Τι είναι ο ήχος;
Αυτό που εμείς οι άνθρωποι αντιλαμβανόμαστε ως «ήχο» δεν είναι παρά μεταβολές της πίεσης του αέρα, ικανότητα την οποία απέκτησε το είδος μας (μαζί με άλλα είδη ταυτόχρονα) ώστε να μπορεί να εντάσσεται καλύτερα στο περιβάλλον του. Οι ήχοι τους οποίους ακούμε καθημερινά είναι συνήθως πολύπλοκοι γιατί αποτελούνται από πολλές διαφορετικές συχνότητες. Ο πιο απλός τρόπος παραγωγής ενός ήχου μίας μόνο συχνότητας είναι το διαπασών. Η ταλάντωση των μεταλλικών στελεχών του διαπασών με σταθερή συχνότητα μεταφέρει την παλμική κίνηση στον αέρα με τη μορφή πίεσης, δημιουργώντας ένα κύμα πίεσης. Το κύμα αυτό είναι διάμηκες και όχι εγκάρσιο, δηλαδή η ταλάντωση λαμβάνει χώρα παράλληλα στην διεύθυνση διάδοσης του κύματος και όχι κάθετα σε αυτή, όπως συμβαίνει για παράδειγμα με τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα και το φως. Το κύμα αυτό διαδίδεται με ταχύτητα 340 μέτρων το δευτερόλεπτο και μεταφέρει τις μεταβολές της πίεσης του αέρα. Είναι προφανές ότι χωρίς αέρα δεν νοείται πίεση και έτσι ο ήχος είναι αδύνατο να διαδοθεί στο κενό.
Σταδιακά ο άνθρωπος απέκτησε την ικανότητα να αντιλαμβάνεται τις μεταβολές αυτές της πίεσης και να αποκωδικοποιεί το περιεχόμενό τους, μέσω των αυτιών. Το σχήμα των αυτιών είναι εκπληκτικό: η τοποθέτηση του πτερυγίου επιτρέπει την διάκριση των ήχων που έρχονται από το μπροστινό μέρος που βρίσκεται ο άνθρωπος από αυτούς που έρχονται από πίσω, ενώ σε συνδυασμό με τον υπόλοιπο λοβό δημιουργείται ένας από τους καλύτερους ενισχυτές που υπάρχουν. Επίσης, ο ανθρώπινος εγκέφαλος έχει την ικανότητα να συγκρίνει την χρονική διαφορά με την οποία ένας ήχος φτάνει στο κάθε αυτί, οπότε και να συμπεράνει την απόσταση από την οποία προέρχεται. Αυτή ήταν μία από τις σημαντικότερες άμυνες του ανθρώπου απέναντι στους κυνηγούς του, γι’ αυτό και από πολύ νωρίς εξελίχθηκαν δύο αυτιά και όχι μόνο ένα.
Το ανθρώπινο αυτί μπορεί να αντιληφθεί ήχους από 20Hz περίπου μέχρι και 20kHz. Οι ήχοι υψηλότερων συχνοτήτων δεν γίνονται αντιληπτοί και ονομάζονται υπέρηχοι.
Η φωνητικές χορδές επιτελούν την ακριβώς αντίστροφη διαδικασία. Πάλλονται με πολύ συγκεκριμένο τρόπο κατά το πρότυπο του διαπασών ώστε να παραχθούν ανάλογοι ήχοι διαφορετικών συχνοτήτων, ώστε με την κατάλληλη εξάσκηση αποκτάται η ικανότητα της ομιλίας.
Το μηχανικό ανάλογο των φωνητικών χορδών για την παραγωγή του ήχου είναι το ηχείο. Ουσιαστικά το ηχείο αποτελείται από ένα τύμπανο το οποίο πάλλεται ανάλογα με το ρεύμα που το διαρρέει. Έτσι, αν το ρεύμα αυτό είναι το ηχητικό σήμα που επιθυμούμε να ακούσουμε, τότε το τύμπανο θα δημιουργήσει τις ανάλογες μεταβολές στην πίεση ώστε να μπορέσουμε να το ακούσουμε. Βέβαια, η διαδικασία αυτή προϋποθέτει ότι ένας ήχος έχει πρωτίστως μετατραπεί σε ηλεκτρικό ρεύμα. Αυτή η μετατροπή, στην πιο απλή της μορφή υλοποιείται με έναν πυκνωτή του οποίου η χωρητικότητα εξαρτάται από την πίεση του αέρα πάνω του, οπότε και μεταβάλλεται τότε το ρεύμα που τον διαρρέει. Αυτό το ρεύμα τότε περιέχει την πληροφορία του ήχου.
Φυσικά η πληροφορία αυτή περιέχεται αυτούσια σε ένα αναλογικό σήμα. Κατά την μετάδοση όμως - ειδικά σε ηχητικά σήματα - είναι πολύ εύκολο να υπεισέλθει θόρυβος με κίνδυνο την αλλοίωση του σήματος. Οι κοινές κασέτες του μαγνητοφώνου αποθηκεύουν και μεταφέρουν αναλογικά τον ήχο για παράδειγμα, πράγμα που ως ένα βαθμό δεν ήταν επιθυμητό, για το λόγο αυτό άλλωστε εισήχθησαν στην αγορά τα CD. Για να αποφύγουμε την αλλοίωση του σήματος κατά την μεταφορά και αναπαραγωγή του, το μετατρέπουμε πρώτα σε ψηφιακό με δειγματοληψία. Στα επίπεδα του μουσικού CD, το σήμα δειγματοληπτείται με συχνότητα 44.100Hz, δηλαδή παίρνουμε την τιμή του σήματος μία φορά κάθε 1/44.100 = 23msec. Για την αποθήκευση του σήματος χρησιμοποιούνται λέξεις των 16bit, δηλαδή η τιμή του σήματος μπορεί να πάρει μια ένδειξη ανάμεσα σε 216=65.536 τιμές. Η συχνότητα των 44,100kHz δεν είναι τυχαία. Το θεώρημα της δειγματοληψίας του Nyquist ορίζει πως για να μην υπάρχει αλλοίωση στο περιεχόμενο ενός σήματος κατά την δειγματοληψία του, πρέπει η συχνότητα με την οποία θα γίνει η διαδικασία αυτή να είναι τουλάχιστον διπλάσια από την μέγιστη συχνότητα η οποία μπορεί να περιέχεται στο σήμα. Επειδή ένα ηχητικό σήμα μπορεί να περιέχει συχνότητα μέχρι τα 20kHz περίπου, η συχνότητα αυτή πρέπει να είναι τουλάχιστον διπλάσια. Έτσι προέκυψαν τα 44,100kHz του CD.
Σήμερα επικρατεί λίγο πολύ μία σύγχυση στον τομέα των προτύπων του ήχου. Ακούγονται πάρα πολλά ονόματα, όπως dolby surround, digital, AC-3, stereo και πολλά άλλα καλούδια. Είναι ευκαιρία λοιπόν να βάλουμε μία τάξη σε αυτό το χάος των ήχων.
Αυτό που εμείς οι άνθρωποι αντιλαμβανόμαστε ως «ήχο» δεν είναι παρά μεταβολές της πίεσης του αέρα, ικανότητα την οποία απέκτησε το είδος μας (μαζί με άλλα είδη ταυτόχρονα) ώστε να μπορεί να εντάσσεται καλύτερα στο περιβάλλον του. Οι ήχοι τους οποίους ακούμε καθημερινά είναι συνήθως πολύπλοκοι γιατί αποτελούνται από πολλές διαφορετικές συχνότητες. Ο πιο απλός τρόπος παραγωγής ενός ήχου μίας μόνο συχνότητας είναι το διαπασών. Η ταλάντωση των μεταλλικών στελεχών του διαπασών με σταθερή συχνότητα μεταφέρει την παλμική κίνηση στον αέρα με τη μορφή πίεσης, δημιουργώντας ένα κύμα πίεσης. Το κύμα αυτό είναι διάμηκες και όχι εγκάρσιο, δηλαδή η ταλάντωση λαμβάνει χώρα παράλληλα στην διεύθυνση διάδοσης του κύματος και όχι κάθετα σε αυτή, όπως συμβαίνει για παράδειγμα με τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα και το φως. Το κύμα αυτό διαδίδεται με ταχύτητα 340 μέτρων το δευτερόλεπτο και μεταφέρει τις μεταβολές της πίεσης του αέρα. Είναι προφανές ότι χωρίς αέρα δεν νοείται πίεση και έτσι ο ήχος είναι αδύνατο να διαδοθεί στο κενό.
Σταδιακά ο άνθρωπος απέκτησε την ικανότητα να αντιλαμβάνεται τις μεταβολές αυτές της πίεσης και να αποκωδικοποιεί το περιεχόμενό τους, μέσω των αυτιών. Το σχήμα των αυτιών είναι εκπληκτικό: η τοποθέτηση του πτερυγίου επιτρέπει την διάκριση των ήχων που έρχονται από το μπροστινό μέρος που βρίσκεται ο άνθρωπος από αυτούς που έρχονται από πίσω, ενώ σε συνδυασμό με τον υπόλοιπο λοβό δημιουργείται ένας από τους καλύτερους ενισχυτές που υπάρχουν. Επίσης, ο ανθρώπινος εγκέφαλος έχει την ικανότητα να συγκρίνει την χρονική διαφορά με την οποία ένας ήχος φτάνει στο κάθε αυτί, οπότε και να συμπεράνει την απόσταση από την οποία προέρχεται. Αυτή ήταν μία από τις σημαντικότερες άμυνες του ανθρώπου απέναντι στους κυνηγούς του, γι’ αυτό και από πολύ νωρίς εξελίχθηκαν δύο αυτιά και όχι μόνο ένα.
Το ανθρώπινο αυτί μπορεί να αντιληφθεί ήχους από 20Hz περίπου μέχρι και 20kHz. Οι ήχοι υψηλότερων συχνοτήτων δεν γίνονται αντιληπτοί και ονομάζονται υπέρηχοι.
Η φωνητικές χορδές επιτελούν την ακριβώς αντίστροφη διαδικασία. Πάλλονται με πολύ συγκεκριμένο τρόπο κατά το πρότυπο του διαπασών ώστε να παραχθούν ανάλογοι ήχοι διαφορετικών συχνοτήτων, ώστε με την κατάλληλη εξάσκηση αποκτάται η ικανότητα της ομιλίας.
Το μηχανικό ανάλογο των φωνητικών χορδών για την παραγωγή του ήχου είναι το ηχείο. Ουσιαστικά το ηχείο αποτελείται από ένα τύμπανο το οποίο πάλλεται ανάλογα με το ρεύμα που το διαρρέει. Έτσι, αν το ρεύμα αυτό είναι το ηχητικό σήμα που επιθυμούμε να ακούσουμε, τότε το τύμπανο θα δημιουργήσει τις ανάλογες μεταβολές στην πίεση ώστε να μπορέσουμε να το ακούσουμε. Βέβαια, η διαδικασία αυτή προϋποθέτει ότι ένας ήχος έχει πρωτίστως μετατραπεί σε ηλεκτρικό ρεύμα. Αυτή η μετατροπή, στην πιο απλή της μορφή υλοποιείται με έναν πυκνωτή του οποίου η χωρητικότητα εξαρτάται από την πίεση του αέρα πάνω του, οπότε και μεταβάλλεται τότε το ρεύμα που τον διαρρέει. Αυτό το ρεύμα τότε περιέχει την πληροφορία του ήχου.
Φυσικά η πληροφορία αυτή περιέχεται αυτούσια σε ένα αναλογικό σήμα. Κατά την μετάδοση όμως - ειδικά σε ηχητικά σήματα - είναι πολύ εύκολο να υπεισέλθει θόρυβος με κίνδυνο την αλλοίωση του σήματος. Οι κοινές κασέτες του μαγνητοφώνου αποθηκεύουν και μεταφέρουν αναλογικά τον ήχο για παράδειγμα, πράγμα που ως ένα βαθμό δεν ήταν επιθυμητό, για το λόγο αυτό άλλωστε εισήχθησαν στην αγορά τα CD. Για να αποφύγουμε την αλλοίωση του σήματος κατά την μεταφορά και αναπαραγωγή του, το μετατρέπουμε πρώτα σε ψηφιακό με δειγματοληψία. Στα επίπεδα του μουσικού CD, το σήμα δειγματοληπτείται με συχνότητα 44.100Hz, δηλαδή παίρνουμε την τιμή του σήματος μία φορά κάθε 1/44.100 = 23msec. Για την αποθήκευση του σήματος χρησιμοποιούνται λέξεις των 16bit, δηλαδή η τιμή του σήματος μπορεί να πάρει μια ένδειξη ανάμεσα σε 216=65.536 τιμές. Η συχνότητα των 44,100kHz δεν είναι τυχαία. Το θεώρημα της δειγματοληψίας του Nyquist ορίζει πως για να μην υπάρχει αλλοίωση στο περιεχόμενο ενός σήματος κατά την δειγματοληψία του, πρέπει η συχνότητα με την οποία θα γίνει η διαδικασία αυτή να είναι τουλάχιστον διπλάσια από την μέγιστη συχνότητα η οποία μπορεί να περιέχεται στο σήμα. Επειδή ένα ηχητικό σήμα μπορεί να περιέχει συχνότητα μέχρι τα 20kHz περίπου, η συχνότητα αυτή πρέπει να είναι τουλάχιστον διπλάσια. Έτσι προέκυψαν τα 44,100kHz του CD.
Σήμερα επικρατεί λίγο πολύ μία σύγχυση στον τομέα των προτύπων του ήχου. Ακούγονται πάρα πολλά ονόματα, όπως dolby surround, digital, AC-3, stereo και πολλά άλλα καλούδια. Είναι ευκαιρία λοιπόν να βάλουμε μία τάξη σε αυτό το χάος των ήχων.
