Ucho i słuch ludzki

Ale na samym szczycie tej piramidy jest człowiek, który w swojej pracy z dźwiękiem posługuje się przede wszystkim swoimi uszami, a konkretnie korzysta ze zmysłu słuchu (no bo uszami, jako takimi, żadnej pracy raczej nie wykona). Dobrze jest więc znać podstawowe informacje o budowie naszego ucha i mechanizmach pracy słuchu, o zależnościach między różnymi parametrami wpływającymi na wrażenia słuchowe i jaki to wszystko ma wpływ na naszą pracę. Czyli, mówiąc krótko, jak to wykorzystać, aby pracowało na naszą korzyść, a nie bruździło nam na każdym kroku.

Zacznijmy od początku, czyli jak działa ludzki słuch.

OD UCHA OD UCHA

Pomijając sprawy oczywiste, że np. uszy się myje, a nie wietrzy itp., zastanówmy się, jak to się dzieje, że w ogóle słyszymy, że słyszymy akurat to, co słyszymy, a nie coś innego (np. ultradźwięki), i jak poszczególne parametry dźwięku (głośność, wysokość dźwięku, składowe harmoniczne) wpływają na ogólny obraz dźwiękowy w naszym mózgu. Ano właśnie, i tutaj wypłynęła nam pierwsza, podstawowa sprawa. Proces słyszenia dźwięku, choć bez uszu nie jest możliwy, tak naprawdę odbywa się w mózgu. Tak samo, jak sam mikrofon, bez podłączenia go do miksera czy preampu na niewiele się zda, tak nawet idealny słuch, bez żadnych ubytków, nie gwarantuje, że ktoś będzie świetnie (i czysto!!) śpiewał, miał słuch absolutny czy choćby tylko „słoń mu na ucho nie nadepnął”. Zanim jednak dźwięk trafi do naszego mózgu do analizy, musi dokonać się jego przeróbka z zaburzenia środowiska, czyli z fali dźwiękowej, na impulsy elektrobiochemiczne. I za to właśnie odpowiedzialne jest ucho, które, nota bene, dzieli się na kilka składowych. Bez wdawania się w uczone dysputy przypomnijmy sobie to, co dla nas najistotniejsze.

OD UCHA DO ŚLIMAKA

Jak może pamiętamy, a jeśli nie, to spójrzmy na opis w ramce, ucho zewnętrzne odpowiada głównie za „wyłapywanie” dźwięków i ich lokalizację. Ucho środkowe to nasz przetwornik akusto-mechniczny, czyli przekształcający falę akustyczną w ruch mechaniczny trzech kostek: kowadełka, młoteczka i strzemiączka. Ucho wewnętrzne to już skomplikowany przetwornik mechano- -elektrochemiczny, w którym ruchy tych kosteczek zostają zamienione na sygnały zrozumiałe dla mózgu. Jak na razie wszystko wydaje się jasne, ale gdyby zagłębić się w to, jak to się naprawdę odbywa, przestaje być to proste. Dla zainteresowanych – o teoriach słyszenia przeczytacie w kolejnej ramce poniżej. A my wrócmy do spraw dla nas istotnych. Część z nich, mam nadzieję, jest powszechnie znana.

GRANICE NIE DO PRZEJŚCIA

Nie ma tak dobrze, żebyśmy słyszeli wszystko, niezależnie od częstotliwości czy poziomu dźwięku. Wprost przeciwnie, w porównaniu z tym, co wyprodukować może natura lub technika, nasz organ słyszenia jest bardzo niedoskonały. Ale, jak się okazuje, jest on zupełnie wystarczający nie tylko do normalniej egzystencji, ale też i działań „ponadplanowych”. I pewnie gdybyśmy słyszeli również infra- i ultradźwięki, życie nasze mógłby stać się koszmarem, podobnie zresztą gdybyśmy słyszeli wszelkie dźwięki z odległości, dajmy na to, kilometra i do tego nie istniałby u nas mechanizm maskowania dźwięków (spece od mp3 umarliby wtedy z głodu). Jakie więc są te granice? W kwestii wysokości dźwięku za najmniejszą częstotliwość słyszalną przyjmuje się 16 Hz, za największą – 20.000 Hz. Należy zaznaczyć, że górna granica obniża się z wiekiem do 16.000 Hz, a nawet do 10.000 Hz. Wszystko, co jest poniżej 16 Hz nazywamy infradźwiękami – coś, co jak się okazuje bardzo silnie działa na nasze fale mózgowe, a także serce, a powyżej 20 kHz to już ultradźwięki.

W kwestii głośności też mamy dolną i górną granicę słyszenia. Dolna odpowiada minimalnym wartościom ciśnień akustycznych dźwięków, przy których ucho zaczyna odbierać wrażenia dźwiękowe. Górna granica, zwana inaczej progiem słyszenia bolesnego, jak sama nazwa wskazuje odpowiada takim dźwiękom, których słuchanie przestaje być przyjemnością, i to bynajmniej nie z powodu umiejętności muzycznych „wytwórcy” takich dźwięków. Gdy narysujemy te dwie granice w funkcji dostępnych dla nas częstotliwości, otrzymamy pomiędzy nimi obszar zwany powierzchnią słyszalności (rysunek 1).

Oczywiście dla każdego z nas przebieg tych granic będzie inny. Podwyższanie się dolnej granicy, ogólnie lub dla danych pasm częstotliwości, świadczy o ubytkach słuchu, które każdego z nas prędzej czy później dopadną. Pomiędzy tymi dwiema liniami możemy wykreślić szereg innych, które odpowiadają poziomom jednakowego słyszenia (rysunek 2).

Analizując taki przykładowy wykres stwierdzamy, iż zakres częstotliwości, w którym ucho wykazuje największą czułość, czyli dźwięki o małym poziomie ciśnienia są już słyszalne, to zakres 2.000 Hz-4.000 Hz. Pomiędzy 1.000 a 2.000 Hz czułość ucha jest stała i odpowiada czułości dla częstotliwości 1.000 Hz. Powyżej 4.000 Hz i poniżej 1.000 Hz czułość ucha spada, tzn. wymagane są większe wartości ciśnień, aby osiągnąć efekt takiej samej głośności.

FONY, SONY, DECYBELE – CZYLI CZYM RÓŻNI SIĘ NATĘŻENIE DŹWIĘKU OD GŁOŚNOŚCI

Jeśli kto zapytałby, czy natężenie dźwięku ma coś wspólnego z głośnością, odpowiem – tak. Jeśli ktoś zapyta, czy jedno i drugie to to samo, odpowiem – nie. Dlaczego? Natężenie dźwięku jest zjawiskiem obiektywnym – możemy je zmierzyć i pomiar taki da wynik powtarzalny w każdych warunkach i dla każdego poprawnie działającego miernika. Głośność to wrażenie subiektywne, właściwe danemu osobnikowi. Poza tym, że zależy oczywiście od natężenia dźwięku, na jego wartość ma wpływ również częstotliwość danego dźwięku. O tym, że im natężenie dźwięku większe, tym większa jest głośność, nikogo specjalnie chyba przekonywać nie trzeba. Ale dwa dźwięki mające te same natężenia, ale różne częstotliwości, mogą mieć zupełnie różną głośność.

Zanim jednak przejdziemy do przykładu z życia wziętego, musimy wyjaśnić sobie jeszcze jedną kwestię – chodzi o poziom. Co to jest poziom, wiadomo – coś, co u niektórych polskich topowych „artystów” muzyków, jeśli chodzi o ich „dokonania” muzyczne, utrzymuje się w strefie stanów niskich. Z poziomem, a raczej z ich brakiem pod nogami, problem mają też niejedni powracający „z suto zakrapianych” imprez. Nie o to jednak chodzi w tym przypadku. W niektórych przypadkach mamy do czynienia z tak dużym zakresem zmian pewnych parametrów, że łatwiej nam operować ich logarytmem niż wprost tymi parametrami. Tak sprawa ma się np. z anonsowanym już natężeniem dźwięku, jakie jest w stanie zaakceptować nasze ucho – mieści się on w zakresie od 10^-12 (czyli inaczej 0,000000000001) W/m² do 10 W/m². To dość uciążliwe, pisać tyle zer, prawda? Dlatego postanowiono wykorzystać własności logarytmów dziesiętnych, dzięki którym np. 100.000-krotniej różnicy natężeń dźwięku odpowiada różnica poziomów natężeń równa 100. Osiągamy to, jeśli wykonamy następujące działanie:

L_J = 10*log(J/J_od)

gdzie:
L_J – poziom natężenia dźwięku w [dB]
J – natężenie dźwięku w [W/m²]
Jod – natężenie dźwięku odniesienia równe 10^-12 w [W/m²]
log(J/J_od) – logarytm dziesiętny z wyrażenia w nawiasie

W ten sposób możemy zamiennie używać zarówno natężenia dźwięku, jak i poziomu natężenia dźwięku, pamiętając o skali i jednostkach, ale nigdy nie możemy np. sumować wartości natężenia i poziomów natężenia.

Załatwiliśmy „z grubsza” sprawę z decybelami. Jedźmy dalej. Wiemy już, że głośność jest zależna również od częstotliwości danych dźwięków. Widać to z krzywych jednakowej głośności. Wartość poziomu natężenia dźwięku dla tonu 1.000 Hz odpowiada poziomowi głośności wyrażanej w jednostkach zwanych fonami. I tak, dla przykładu, ton o częstotliwości 1.000 Hz i poziomie dźwięku 40 dB ma poziom głośności równy 40 fonom. Ale aby uzyskać taką samą wartość poziomu głośności dla tonu 200 Hz, musimy osiągnąć poziom natężenia dźwięku dla tego tonu równy 53 dB.

To jednak jeszcze nie koniec. Za pomocą skali fonowej możemy stwierdzić, że dane tony różnią się głośnością (lub nie), ale nie wiemy, jak bardzo. Skala fonowa jest bowiem skalą logarytmiczną (tak jak skala decybelowa), a nie liniową. Nie możemy więc określić wprost, mając dwa dźwięki – dajmy na to o poziomie głośności 40 i 50 fonów – czy ten drugi jest głośniejszy od pierwszego 2, 3, a może 5 razy. W tym celu potrzebowalibyśmy skali opierającej się na zasadzie jednakowych przyrostów wrażenia głośności, czyli, inaczej mówiąc, skali liniowej. Okazuje się bowiem, że o ile w przypadku dźwięków o poziomie 60 dB ledwie odczuwalny przyrost natężenia dźwięku jest niemal stały dla wszystkich częstotliwości w zakresie od 60 do 10.000 Hz, o tyle dla małych poziomów dźwięku różnice mogą być znaczne. Żeby rozjaśnić nieco to zawiłe tłumaczenie, mały przykład:

Załóżmy, że mamy tony o częstotliwościach 100 Hz, 1.000 Hz i 5.000 Hz. Przy poziomie dźwięku 60 dB wyczujemy zmianę poziomu dźwięku już dla ok. 63 dB dla wszystkich trzech tonów. Natomiast gdy tony te odtwarzamy z poziomem 10 dB, rzecz wygląda następująco:

– dla tonu 100 Hz odczujemy zmianę poziomu dźwięku, gdy osiągnie on wartość aż ok. 30 dB,
– dla tonu 1.000 Hz – gdy osiągnie poziom dźwięku ok. 16 dB,
– dla tonu 5.000 Hz – przy poziomie dźwięku ok. 20 dB

I tutaj dochodzimy to owych tajemniczych sonów. 1 son jest bowiem jednostką głośności (już nie poziomu głośności). Dzięki takiej skali możemy dokładnie określać relację pomiędzy poszczególnymi dźwiękami, jeśli chodzi o subiektywne wrażenie ich głośności (rysunek 4). Trzeba jednak uczciwie przyznać, że w praktyce ani z fonami, ani tym bardziej z sonami nie spotkamy się zbyt często (jeśli w ogóle). Warto jednak wiedzieć, że coś takiego istnieje i do czego się odnosi.

Do czegoś nam się jednak ta cała „pisanina” o poziomach, fonach, decybelach i krzywych jednakowej głośności może przydać? Mając przed oczami przebieg krzywych jednakowej głośności rozumiemy już teraz, dlaczego np. gitara brzmi inaczej na piecu odkręconym na „pół gwizdka”, inaczej, jak gałę głośności odkręcimy do końca, a inaczej, jak gramy sobie w domku wieczorową porą, na „drgnięcie” potencjometru. Warto o tym pamiętać i nie zwalać winy na Bogu ducha winnego kolegę z zespołu, że nam poprzestawiał barwę, jeśli superbrzmienie ustawione w domu, przy małym poziomie głośności, na scenie, gdy odkręcimy piec, okaże się zupełnie „z innej bajki”.

Kwestię głośności mamy omówioną, z uwagi jednak na to, że miejsce nam się kończy, sprawy związane z wysokością dźwięku omówimy sobie w kolejnym numerze.

Piotr Sadłoń