucho. Te ceche zawdzieczamy naturze, ktora tak pokierowala rozwojem narzadu sluchu, aby byl jak najbardziej wyczulony na odglosy mowy. Amplituda drgañ czasteczek powietrza jest zatem nastepna wazna cecha zjawiska dzwieku. Z wartoscia amplitudy jest bezposrednio zwiazane natezenie dzwieku.

Natezenie dzwieku

Natezenie dzwieku, w miedzynarodowym systemie miar SI jest okreslane za pomoca jednostki W/m2 (wat przez metr kwadratowy). Jednostka ta nie wyraza w sposob bezposredni glosnosci dzwieku, gdyz jest to odczucie subiektywne, lecz okresla ilosc energii akustycznej padajacej na jednostke miary powierzchni. Poniewaz nie jest to zbyt wygodne, a przy tym nie odpowiada logarytmicznej charakterystyce czulosci ludzkiego sluchu, natezenie wyrazane jest za pomoca skali logarytmicznej i jednostki zwanej decybelem (dB), bedacej pochodna od bela (B), ktory jest zbyt duza wartoscia dla zastosowañ w akustyce. Pomijajac szczegoly, warto pamietac, ze ze zmiana poziomu natezenia dzwieku o 6 dB subiektywnie odbierana glosnosc zwieksza sie dwukrotnie lub zmniejsza o polowe niezaleznie od wartosci poczatkowej. Dla bardziej wnikliwych natezenie dzwieku I, sprowokowanego fala sinusoidalna, opisuje sie nastepujacym wzorem I=Pa/S (gdzie Pa oznacza moc akustyczna, natomiast S to powierzchnia prostopadla do kierunku rozchodzenia sie fali. Z kolei cisnienie akustyczne to cisnienie zmienne, wywierane przez czasteczki powietrza, dzieki ktorym wrazenia dzwiekowe sa odbierane.

Faza

Faza jest okresleniem przebiegu cyklu w czasie. Jest ona mierzona w jednostkach stopni (lub radianach), rozpoczynajac od 0, a koñczac na 30. W przypadku, gdy porownujemy dwie identyczne fale dzwiekowe, z ktorych jedna jest wzgledem drugiej opozniona, mozemy mowic o przesunieciu fazowym miedzy nimi. Przesuniecie fazowe mierzone jest rowniez w stopniach i jest tym wieksze, im wieksze opoznienie wystepuje miedzy falami. Jesli dwie fale przesuna sie wzgledem siebie o 180 stopni, to nastapi ich wzajemne zniesienie (wyciszenie).

Harmoniczne i Obwiednia

Najczesciej wystepujace w naturze dzwieki - o przebiegu zlozonym - skladaja sie z tonu podstawowego, zwanego pierwsza harmoniczna oraz przytonow zwanych tonami harmonicznymi. Te wlasnie harmoniczne okreslaja charakterystyke dzwieku i jego barwe. Sprawiaja one, iz dwa dzwieki posiadajace te sama czestotliwosc, wyzwolone z roznych instrumentow np. gitary i skrzypiec brzmia inaczej. Kolejna cecha charakterystyczna dzwieku jest zmieniajacy sie poziom glosnosci w trakcie jego powstawania i trwania. Okreslany jest on mianem obwiedni, ktora podzielic mozna na cztery etapy. Pierwszy to atak, jest to odcinek czasu w trakcie, ktorego dzwiek przechodzi z ciszy do maksymalnego poziomu. Drugi etap okreslany mianem schylku okresla droge, w ktorej dzwiek przechodzi z maksymalnej glosnosci do poziomu sredniego. ¦redni poziom okreslany jest mianem podtrzymania, a po nim nastepuje zwolnienie dzwieku, czyli odcinek czasu, podczas ktorego glosnosc dzwieku zanika do poziomu zerowego. Sygnal

Sygnal akustyczny po zmianie na przebieg elektryczny okreslany jest mianem sygnalu fonicznego. Moze on wystepowac pod postacia sygnalu analogowego lub cyfrowego. Sygnal analogowy ma przebieg analogiczny do sygnalu akustycznego, natomiast sygnal cyfrowy powstaje w wyniku przetworzenia analogowego sygnalu fonicznego na ciag impulsow elektrycznych, przedstawiajacych liczby dwojkowe (jedynki i zera), okreslajace wartosc przebiegu analogowego, pobrane z niego w rownych odstepach czasowych.

Predkosc Akustyczna

Wiadomo, ze czasteczki powietrza drgaja, pobudzone przez zrodlo dzwieku. Aby osiagnac konkretna czestotliwosc drgañ przy danej amplitudzie, czasteczki musza osiagnac pewna predkosc ruchu. Podczas rozchodzenia sie fali dzwiekowej nie zmieniaja one polozenia, jedynie oscyluja wokol punktu spoczynkowego. Wykonuja wtedy ruch wzdluz lub w poprzek fali. Predkosc tej oscylacji zalezy wprost od czestotliwosci drgañ oraz ich amplitudy.

Moc Akustyczna

Przez wielu wielkosc ta kojarzona jest z glosnoscia dzwieku. Wartosc ta charakteryzuje ilosc energii wypromieniowanej przez zrodlo dzwieku do otoczenia. Moc akustyczna mierzona jest w watach (W). Natomiast pojeciem gestosci energii akustycznej poslugujemy sie w celu okreslenia ilosci energii akustycznej w jednym metrze szesciennym osrodka.

Znieksztalcenia

Za roznego rodzaju znieksztalcenia odpowiedzialne sa niedoskonale komponenty urzadzeñ. Pojawienie sie ich moze byc obecne na kazdym etapie wedrowki dzwieku. Zasadniczo znieksztalcenia dzielimy na liniowe i nie liniowe. Ze znieksztalceniami liniowymi mamy do czynienia, gdy dane urzadzenie nie przenosi calosci pasma doprowadzonego sygnalu lub tlumi niektore z jego skladowych. Glos w sluchawce telefonicznej jest tego najlepszym przykladem. Innym prostym przykladem jest prosty odbiornik radiowy oraz jego glosnik, nie mogacy odtworzyc czestotliwosci zbyt niskich ani wysokich. Charakterystyka czestotliwosciowa danego urzadzenia wykazuje nam jak przenoszone jest pelne pasmo akustyczne. Najlepszym rozwiazaniem jest plaska charakterystyka czestotliwosciowa, to znaczy taka, ktora nie tlumi ani nie wzmacnia zadnych czestotliwosci skladowych. Jednak malo ktore urzadzenie ma taka charakterystyke. Stad tez czesto mowi sie o tzw. nauce danego urzadzenia wsrod realizatorow. Ciekawostka moze byc fakt, ze tak zwany kontur czesto stosowany w wiezach domowych jest w rzeczywistosci wprowadzeniem zaklocenia liniowego wyzszych czestotliwosci. Innym rodzajem znieksztalceñ sa znieksztalcenia fazowe. Pojawiaja sie wowczas, gdy poszczegolne czestotliwosci skladowe sygnalu przechodza przez dane urzadzenie z rozna predkoscia, co powoduje powstawanie roznic czasowych miedzy nimi. Znieksztalcenia nieliniowe sa inaczej zwane znieksztalceniami amplitudowymi. Bierze sie to stad, iz wynikowa amplitud sygnalu nie przebiega proporcjonalnie do amplitudy na wejsciu ukladu. Ekstremalnym przykladem takiego znieksztalcenia jest obciecie czesci przebiegu, ktory ma tak duza amplitude, iz dany uklad nie jest w stanie przeniesc tego sygnalu w sposob niezaklocony. Miara znieksztalceñ jest wskaznik ich zawartosci w calym sygnale. W jezyku angielskim parametr ten zwany jest TOTAL HARMONIC DISTORTION , w skrocie THD i wyrazany jest w %. Odmiana tej miary jest THD + Noise, co oznacza zawartosc czestotliwosci harmonicznych oraz szumow. Nowoczesne technologie pozwalaja na utrzymanie bardzo niskiego wskaznika znieksztalceñ, na poziomie do 0,1. Z reguly wiekszemu opoznieniu podlegaja czestotliwosci wysokie niz niskie.

Szumy

Szumy dzielimy na szumy wazone oraz nie wazone. Szum niewazony jest to szum zmierzony w naturalnej postaci, przy uzyciu wartosci bezwzglednych. Pomiar odbywa sie w pelnym pasmie 22Hz do 22khz. Szum wazony natomiast to szum zmierzony z zastosowaniem filtra tzw. psofomerycznego, ktory symuluje charakterystyke czestotliwosciowa sluchu. Dla poziomu szumow miara jest parametr oznaczony jako S/N , co oznacza Signal to Noise Ratio, czyli odstep szumow od sygnalu i mierzony jest w decybelach. Niektorzy producenci podaja na ulotkach wartosci obu pomierzonych szumow: wazonych i niewazonych. Mniejszy poziom oznacza wyzsza klase urzadzenia.

Sluch.

Ludzkie ucho ma wiele slabych stron. Obok braku charakterystyki liniowej ucho ludzkie ma zdolnosc maskowania jednych dzwiekow przez inne. Zjawisko to polega na tym, ze dzwiek o nizszym poziomie mozna zagluszyc innym, glosniejszym, nawet o innej czestotliwosci. Dzwiek cichszy, przy odpowiedniej roznicy poziomow, przestaje byc slyszalny. Dowiedziono rowniez, iz aby przywrocic slyszalnosc zagluszonemu dzwiekowi, nalezy zwiekszyc jego poziom w wiekszym stopniu, jesli dzwiek zagluszajacy jest dzwiekiem o czestotliwosci rownej czestotliwosci ktorejs z harmonicznych zagluszanego. Zasadniczo zjawisko maskowania nie jest zbyt korzystne, jednak znalazlo wiele swoich praktycznych zastosowañ. Ot chocby uklad redukcji szumow Dolby, lub kompresja plikow dzwiekowych do formatu mp3. W przypadku formatu mp3 algorytm kompresji danych usuwa informacje o czestotliwosciach zagluszonych, traktujac ja jako zbedna. W przypadku mp3 wykorzystuje sie rowniez zdolnosci psychoakustyczne ludzkiego mozgu - usuniete czestotliwosci mozg projektuje (odtwarza), a raczej daje nam odczuc jak brzmialy by owe usuniete skladowe, gdyby tam byly ! Jest to tzw. efekt brakujacej czestotliwosci fundamentalnej. W praktyce wyglada to nastepujaco: gdyby do naszych uszu dotarly jednoczesnie tony o czestotliwosciach na przyklad: 300, 450, 600, 750 i 900 hercow, uslyszelibysmy rowniez ton wynikowy o czestotliwosci 150 Hz. Sluch nasz traktujac te jednoczesne tony jako harmoniczne "wyprodukowalby" czestotliwosc fundamentalna, czyli wlasnie 150 Hz. Dzwiek taki nazywamy tonem subiektywnym. Fenomen tego zjawiska jest czesto wykorzystywany w procesorach psychoakustycznych, np. w procesorze (wtyczce) MaxxBass, firmy ks Waves. A pojecie "dudniacy dzwiek" ? slyszeliscie pewnie to nieraz..., ale on tak naprawde nie istnieje. Owo dudnienie powstaje w naszym mozgu. I jest to kolejny wynik slabej strony naszego ukladu sluchowego, polegajacej na niezdolnosci sluchu do rozdzielenia dwoch dzwiekow o bardzo zblizonych czestotliwosciach. Zjawisko to ma miejsce gdy do uszu naszych docieraja jednoczesnie dzwieki o roznicy czestotliwosci rzedu kilku lub kilkunastu hercow. Pojawia sie wowczas wyrazna pulsacja . W praktyce mozna spotkac to zjawisko strojac np. gitare. Osoby, ktore maja duzy kontakt z dzwiekiem moga spotkac sie z tzw. zmeczeniem sluchu. Pojawia sie ono wtedy, gdy pracuje sie zbyt dlugo przy duzym natezeniu dzwieku. Zmeczenie sluchu powoduje obnizenie czulosci sluchu i oznacza koniecznosc przerwania pracy nad dzwiekiem. Otoz sluch bardzo szybko przyzwyczaja sie do zastosowanej korekcji. Nalezy zachowac ostroznosc przy dokonywaniu obrobki dzwieku dlatego , ze mozemy zapedzic sie w "slepa uliczke" , a efekty dlugotrwalej pracy z korektorami beda dalekie od oczekiwanych. Na koniec powtorki o sluchu warto przypomniec, ze graniczna wartosc natezenia dzwieku, ktora moze zniesc ludzkie ucho, to ok. 120 dB. Nazywamy ja granica bolu i jest ona wykladnikiem dynamiki ludzkiego ucha. Dzialanie na blone bebenkowa powyzej tej wartosci moze miec tragiczne skutki.

Monofonia i Stereofonia.

Nasz zmysl sluchu w sposob naturalny posiada charakter stereofoniczny. Dzieki niemu mozemy okreslac przestrzenne umiejscowienie dzwieku. Badania nad stereofonia prowadzona juz w latach 90-tych XIX wieku jednak praktyczne rozwiazanie znaleziono wiele lat pozniej. Wczesniej przy braku wsparcia technologicznego korzystano jedynie z urzadzeñ monofonicznych, czyli przesylajacych sygnal pojedynczym torem. Historycznie pierwsza probe dokonania przekazu stereofonicznego przeprowadzono juz w 1881 na wystawie swiatowej w Paryzu. Byl to uklad dwoch niezaleznych torow fonicznych, z oddzielnymi mikrofonami oraz glosnikami. I choc system w niczym nie przypominal wspolczesnie rozumianej stereofonii, nalezy traktowac go jako namiastke stereofonicznego przekazu oraz dowod na to, ze pojawila sie chec transmisji przestrzennej. Pierwsze uzytkowe systemy stereofoniczne zaczely powstawac w latach dwudziestych naszego wieku, kiedy to uzyskano patent na pierwsze urzadzenie tego typu oraz rozpoczeto proby transmitowania przekazu stereofonicznego. Czlowiek slyszy przede wszystkim stereofonicznie. Oznacza to mniej wiecej tyle, ze sluch nasz jest w stanie lokalizowac kierunki. Jednak nie do koñca na zasadach klasycznej stereofonii, czyli prawo, lewo, srodek, lecz elementy przestrzenne dzwieku nabieraja duzo bardziej zlozonego charakteru. Potrafimy okreslic, ze dany dzwiek dobiega z gory, z tylu, czy z dolu. Praktycznym wykorzystaniem tej cechy sa systemy odtwarzajace dzwiek przestrzenny, trojwymiarowy - Dolby Surround oraz system stereofonii "sztucznej glowy". Z naszego punktu widzenia szczegolnie interesujacy jest system "sztucznej glowy", zwanym w fachowym jezyku systemem binauralnym, jest w pewnym sensie rewolucyjnym podejsciem do kwestii przekazu fonicznego. Wynalazek ten polega na umieszczeniu dwoch mikrofonow wewnatrz dokladnej makiety ludzkiej glowy, w miejscu w ktorym znajduja sie bebenki uszne. Podczas odsluchu z wykorzystaniem sluchawek system ten zapewnia realistyczny odbior przestrzenny zarowno w poziomie jak i w pionie. Ma jednakze jedna istotna wade nie nadaje sie do odsluchu glosnikowego.