Słuch to zmysł, którego wartości nie można przecenić. Przydaje się praktycznie zawsze i wszędzie. Jednocześnie to zmysł, który bardzo mocno narażony jest na zmiany cywilizacyjne. Według Światowej Organizacji Zdrowia około 466 milionów ludzi boryka się z niedosłuchem i liczba ta będzie tylko rosła. Blisko miliard osób w wieku od 12 do 35 lat jest narażonych na uszkodzenia słuchu w związku ze zbyt dużą ekspozycją na głośną muzykę oraz dźwięki z otoczenia.
Coraz bardziej chcemy otaczać się dźwiękiem. Między innymi z tego powodu sprzedaje się coraz więcej soundbarów czy słuchawek bezprzewodowych. Dźwięki mają dla nas duże znaczenie, a tych, którzy będą w stanie tworzyć rozwiązania odpowiadające na nasze potrzeby, czeka świetlana przyszłość. Miejscem, w którym możemy zdobyć taką wiedzę, jest Zakład Elektroakustyki Politechniki Warszawskiej.
Zachęcony opcją sprawdzenia, jak to jest być w komorze bezechowej, skierowałem się do gmachu przy ulicy Nowowiejskiej w Warszawie. Zobaczyłem tam jednak sporo więcej, niż to wyjątkowe pomieszczenie.
“Sztuczna głowa”, czyli jak być pewnym, że dźwięk dotrze do nas w odpowiedni sposób
Ludzkie ucho to organ o niezwykłej wprost budowie. Choć jego znaczna część znajduje się wewnątrz czaszki, tak istotną rolę dla tego, jak odbieramy dźwięk odgrywa znajdująca się na zewnątrz małżowina uszna. To ona stanowi swojego rodzaju lejek, dzięki któremu fale dźwiękowe wpływają do wewnętrznej części ucha. Kształt małżowiny jest dziedziczny, a jego nadrzędną funkcją jest przekazywanie ruchów powietrza do błony bębenkowej.
Jak w takim razie zarejestrować dźwięk w sposób, który robi to ucho? Konwencjonalne mikrofony najpewniej nie podołają temu wyzwaniu. W tym miejscu pojawia się sztuczna głowa. W Politechnice Warszawskiej miałem okazję posłuchać, jak dźwięk odbiera specjalistyczny symulator ludzkiego słuchu stworzony przez firmę Brüel & Kjær.
Kilka technicznych aspektów. Jak zapewne się domyślacie, kształt ucha zewnętrznego nie należy do jednej osoby, a jest wynikiem obliczeń przeprowadzonych na bazie ponad 40 rezonansów magnetycznych głów osób o różnej płci, wieku i kolorze skóry. Te obliczenia pozwoliły stworzyć nie tylko to, co widzimy na zewnątrz, ale i przeciętny kształt przewodu słuchowego. Następnie zmierzono i ustalono przeciętną wartość impedancji akustycznej – oporu, jaki stawia nasze ucho środkowego w obliczu dźwięku. Do każdego z przewodów słuchowych badanych osób włożono sondę mierzącą impedancję zgodnie z kształtem ucha. To wszystko wpłynęło na kształt wewnętrznych elementów mierzących i pobierających dźwięk.
Czytaj też: “To nie brzmi dobrze”. Jak odróżnić dźwięk właściwy od niewłaściwego? Nasz mózg to wie!
Jakie zastosowania może mieć taki sprzęt? Przede wszystkim to świetna platforma testowa dla firm, które zajmują się budową głośników, smartfonów, telewizorów i wszystkich rozwiązań, które transmitują dźwięk do naszych głów. Sprzęt dzięki swojej mobilności pozwala rejestrować parametry w praktycznie dowolnym miejscu. Na wyposażeniu Politechniki Warszawskiej znajduje się także druga wersja manekina z dedykowanym uchwytem, który pozwala mierzyć parametry dźwięku z głośników smartfonu.
Na miejscu miałem też okazję odsłuchać tego, co rejestruje zespół mikrofonowy znajdujący się w “sztucznej głowie”. Urządzenie rejestruje bardzo precyzyjnie dźwięk, jak i dobrze uwzględnia jego odległość od lewego i prawego ucha. Nie trzeba niemożliwie drogich słuchawek, by usłyszeć, z jakich konkretnie kątów dobiega dźwięk. To ewidentnie narzędzie o większym potencjale niż potrzeba było, bym słyszał odgłosy z wielu stron.
Powstające w ten sposób nagrania binauralne bez problemu znajdziecie na Youtube, więc jeżeli nie chcecie polegać wyłącznie na moich słowach – nałóżcie słuchawki i przekonajcie się sami. Polecam szczególnie te imitujące przycinanie włosów.
Politechnika Warszawska ma dwie kule o zupełnie innych mocach
Sztuczna głowa to oczywiście najbardziej rzucający się w oczy sprzęt, ale nie jedyny, jaki Zakład Elektroakustyki Politechniki Warszawskiej ma w swoim arsenale. Po rozmowie przy sztucznej głowie (niespecjalnie poruszonej tym, jak o niej dyskutujemy) zaprezentowano mi dwa zupełnie odmienne rozwiązania, które w zasadzie łączy jedynie kulisty kształt.
Zacznijmy od mniejszego sprzętu. To matryca mikrofonowa, choć równie często pojawia się też określenie mikrofon ambisoniczny. Co ciekawe, sprzęt, który zobaczyłem w Politechnice Warszawskiej, pochodzi od polskiej firmy. ZYLIA ZM-1 to jedno z bardziej cenionych rozwiązań do nagrywania dźwięku w 360 stopniach. Dzieje się to dzięki 19 mikrofonom, które działają w jednym zespole, by stworzyć przestrzenny format audio.
Dzięki kształtowaniu wiązki (ang. beamforming) możemy nasłuchiwać dźwięk z konkretnego kierunku. Aby jednak do tego doszło, potrzebujemy niezbędnego oprogramowania. To dostarcza producent, który bazuje jego działanie na tym, jak rozmieścił mikrofony. Każdy z nich działa nieco inaczej. Niezbędna jest matryca oprogramowania – to ona pozwala na dekodowanie dźwięków z tzw. a-formatu do tzw. b-formatu ambisoniczego, czyli standardu rozumienia dźwięku przez inne oprogramowanie.
Czytaj też: Ten dźwięk jest przerażający! Najnowsze nagranie ESA ujawnia, jak brzmi pole magnetyczne Ziemi
Takie nagranie ma w sobie kilkanaście ścieżek. Najbardziej ogólna z nich to kanał W, w którym znajduje się zapis tego, co dzieje się wokół mikrofonu, jednak bez żadnej informacji o kierunkowości. Następne są kanały X, Y i Z, nazwane tak od trzech kierunków ortogonalnych, które definiują pewne szczegóły przestrzenności. Na końcu znajdziemy ścieżki kierunkowe. Im wyższy rząd ambisonii, czyli im większe zaawansowanie sprzętu i nagromadzenie mikrofonu, tym więcej ścieżek. Oznacza to większą dokładność przy odtwarzaniu dźwięku z danego kierunku.
To, do jakiej formy zdekodujemy ten zbiór informacji, zależy nie tylko od parametrów matrycy mikrofonowej, ale i urządzenia, na którym chcemy posłuchać takiego dźwięku. Inaczej sprawa będzie wyglądała dla słuchawek z dwoma kanałami, inaczej dla zestawu kolumn z konkretnym rozstawieniem w pomieszczeniu. Wtedy także przydaje się swoista mapa otoczenia, z której może korzystać oprogramowanie. Efektem jest nagranie, w którym słuchacz może poczuć się tak, jakby był w samym środku miejsca, gdzie nagrywano dźwięk.
Co może być zaskakujące, doszliśmy do czasów, w których mikrofony ambisoniczne nie potrzebują dedykowanych złącz i fizycznych dekoderem (choć takie też można nabyć). Wystarczy zwykłe USB oraz oprogramowanie z wbudowanym dekoderem, które dostarcza producent.
Gdzie taki sprzęt znajduje zastosowanie poza Politechniką Warszawską? Najbardziej oczywistą odpowiedzią jest oczywiście VR. Dźwięk ambisoniczny ma swoje zastosowanie także w materiałach promocyjnych, gdy trzeba przekonać odbiorcę do tego, że każdy z głośników w systemie audio wykonuje należną mu pracę. Studenci w Zakładzie Elektroakustyki mogą z jego pomocą uczyć się tworzenia nagrań w 360 stopniach.
Drugie urządzenie, choć wyglądało podobnie, miało zupełnie inną funkcję. Rozwiązanie, które na potrzeby mojej wizyty umieszczono na potężnym trójnogu to wszechkierunkowe źródło dźwięku. Nazwa sama w sobie tłumaczy, jakie jest główne założenie tego sprzętu – ma on transmitować dźwięk w możliwie jak największej liczbie kierunków.
Dźwięk jest rozsyłany po całym pomieszczeniu z głośników, które znajdują się w “kuli” i mają ułożenie zgodne ze standardami rynkowymi ISO oraz PN-EN ISO (np. ISO 10140 czy PN-EN ISO 3382). Rozsyłane dźwięki nie są jednak muzyką. Najczęściej są to szumy albo pojedyncze impulsy. Dzięki temu sprawdzimy między innymi, jaki jest czas pogłosu. Określa się go jako sytuację, w którym po wyłączeniu źródła dźwięku nadającego z głośnością 60 dB spadnie ciśnienie akustyczne. W studiach nagraniowych celuje się w to, by ten czas nie wynosił więcej niż pół sekundy, z kolei w salach koncertowych mogą to być już nawet 2 sekundy.
Zastosowanie wszechkierunkowych źródeł dźwięku to między innymi wykonywanie pomiarów akustycznych, przede wszystkim w akustyce budowlanej i architektonicznej. Wszystkie budynki, a zwłaszcza te o charakterze masowym, muszą spełnić normy pochłaniania i odbijania dźwięku, nim zostaną dopuszczone do użytku. Dla takich zastosowań istnieją też głośniki punktowe, przypominające rozwiązania, z którymi obcujemy na co dzień. Tego typu sprzętem zmierzymy także izolacyjność okien czy innych elementów budowlanych danego pomieszczenia.
Spędziłem kilka minut w komorze bezechowej
Politechnika Warszawska oferuje nie tylko sprzęty do rejestrowania i odbierania dźwięku, ale również i przestrzenie, które pozwalają zwrócić uwagę na aspekty umykające na co dzień naszym uszom. Jednym z takich rozwiązań jest komora bezechowa.
Politechnika Warszawska miała swego czasu największą komorę bezechową, ale i obecnie to jedno z większych takich pomieszczeń w Polsce. Jej objętość wynosi 250 metrów sześciennych. Parametry techniczne tego pomieszczenia zdecydowanie są niecodzienne. Najbardziej w ucho rzuca się niski poziom dźwięku zakłóceń, który nie przekracza 20 dB (A). Częstotliwość odcięcia dźwięku wynosi około 110 Hz, a czas pogłosu poniżej 0,05 s. Taki efekty osiągnięto dzięki zastosowaniu 65-centymetrowych klinów wypełnionych watą szklaną i okrytych płótnem szklanym.
Co warto zaznaczyć, komora faktycznie istnieje przy Politechnice Warszawskiej. Zbudowano ją przy jednoczesnym oddzieleniu od gmachu Wydziału Elektroniki i Technik Informacyjnych PW. Wszystko po to, aby wibracje pochodzące z budynku nie zakłócały pomiarów. Z tego też powodu dojście do pomieszczenia wymaga przejścia przez kręte schody. By dostać się do środka, niezbędne jest otworzenie drzwi przypominających te ze skarbca. Należy odpowiednio długo kręcić korbą, by te przesunęły się po suwnicy.
Pewnym zaskoczeniem może być fakt, że podłoga to nie podłoga, a siatka. Wynika to z faktu, że dla zachowania specyfiki dźwięku kliny muszą znajdować się na każdej ze stron. Dzięki temu pomieszczenie zachowało swoje parametry. Jednocześnie nie jest to komora bezodbiciowa, bowiem dźwięk jest w stanie docierać, choć w znacznie mniej intensywnej formie. Dlatego też dzięki uprzejmości osób z Zakładu Akustyki Politechniki Warszawskiej mogłem spędzić dłuższy moment w pomieszczeniu w kompletnej samotności.
To naprawdę niecodzienne doświadczenie o tyle, że życie w Warszawie obfituje w dźwiękowy harmider, a w mieszkaniu rzadko doświadczam ciszy poniżej 35 dB. Stąd też pierwszą reakcją po wejściu do komory bezechowej było wyciszenie swojego głosu. Gdy nie musisz walczyć z otoczeniem, by zostać usłyszanym, mimowolnie zaczynasz mówić ciszej. Po pewnej chwili w ciszy uszy zaczynają desperacko chwytać się każdego najmniejszego szumu. Tak duże wyciszenie nie jest naturalną sytuacją.
Im dłużej przebywałem w pomieszczeniu (które ze względu na swoją specyfikę niespecjalnie angażuje wizualnie), tym bardziej słyszalny stawał się każdy oddech, bicie serca czy nawet najmniejszy ruch. Przez ponad 10 minut nie stało się to dramatycznie odczuwalne, ale z pewnością było to coś kompletnie innego niż codzienne funkcjonowanie. Taka przestrzeń sprzyja też zwiększeniu senności, a przynajmniej tak było w moim przypadku, choć zapewne swoje odegrało też skąpe oświetlenie.
Po wyjściu uszy zachowują się, jakby ktoś otworzył im drzwi do dźwięku. W Zakładzie Elektroakustyki nie ma błyskawicznego przejścia do strefy pełnej odgłosów, ale te, które słyszy się zaraz po wyjściu, stały się jakby intensywniejsze. Zwykła rozmowa wydaje się mieć większy priorytet w docieraniu do głowy niż miało to miejsce dotychczas. Poniekąd uczucie to przypomina uruchomienie dźwięku, gdy zapomniało się o tym, że ten był głośny.
Oczywiście komora bezechowa ma też znacznie poważniejsze zastosowania. Politechnika Warszawska udostępnia przestrzeń studentom i doktorantom, by ci mogli mierzyć parametry przetworników elektroakustycznych i parametry źródeł dźwięku oraz przeprowadzać badania psychoakustyczne w dokładnie zdefiniowanym polu akustycznym. Taka komora pozwala zaobserwować, w jaki sposób odbieramy dźwięk w ramach odmiennych wrażeń słuchowych. Otwiera też pole dla studentów do realizowania prac dyplomowych, w których liczy się czystość pomiaru dźwięku z danych urządzeń.
PS – po więcej materiałów najwyższej jakości zapraszamy na Focus Technologie. Subskrybuj nasz nowy kanał na YouTubie!