Ludzki słuch

Nasz słuch jest ułomny. Niestety audiofile wykorzystują go do "oceny" sprzętu. Takie postępowanie jest pozbawione racjonalnego wytłumaczenia.

Wstęp

W pierwszym poście pragnę przybliżyć istotę słuchu ludzkiego. Jest to narząd iście skomplikowany, a sposób jego działania jest bardzo wyrafinowany. Chcąc zrozumieć istotę poprawnej reprodukcji dźwięku musimy wiedzieć czym jest dźwięk. Jakie są jego parametry i jak jest odbierany przez nas.

Budowa ucha ludzkiego: 1 - czaszka 2 - przewód słuchowy zewnętrzny 3 - małżowina uszna 4 - błona bębenkowa 5 - okienko owalne 6 - młoteczek 7 - kowadełko 8 - strzemiączko 9 - kanał półkolisty 10 - ślimak 11 - nerw słuchowy 12 - trąbka Eustachiusza; źródło: Wikipedia

Dźwięk jest wrażeniem słuchowym odczuwanym przez nas pod wpływem fal akustycznych. Fala akustyczna wymaga środowiska w którym może odbywać się jej propagacja. Dla fal dźwiękowych środowisko to musi być ośrodkiem sprężystym. Podobnie jak po wrzuceniu kamienia do wody w powietrzu wokół źródła dźwięku następuje rozprzestrzeniające się zaburzenie. Fala ta przenosi ze sobą energię poprzez wzajemne oddziaływanie cząstek ośrodka. Prędkość dźwięku w powietrzu to około 340 m/s. Mogą to być fale o częstotliwości od kilku herców (infradźwięki) do kliku megaherców (ultradźwięki).

Zakres słyszanych częstotliwości 

Uproszczony schemat słyszanych przez człowieka częstotliwości; Źródło: http://www.ciop.pl/26006.html

Zakres fal dźwiękowych użytecznych dla człowieka to pasmo od około 16Hz do 20kHz. Nie każdy jednak odbiera tak szerokie pasmo, a dźwięki na jego skrajach nawet o bardzo dużym natężeniu są słabo słyszalne. Infradźwięki są rozróżnialne dla niektórych zwierząt (słonie, tygrysy). Ultradźwięki powyżej 20kHz rejestruje także wiele zwierząt (psy, delfiny, nietoperze). Dźwięki o częstotliwości rzędu megaherców są bardzo użyteczne w medycynie (ultrasonografia, echokardiografia) i w przemyśle.

Natężenie dźwięku

Krzywe jednakowego poziomu głośności; Źródło: http://www.ciop.pl/26006.html

Podstawowym parametrem fali dźwiękowej jest jej natężenie (głośność). Ponieważ czułość ucha ludzkiego ma charakter logarytmiczny zakres dynamiki odbieranych przez nas dźwięków jest bardzo szeroki. Jesteśmy w stanie usłyszeć najcichszy szept, ale i znieść dźwięk na poziomie fali uderzeniowej. Odczuwana przez nas głośność zależy nie tylko od natężenia fali dźwiękowej, lecz także od jej częstotliwości. Czułość ucha jest różna dla różnych tonów. Właściwość tą opisano już dawno za pomocą tzw. „Krzywych jednakowego poziomu głośności.” Częstotliwości skrajne (najniższe i najwyższe) są słyszane ciszej niż częstotliwości średnie. Im głośniej, tym równiej słyszymy, nigdy jednak nie będzie to charakterystyka liniowa. Najciszej słyszymy niskie tony. Teraz już wiemy, skąd w urządzeniach audio występuje tendencja do "podbijania" niskich i wysokich częstotliwości. Chcemy "naprawić" niedoskonałości naszego słuchu. Należy jednak pamiętać, że wykres krzywych jednakowego słyszenia także jest uśrednieniem dla pewnej populacji ludzkiej. Każdy z nas, może mieć inną charakterystykę.

Częstotliwość i barwa dźwięku

Kolejny parametr to częstotliwość (ton). Pojedynczy ton jest zjawiskiem bardzo rzadkim i praktycznie nie występuje. Dźwięki docierające do nas składają się z wielu tonów nakładających się na siebie, tworzących całe widmo w rozróżnialnym przez nas spektrum. Dlatego pomiar zniekształceń harmonicznych odnoszących się do pojedynczego tonu jest badaniem istotnym, lecz mało miarodajnym co do jakości sprzętu. Ilość i częstotliwość tonów składających się na obraz dźwięku oraz stosunek ich natężenia decyduje o barwie dźwięku. Zdolność ludzkiego słuchu do rozróżniania harmonicznej struktury dźwięku jest zadziwiająca. Dzięki temu z łatwością rozróżniamy dźwięk skrzypiec, fletu czy fortepianu nawet jeśli odegramy na nich tylko jeden dźwięk o tym samym tonie podstawowym. Pamiętajmy jednak że odczuwana barwa dźwięku będzie zależała także od jego głośności. Jeśli dźwięk będzie odtwarzany za cicho lub za głośnio w stosunku do oryginału to obraz jego barwy, mimo że reprodukowany właściwie przez sprzęt, będzie dla nas nieco zafałszowany. Nawet jeśli korzystamy z najlepszego sprzętu o dużej mocy, gdy przesadzimy z gałką głośności dźwięk będzie po prostu nieprzyjemny. Słuchając bardzo cicho odczujemy niedosyt tonów niskich i wysokich.
Największa czułość ludzkiego słuchu przypada na częstotliwość około 4kHz. Jeśli sprzęt wytworzy sztuczne nawet niewielkie sygnały w okolicach tej częstotliwości będące na przykład efektem intermodulacji innych tonów lub po prostu nieliniowości istnieje możliwość że wpłyną one bardzo negatywnie na odczuwalny przez nas efekt.

Dynamika

Dynamika to różnica głośności dźwięku najgłośniejszego i najcichszego. Dla ludzkiego słuchu wynosi ona 110-140dB (od progu słyszalności (0 dB) do progu bólu (110-140dB). Nie oznacza to oczywiście, że w jednym momencie można słuchać oddechu (10dB) i młota pneumatycznego (100dB). W jednym momencie człowiek “ogarnia” około 40…60dB. Teoretyczna dynamika “typowej” muzyki, zapisanej z rozdzielczością 16-bit (np. CD-Audio) to około 96dB. 

Niestety – tyle jeśli chodzi o teorię. W praktyce jest zupełnie inaczej. Nagrania muzyki klasycznej czy dobrze nagrany jazz faktycznie mogą się poszczycić dynamiką 40dB i więcej. Oznacza to że wykorzystują pełen zakres głośności, na jaką pozwala nam w danym momencie typowe ucho bez groźby ogłuszenia. Jednakże nagrania muzyki “popularnej” (pop, rock) mają ostatnio tendencję do maksymalnego wykorzystania “typowych warunków odsłuchu”. Objawia się to maksymalnym wysterowaniem dźwięku, na jakie pozwala standard CD-Audio, oraz kompresją dynamiki dźwięku. W takim przypadku zakres cichy-głośny zmniejsza się z 40dB (100-krotna różnica głośności) do nieraz zaledwie 12…6dB (2-4 krotna różnica głośności). W praktyce oznacza to, że np. “uderzenie gitar i perkusji” wcale nie jest zadowalająco głośniejsze niż mające miejsce tuż wcześniej “cichutkie granie". 

Stereofonia

Ponieważ mamy dwoje uszu do mózgu docierają sygnały dźwiękowe z dwóch źródeł. Nawet jeśli dźwięk wytworzony jest przez jedno punktowe źródło, na skutek różnic odległości od poszczególnych uszu, oraz odbić fal dźwiękowych od różnych przedmiotów, ścian, następuje zmiana właściwości sygnału rejestrowanego przez każde ucho. Różnice te wynikają z innych natężeń dźwięku, zmian jego fazy a nawet barwy, gdyż na skutek odbić w różnych ośrodkach może nastąpić większe tłumienie jednych tonów, a wzmocnienie innych. Ze względu na różnice odległości dźwięki rozpoczynające się (np. nagłe uderzenie) docierają do obu uszu z różnym opóźnieniem czasowym. Na podstawie tych cennych informacji różnicowych mózg jest w stanie bardzo precyzyjnie określić kierunek dochodzącego dźwięku. Doskonale wyczuwamy także właściwości akustyczne pomieszczenia w którym odbieramy dźwięki. Mnóstwo sygnałów odbitych, zafałszowanie barwy daje nam obraz wielkości pomieszczenia, wielkości składu muzycznego, pozornej głośności instrumentów - pomimo że znajdujemy się dość daleko i natężenie dźwięku wcale nie jest duże.

Zmienność słuchu

Wraz z wiekiem nasz słuch się pogarsza. Zakres słyszanych częstotliwości ulega zawężeniu. Różne źródła podają różne wartości. Zakres ten może się zawęzić nawet do 200Hz – 4kHz. Każdy człowiek słyszy "na swój sposób". Słuch jest subiektywny. Dla jednej osoby 16Hz jest słyszalne, inna usłyszy dopiero 50Hz. Jeszcze ciekawiej wygląda sytuacja "na górze pasma". Tutaj mało kto usłyszy więcej niż 20kHz. Przyjmuje się, że 16kHz jest górną granicą słyszalności ludzkiego słuchu.  

Psychofizjologia narządu słuchu

Odbierany przez nas obraz dźwiękowy jest bardzo zależny także od stanu psychicznego. Inaczej reagujemy na dźwięk wypoczęci. W przypadku zmęczenia (nie tylko wynikającego z długich odsłuchów) jesteśmy bardziej wrażliwi. Dźwięk wpływa na nas drażniąco. Podobny efekt obserwujemy także w przypadku wielu chorób. Ludzki organizm jest zadziwiająco zdolny do regeneracji, dostosowania się do nowych warunków. W przypadku osób niewidomych zmysł słuchu wyostrza się. Jest on bowiem wtedy głównym zmysłem orientacji w otaczającej rzeczywistości. Podobny efekt zapewne w mniejszym stopniu obserwujemy gdy zamkniemy oczy słuchając muzyki. Natychmiast pojawia się nam w wyobraźni obraz docierających do nas dźwięków. Doszukujemy się większej ilości szczegółów, prawidłowości, skupiamy się bardziej na słuchaniu. Jeśli kupimy nową płytę, lub włożymy starą do nowego odtwarzacza spodziewamy się poprawy, zmian, wyostrzamy słuch. Czy jesteśmy wtedy obiektywni? Czy nasz słuch to bezbłędny przyrząd pomiarowy? Z pewnością nie. Powstaje więc pytanie. Skoro odczuwalny przez nas dźwięk to tak skomplikowany efekt oddziaływań fizycznych źródeł dźwięków, przedmiotów, pomieszczeń, stanu psychicznego to czy możliwe jest zatrzymanie dźwięku? Jego bezbłędna rejestracja i odtworzenie w warunkach zacisza domowego? To nierealne. Możemy jedynie stworzyć pewną iluzję. Namiastkę, która przeniesie nas w wyobraźni na widownię sali koncertowej czy filharmonii. Możemy trochę oszukać nasze uszy. Zbliżyć się do ideału. Nigdy go jednak nie osiągniemy. To smutne, ale i pasjonujące…

Częstotliwości a poszczególne instrumenty

Dźwięk w muzyce podzielony jest na oktawy. Oktawa jest to zakres wartości począwszy od danej liczby (częstotliwości) a skończywszy na jej dwukrotności. Czyli między 20 a 40Hz jest jedna oktawa, podobnie jak między 10 a 20kHz. Dekada zaś to rozpiętość od danej liczby do jej dziesięciokrotności, np. 30Hz do 300Hz to dekada. Obie te jednostki są logarytmiczne. Oktawami “rządzi” logarytm o podstawie 2, a dekadami – o podstawie 10. 

1. oktawa 1 – 16…32Hz – należą do niej najniższe dźwięki, jakie (teoretycznie) może słyszeć człowiek; jedyny instrument jaki wydaje tak niskie dźwięki to duże organy, a i tak są one bardziej odczuwane jako drżenie otoczenia niż jako rzeczywisty dźwięk 
2. oktawy 2…5 – 32…512Hz – tu należą dźwięki muzyczne, w tym niski i wysoki bas oraz “dolny środek”; 32Hz uznaje się za “rozsądną granicę ludzkiego słuchu” ale typowy najniższy dźwięk w muzyce to najgrubsza struna gitary basowej, czyli 40Hz; 440Hz to “średni” ton używany do strojenia instrumentów 
3. oktawy 6 i 7 – 512…2048Hz – w tym zakresie leży ludzka mowa a także wysokie dźwięki w muzyce (w tym perkusja), jest to niejako “górny środek”; 1kHz to pisk telewizora na tablicy kontrolnej, która się pokazuje kiedy nic nie jest nadawane 
4. oktawy 8 i 9 – 2048…8192Hz – ten zakres odpowiada za barwę i naturalność głosu, znajdują się tu również harmoniczne odpowiadające za barwę instrumentów muzycznych; tu kończy się “wysoki środek” a zaczyna “góra” dźwięku; rozpoczyna się tu “wybrzmienie” odpowiadające m.in. za charakterystykę studia nagraniowego (o ile muzyka została nagrana w studio a nie “sztucznie uprzestrzenniona”) 
5. oktawa 10 – 8192…16000Hz – tu znajdują się jedynie harmoniczne i wybrzmienie różnych instrumentów muzycznych, nadające dźwiękowi “blasku”, powodujące że jest czysty i wyraźny a nie “zduszony i nijaki”… jakkolwiek – w sumie – da się bez tego obejść; znajduje się tu również świszczące ludzkie “s”; niektóry słyszą “pisk lampy kineskopowej” o częstotliwości nieco poniżej 16kHz

Oktawa więc oktawie nie równa. Pierwsze oktawy mają “po kilka herców”, podczas gdy ostatnie mają “kilka kiloherców”. O ile w pierwszym przypadku każdy herc robi różnicę, o tyle w drugim nawet setki herców nie mają żadnego znaczenia bo wciąż jest to 7 tonów podstawowych – od jednego C do drugiego. Tak więc boje o “16 a 20kHz” są częściowo “walką o nic” – dla ucha to prawie żadna różnica, oktawa miała by wtedy 16…32kHz.

Nota autora

Tekst ten powstał na podstawie opracowania Pana Pawła Szymczaka. Dodatkowo wykorzystano materiały pochodzące z bloga KHroN'a. Nie jestem anatomem, akustykiem, a tym samym osobą kompetentną do pisania artykułu na temat ludzkiego słuchu. Niemniej jednak, chciałem przybliżyć Państwu zagadnienie ludzkiego słuchu. Dlatego posłużyłem się tekstami innych osób, modyfikując je i dodając coś od siebie.

Zrozumienie działania narządu słuchu pozwoli nam uniknąć niczym nie uzasadnionych wydatków. Jak się bowiem okazuje, Ludzki słuch jest bardzo ułomny, a jego działanie jest uzależnione od wielu czynników i jest zmienne w czasie. Tym bardziej dziwi fakt, że audio[psycho]file używają tylko tego zmysłu do "odróżniania" wzmacniaczy, kabli (sic!), czy odtwarzaczy CD i kart dźwiękowych. Do granic absurdu można sprowadzić twierdzenie wspomnianych ludzi, że kable sieciowe mają wpływ na dźwięk. Zresztą, według tych (chorych) ludzi na dźwięk ma wpływ wiele niedorzecznych czynników (np.: podstawki pod kable [sic!]).
Jeśli nasze ucho jest niedoskonałe (a tak niestety jest i musimy się z tym pogodzić), to powinniśmy się posługiwać przyrządami pomiarowymi, które to się nie męczą, nie mają humorów i są odporne na szereg zmiennych, na których nasze ucho jest podatne. Oczywiście, nie możemy polegać tylko na pomiarach. Najlepszym sposobem na wybór sprzętu, jest po prostu ślepy test. Ale o tym będę jeszcze pisał.

Artykuł ten będzie modyfikowany.
Ostatnia modyfikacja: 19.10.12

Źródła

1. http://www.psamp.cba.pl/Artykuly.html
2. http://blog.khron.net/2007/08/20/ludzki_sluch_czestotliwosc_dynamika/