Istota dźwięku

Słyszenie, podobnie jak widzenie, jest jednym z głównych doznań przy pomocy których odbieramy otaczający nas świat zewnętrzny. Słyszymy dzięki złożonemu aparatowi słuchu, którego jednym z elementów jest ucho pełniące rolę receptora dźwięku. Nie wnikając w istotę percepcji dźwięku, ucho można porównać do mikrofonu gdyż podobnie jak on przetwarza zmiany ciśnienia ośrodka na impulsy elektryczne.

Pojęcie dźwięku używane jest do określania wrażenia odbieranego przez ucho oraz do określania fizycznej przyczyny tego zjawiska. Źródłem dźwięku jest coś co wytwarza drgania, drgania pobudzają ośrodek zmieniając w nim lokalnie ciśnienie. Zmiany ciśnienia rozprzestrzeniają się w ośrodku, na przykład w powietrzu, i docierają do ucha które z kolei przetwarza zmiany ciśnienia na impulsy przekazywane nerwem słuchowym do mózgu.

Zjawisko dźwięku wywołane jest okresowym wzrostem i spadkiem ciśnienia, czyli zagęszczeniem i rozrzedzeniem ilości cząstek w jednostce objętości, wokół ciśnienia średniego PO. Cząsteczki ośrodka drgają wokół swoich położeń równowagi przekazując sobie wzajemnie ruch wzdłuż osi pobudzenia. Same nie przemieszczając się na większe odległości, wytwarzają zaburzenie ciśnienia, które rozchodzi się na dalszą odległość w postaci fali dźwiękowej. Fala ta przenosi z miejsca swego wytworzenia do miejsca odbioru określoną energię. Wielkość przeniesionej energii decyduje o natężeniu dźwięku od którego zależy nasze odczucie głośności.

Dźwięk przemieszcza się w powietrzu ze stałą prędkością zależną od ciśnienia statycznego i temperatury otoczenia. Przy ciśnieniu 10N/m2 oraz temperaturze 22ºC prędkość dźwięku wynosi 344,8m/s. Dla celów praktycznych (ułatwienie w obliczeniach) przyjęto za prędkość dźwięku wartość 340m/s.

Zaburzenie ośrodka wywołane przez pobudzenie wytwarza przyrost, lub ubytek ciśnienia wokół wartości ciśnienia normalnego w otoczeniu. Ta składowa zmienna ciśnienia powietrza nazwana została ciśnieniem dźwięku. Ze względów praktycznych głośność dźwięku przyjęto mierzyć przy pomocy tego właśnie ciśnienia. Ciśnienie dźwięku P mierzy się w mierze bezwzględnej w mikrobarach lub w niutonach na metr kwadratowy. Bardziej użyteczne jest określanie ciśnienia dźwięku w mierze względnej w odniesieniu do poziomu przy którym zaczynamy słyszeć. Stwierdzono, że ucho reaguje na przyrosty ciśnienia dźwięku logarytmicznie, a więc ucho staje się mniej czułe przy wzroście natężenia dźwięku. Dzięki mierze logarytmicznej proporcjonalnie takie same zmiany wyrażane są przez taką samą ilość jednostek.

Jednostką natężenia dźwięku jest Bel (B) ale w praktyce używa się jednostki mniejszej, decybel (dB), która wynosi 1/10B. Ciśnienie dźwięku w decybelach określa się w stosunku do standardowego ciśnienia dźwięku PREF, którym jest próg słyszalności przy 1kHz wynoszący 2 * 10-5N/m2 czyli 2 * 10-4 mikrobara. Poziom ciśnienia dźwięku określany jest wyrażeniem: SPL = 20 log (P / PREF). Oprócz poziomu ciśnienia do określania dźwięku używa się jeszcze takich miar jak poziom głośności oraz poziom mocy akustycznej. Ich poziomy względne w dB różnią się tylko nieznacznie i są niższe od poziomu ciśnienia odpowiednio o 0,1dB i 0,5dB. W związku z tak niewielką różnicą przyjęto, że są one równe poziomowi ciśnienia dźwięku.

Fala dźwiękowa podlega odbiciu, ugięciu (rozproszeniu) i tłumieniu. Napotykając doskonale sztywną przeszkodę o dużych wymiarach w porównaniu z długością fali ulega całkowitemu odbiciu. Jeśli przeszkoda nie jest doskonale sztywna (materiał o małej gęstości) to tylko część energii fali ulegnie odbiciu, reszta zostanie pochłonięta przez materiał przeszkody i zamieniona w ciepło. Jeśli dźwięk napotka małą (w stosunku do długości fali) przeszkodę lub wychodzić będzie z małego otworu, to dźwięk ulegnie ugięciu rozpraszając się za przeszkodą (otworem). Podobne ugięcie następuje również na przykład na krawędziach obudów głośnikowych.


Postrzeganie dźwięków

Ucho jest naszym najdoskonalszym narządem. Gdyby nie było zakłóceń, to dźwięk nadany z mocą 1W byłby słyszany z odległości do 500km, a gdyby było trochę czulsze to słyszelibyśmy nie tylko zmiany ciśnienia fali dźwiękowej, ale także ciągły szum chaotycznego ruchu cząstek powietrza. Ucho potrafi na przykład odróżnić poziomy głośności różniące się o 0,25dB, różnice w wysokości dźwięku wynoszące 1/5 półtonu, różnice w usytuowaniu źródeł dźwięku wynoszące 3 stopnie itd.

Dźwięk jest zjawiskiem złożonym i wielowymiarowym. Dźwięk na przykład jednego instrumentu muzycznego składa się z tonu podstawowego, oraz pewnej ilości tonów harmonicznych o częstotliwościach będących wielokrotnością tonu podstawowego. Brzmienie instrumentów zależy od tego jaka część energii dźwięku przypada na częstotliwość podstawową, a jaka na harmoniczne i jaki jest procentowy udział poszczególnych składowych. Dźwięki niektórych instrumentów takich jak fortepian, bęben czy talerze charakteryzują się dużym, impulsowym wzrostem poziomu w krótkim okresie czasu. Takie impulsowe dźwięki zawierają szczególnie dużo harmonicznych o znacznych poziomach.

Zakres słyszalnych dźwięków w praktyce zawiera się w przedziale od 16Hz do ponad 16kHz. Zakres częstotliwości podstawowych tradycyjnych instrumentów muzycznych zawiera się w przedziale częstotliwości od około 16Hz dla organów, do 4186Hz dla pikuliny. Najniższe częstotliwości pojawiają się raczej rzadko i są słabo słyszalne nawet w cichych pomieszczeniach, dlatego ich odtwarzanie przez urządzenia elektroakustyczne nie jest niezbędne. Przyjmuje się, że dla dobrej reprodukcji dźwięku wystarczy odtwarzanie częstotliwości począwszy od 40Hz przy jednoczesnym braku zauważalnych zniekształceń w oktawie poniżej, czyli w przedziale od 20Hz do 40Hz.

Najwyższe częstotliwości harmoniczne mają skrzypce i talerze, a ich wartość dochodzi do 17kHz. Poziom harmonicznych może być znaczny i na przykład dla talerzy poziom harmonicznej 15kHz jest prawie taki sam jak poziom podstawowej 300Hz. Dla uzyskania szybkich narostów dźwięku należy zapewnić przenoszenie najwyższych częstotliwości bez ograniczeń, mimo że górna granica słyszalności nie jest wysoka, a dla osób starszych obniża się nawet do około 12kHz.

Czułość ucha w postrzeganiu dźwięków zależy od ich częstotliwości i natężenia. Przy niskich natężeniach najlepiej słyszymy dźwięki o częstotliwościach średnich, trochę słabiej częstotliwości wysokie i znacznie słabiej częstotliwości niskie. Przy wysokich natężeniach dźwięku częstotliwości niskie i średnie słyszymy podobnie, natomiast częstotliwości wysokie trochę lepiej. Głośność dźwięku (wrażenie subiektywne) określa się w fonach i jest ono równe poziomowi natężenia dźwięku w dB przy 1kHz. Właściwościami słuchu nie da się więc uzasadnić rozpowszechnionej maniery podbijania poziomu odtwarzania częstotliwości wysokich także przy dużych poziomach głośności. Zwiększa to tylko niepotrzebnie ryzyko uszkodzenia głośników wysoko- tonowych w zestawach głośnikowych.

Zmniejszaniu głośności towarzyszy znaczący ubytek basów. Efekt ten uzasadnia stosowanie we wzmacniaczach tak zwanej fizjologicznej regulacji głośności, czyli włączania funkcji kontur lub podbijania basów przy małym poziomie głośności. Subiektywne wrażenie głośności nie jest liniową funkcją poziomu głośności. Powyżej 40 fonów jest ono logarytmiczną, a poniżej 40 fonów prawie logarytmiczną funkcją poziomu głośności. Z tego powodu regulatory głośności we wzmacniaczach muszą mieć wykładniczą charakterystykę regulacji (odwrotną do charakterystyki czułości ucha).

Istotnym parametrem obrazu dźwiękowego jest zakres dynamiki dźwięku, czyli stosunek pomiędzy dźwiękami silnymi a słabymi. Ucho jest w stanie postrzegać dźwięki o dynamice do około 120dB. Dźwięki silniejsze wywołują wrażenie bólu, a dźwięki o poziomie powyżej 140dB mogą nawet uszkodzić słuch. Pomijając dyskoteki i koncerty rockowe gdzie dobrowolnie niszczymy słuch, potrzeba wykorzystania 120dB dynamiki raczej nie występuje. Zakres dynamiki mierzony w czasie kilkugodzinnego koncertu dużej orkiestry wyniósł raptem 74dB, a po wykluczeniu jednorazowego krótkiego (0,1s) dźwięku zakres dynamiki wyniósł 65dB. Jeśli idzie o mowę to maksymalna dynamika nie przekracza 40dB.

Odtwarzanie dźwięków najcichszych ograniczone jest poziomem hałasu w miejscu odsłuchu. Dźwięki najcichsze trzeba odtwarzać z poziomem co najmniej trochę wyższym od poziomu hałasu gdyż inaczej zostaną przez hałas zamaskowane. Przyjmując, że poziom hałasu około 40dB można uzyskać w pomieszczeniu mieszkalnym to wynikający stąd poziom maksymalny 40 + 65 = 105dB jest już raczej nie do zaakceptowania w takim pomieszczeniu, nawet przy niezbyt nerwowych sąsiadach.

Wyższy poziom głośności oznacza wyższą moc a więc i wyższą cenę zestawów głośnikowych. Ograniczenia narzucane przez otoczenie nie uzasadniają dającego się zauważyć owczego pędu do dużych mocy zestawów głośnikowych. Nawet jeśli ktoś jest szczęśliwym posiadaczem domku jednorodzinnego i nie musi oglądać się na sąsiadów to i tak słuchanie czegokolwiek ze średnim poziomem 90dB będzie na dłuższą metę zbyt męczące.

Na zakończenie tych rozważań o dźwięku i jego postrzeganiu należy zauważyć, że subiektywne (słyszalne) postrzeganie większości parametrów dźwięku różni się od tak zwanych parametrów obiektywnych, mierzonych przyrządami pomiarowymi. Wynika to z właściwości naszego narządu słuchu. Wprowadza to niestety sporo zamieszania, czasem nawet nieporozumień i może w wielu przypadkach całkowicie dezorientować.