Język akustyka - faza, pogłos, echo

Dokładniej rzecz biorąc utrwalimy sobie wiedzę i sprostujemy kilka informacji. Wielokrotnie w swojej zawodowej praktyce spotykam się z sytuacją, w której mój rozmówca niepoprawnie posługuje się pewnymi sformułowaniami akustycznymi. Oczywiście w niezawodowych, ale również branżowych rozmowach spotykam się z takim zjawiskiem. Problemem nie jest tu sam fakt niepoprawnego wykorzystywania nazewnictwa, ale często brak zrozumienia obu stron. Wystarczy, że jedna z osób mówi na jakiś temat niepoprawnie, używając pewnych sformułowań, a druga może mieć trudności ze zrozumieniem poruszanego problemu. W dalszej części artykułu przedstawiłem kilka najczęstszych pomyłek. Nie wszystkie wprowadzają w skrajne niezrozumienie, ale warto posługiwać się nimi poprawnie.

WYSOKA CZĘSTOTLIWOŚĆ

Jednym z bardzo popularnych „błędów” popełnianych przez wiele osób, nawet mocno związanych z dźwiękiem, jest stosowanie sformułowania „wysoka” oraz „niska” częstotliwość. Co prawda, nie jest to wielki błąd, dlatego pozwoliłem sobie na cudzysłów – jest to bardziej tak zwane „czepialstwo”.  Tu na pewno śmiało ktoś stwierdzi: „przecież wszyscy tak mówią”, jednak nie oznacza to, że jest to poprawne. Szczególnie, jeżeli mamy na myśli nie sam kontekst akustyczny, który i tak będzie zrozumiały dla rozmówcy, ale językowy. W pierwszej kolejności przypomnijmy sobie czym jest ta wielkość fizyczna. Częstotliwość określa ile pełnych powtórzeń danego zjawiska okresowego (np. drgań cząstek w przypadku fali akustycznej) występuje w jednostce czasu, czyli w naszym przypadku, gdzie jednostką jest Herz (Hz), w 1 sekundzie.

Przebieg czasowy pełnego okresu sygnału sinusoidalnego.

W związku z powyższym, gdy częstotliwość jest duża występuje dużo powtórzeń danego zjawiska. W efekcie, z językowego punktu widzenia niepoprawne jest sformułowanie wysoka częstotliwość – wysoko(?) powtórzeń. Podobnie sprawa ma się z małymi częstotliwości, gdzie powtórzeń danego zjawiska jest mało. Z drugiej strony, na co dzień stosuje się zamiennie określenia duża/wysoka czy mała/niska liczba. W tym przypadku, poprawnym wydaje się określenie duża/wysoka liczba powtórzeń danego zjawiska w jednostce czasu jako dużej/wysokiej częstotliwości. Mimo wszystko, biorąc pod uwagę wcześniejszą definicję, odpowiednim wydaje się określenie duża/mała częstotliwość. Oczywiście w codziennych rozmowach branżowych nie jest to błąd sprawiający brak zrozumienia między rozmówcami czy podczas czytania specjalistycznych tekstów. Co więcej, w pozycjach literatury specjalistycznej czy publikacjach naukowych można spotkać oba określenia. Starajmy się jednak stosować poprawne sformułowanie, czyli duża częstotliwość i mała częstotliwość.

ODWRÓCONA FAZA

Zostając w tematyce analizy sygnałów warto pochylić się nad określeniem „odwrócona faza”. Sprawy związane z fazą sygnału są bardzo ważne w przypadku projektowania systemów elektroakustycznych, gdyż w wielu przypadkach ma ona decydujące znaczenie jeżeli chodzi o wypadkową charakterystykę amplitudową odbieranego sygnału. Nie tylko w warunkach scenicznych spotkamy się z tym zagadnieniem, bo temat ten jest równie popularny wśród realizatorów studyjnych, którzy manipulując fazą kreują barwę dźwięku. Sformułowanie „odwrócenie fazy” to błąd, który jest niezwykle popularny i przez wielu powtarzany.

Sygnał sinusoidalny przesunięty o 180 stopni względem drugiego, takiego samego, graficznie będzie jego symetrycznym odbiciem względem osi czasu.

W tym przypadku również zaczniemy od przypomnienia sobie czym jest faza. Fala akustyczna to seria regularnych drgań cząstek danego ośrodka. Okres fali to czas wykonania jednego pełnego drgania. Inaczej mówiąc, jest to czas między punktami o tej samej fazie. Możemy z tego wywnioskować, że faza określa, w której części okresu fali (w jakim jego „miejscu”), znajduje się wykonująca drgania cząstka. Fazę opisuje się w stopniach, gdzie 360 stopni to przebieg pełnego okresu. Należy również bardzo mocno podkreślić, że jest to zjawisko zmienne w czasie, gdyż faza zmienia się wraz z przebiegiem czasowym fali akustycznej. Wyobraźmy sobie dwa idealne źródła punktowe o wszechkierunkowej charakterystyce zlokalizowane w polu swobodnym (czyli środowisku bez odbić), generujące dokładnie takie same sygnały sinusoidalne. Ustawiamy dwa punktu obserwacji tak, aby w obu sygnały były dokładnie w tej samej fazie. Następnie, chcielibyśmy „odwrócić” fazę jednego z sygnałów. Tutaj można zadać sobie pytanie – co powinniśmy zrobić ze źródłami? Odwrócić je? Niestety, ale to nic nie zmieni, ponieważ są to źródła punktowe, a faza w miejscach obserwacji wciąż będzie ta sama. Okazuje się, że odwrócenie fazy jest fizycznie niemożliwe. Możemy przesunąć fazę. W analizowanym przykładzie przesunięcie jednego ze źródeł dźwięku ku punktowi obserwacji o połowę długości generowanej fali sprawi, że fala do punktu obserwacji dotrze o pół okresu wcześniej. Oznacza to, że faza sygnałów w punktach obserwacji będzie różnić się o 180 stopni względem siebie.

Błędne nazewnictwo w tym przypadku może wynikać z wizualnej analizy sygnałów. Sygnał sinusoidalny przesunięty o 180 stopni względem drugiego, takiego samego, graficznie będzie jego symetrycznym odbiciem względem osi czasu – będzie „odwrócony”.  O „odwróceniu” fazy mówi się bardzo często w przypadku urządzeń elektronicznych, szczególnie konsolet mikserskich, przedwzmacniaczy mikrofonowych czy interfejsów audio. Związane jest to bezpośrednio z funkcją jednego z przycisków, który często oznaczony jest symbolem Ø oraz opisem „phase”, czasem z dodatkiem „invert” lub „reverse”. Jego zadaniem jednak nie jest odwrócenie fazy, a odwrócenie polaryzacji w układzie elektronicznym. Obrazując efekt takiego działania: gdy sygnał przepuszczony przez tego typu układ wyślemy na głośnik, to najprościej mówiąc pierwszy ruch membrany wykonany będzie w stronę przeciwną niż w przypadku sygnału oryginalnego (nieprzepuszczonego przez układ odwracający polaryzację). Oczywiście w przypadku sygnału sinusoidalnego, w punkcie obserwacji efektem tego jest przesunięcie fazy sygnału o 180 stopni względem sygnału oryginalnego. Podsumowując, faza jest wielkością zależną od czasu i nie da się jej odwrócić – można ją przesunąć! Odwrócić można polaryzację.

ECHO I POGŁOS

W swojej pracy bardzo często spotykam się z tym, że ktoś zgłasza problemy akustyczne występujące w pomieszczeniach i prosi o pomoc w ich rozwiązaniu. Podczas wstępnych rozmów z klientem staram się zrozumieć jaki jest problem. Co więcej, istotne jest posługiwanie się prostymi sformułowaniami – zrozumiałymi dla obu stron. Niestety w takich „wywiadach” pojawiają się też takie, które mogą wprowadzić pewne niezrozumienie. Przykładem tego jest bardzo częste mylenie zjawiska echa ze zjawiskiem pogłosu. Jak w pozostałych przypadkach, zacznijmy od zapoznania się z definicjami tych pojęć. Pogłos – tu zwracam szczególną uwagę – jest zjawiskiem, a czas pogłosu parametrem je opisującym. Tych pojęć również nie należy mylić! Zjawisko to, objawiające się stopniowym zanikaniem dźwięku, powstaje w wyniku występowania bardzo dużej liczby fal odbitych (np. od przegród pomieszczenia) docierających do słuchacza w czasie. Liczba ta jest tak duża, że słuch ludzki nie jest w stanie wykryć pojedynczych odbić. W efekcie wydaje nam się, że źródło po wyłączeniu nie przestaje wybrzmiewać „nagle” tylko stopniowo, coraz ciszej. Jak wspomniałem wcześniej, parametrem opisującym to zjawisko jest czas pogłosu, który określa w jakim czasie po wyłączeniu źródła poziom dźwięku zmniejszył się milion razy, czyli o około 60 dB. Najlepszym przykładem przestrzeni o długim czasie pogłosu są kościoły oraz katedry. Natomiast spoglądając w drugą stronę, z krótkim czasem pogłosu możemy spotkać się w salach kinowych. Z akustycznego punktu widzenia są to dwie różne przestrzenie, jednak w obu występuje to samo zjawisko – pogłos – z innym „nasileniem”.  

Najlepszym przykładem przestrzeni o długim czasie pogłosu są kościoły oraz katedry.

Echo, swoją genezę również ma w docierających do słuchacza odbiciach fali akustycznej. Zjawisko to może być pojedynczym lub wielokrotnym powtórzeniem generowanego przez źródło dźwięku. Co więcej, odbicie musi dotrzeć z odpowiednim opóźnieniem oraz mieć wystarczającą energię akustyczną, aby zostało wyraźnie  zaobserwowane. Dobiegające do człowieka dwa dźwięki w krótkim odstępie czasowych odbierane są jako jeden. Nie zauważamy różnicy przy opóźnieniach mniejszych niż około 35 ms. Przy opóźnieniach wynoszących więcej niż około 50 ms ludzki słuch odbiera te sygnały jako dwa odrębne dźwięki – dźwięk pierwotny oraz jego powtórzenie. W standardowych warunkach, można przyjąć, że jeżeli droga między źródłem a przegrodą odbijającą jest większa niż 17 m – powstanie zjawisko echa. Pierwszy wniosek jaki możemy wyciągnąć z powyższych definicji to fakt, że w przypadku pogłosu liczba odbić jest tak duża, że człowiek nie jest w stanie „wychwycić” pojedynczych sygnałów. W przypadku echa, liczba ta jest na tyle mała a odstępy czasowe między nimi na tyle duże, że człowiek „zauważa” je bez problemu.

Z krótkim czasem pogłosu możemy spotkać się w salach kinowych.

Z pomyłkami związanymi z tymi pojęciami najczęściej możemy się spotkać przy opisywaniu akustycznych cech pomieszczeń. Osoba definiująca problem wspomina o tym, że w pomieszczeniu jest echo, które sprawia, że mowa oraz muzyka jest niezrozumiała. O ile osoba bardziej doświadczona w kontakcie z osobami nieznającymi dokładnie pojęć związanych z akustyką zrozumie, że najprawdopodobniej problem dotyczy pogłosu, to w przypadku dosłownego odebrania takiej informacji brak zrozumienia może okazać się dużym problemem. Mając na myśli echo musimy operować dużymi przestrzeniami, w których może ono powstać. W związku z tym, w trakcie rozmowy powstaje zupełnie inne wyobrażenie o danym miejscu i sposobie jego wykończenia, co ma również znaczący wpływ. Podsumowując, echo to zjawisko pojedynczego lub wielokrotnego percepcyjnego wyraźnego powtórzenia dźwięku i powstaje w dużych przestrzeniach, których wymiary wynoszą więcej niż 17 metrów. Pogłos to zjawisko zaniku dźwięku, w którym nie słyszymy wyraźnych odbić a subiektywnie odbierane wydłużenie wybrzmiewania dźwięku i to z nim najczęściej spotykamy się w pomieszczeniach. W kolejnych artykułach, utrzymując koncepcję edukacyjną, przedstawię tematy związane  bezpośrednio z akustyką budowlaną, między innymi szukając znaczenia sformułowania „wytłumienie ściany”. Spróbuję też rozwiać wątpliwości związane z takimi pojęciami jak natężenie dźwięku, poziom dźwięku czy głośność, które dla wielu znaczą z grubsza to samo a w rzeczywistości występują między nimi różnice.