Van élet 20 000 Hertz-en túl?

A hangtechnika, ezenbelül kiváltképpen a nagy-felbontású digitális jelátvitel egyre izgalmasabb témákat vet fel. Az extra széles frekvencia spektrum átvitele vajon igazi hasznot hoz a hallgatónak vagy ez csak egy illúzió? A most következő cikkben válogatott tanulmányokra hivatkozva áttekintést kívánunk adni a legjelentősebb kérdésekben.

Három kérdéskörben vizsgálódunk: van-e a zenének 20 kHz feletti tartalma?, képesek vagyunk-e érzékelni ezeket a frekvenciákat?, az audio-rendszerek képesek-e mindezeket reprodukálni?
Ezek a kérdések gyakran felmerülnek a hifi és a High-End szerelmeseinek körében, de eddig nem kaptak alátámasztást, pedig megérdemlik a sok „talán” és „úgy tűnik” után. Úgy gondoljuk, alapvető megérteni a témával kapcsolatos fogalmakat, ezért cikkünkben megpróbáljuk eloszlatni a kétségeket.

Van-e a zenében 20 000 Hz-es hang? Ahhoz, hogy határozott és egyértelmű választ tudjunk adni fel kell mérni mely zeneszerszámok képesek a „normál” audio-spektrumon túl megközelíteni vagy átlépni a 20 kHz-es határértéket.
A választ James Boyk, a California Institute of Technology professzora vetette papírra 1997-ben. A hangszereket azzal a kifejezett célja vizsgálta, milyen frekvenciákat és ezekhez mennyi energiát bocsátanak ki a zenekar fő eszközei 20 kHz felett. Valódi (akusztikus) hangszereket vizsgált megfelelő környezetben és a következő megállapításra jutott: minden hangszercsaládban – legyenek azok akár vonósok, réz- vagy fafúvós és ütős hangszerek – legalább egy közülük előállít 20 000 Hertz feletti hangokat, de akad közöttük néhány eszköz, amely jelentős energiaszinten képes 40 kHz felett is hangot adni. A tanulmány megjelenésekor a mérőműszerek kalibrálási határa 102.2 kHz volt, a vizsgálat egy mikrofonnal, mintegy 1,2 méterre a hangforrástól, biztosítva a hang szabad kibocsátását, reflexiómentes környezetben mérve történt.

A trombita alapvetően alacsony, 465,4 Hz-en indul, maximális csúcsa körülbelül 2000 Hz-érték körül van (90,8 dB hangnyomással). A még kibocsátani képes 50 kHz-es hang körülbelül 12 dB-lel kisebb, mint a háttér zaj. A trombita hangja eléri a 80 kHz-et, a hegedű és az oboa közel 40 kHz-et, míg a cimbalom nem mutatja a hang energiájának összeomlását még 100 kHz-nél sem. A legtöbb hangszer esetében az energia százalékban kifejezve a 20 kHz feletti tartományban alacsony értéket mutat 0,5% és 1,7% közötti. Érdekes, hogy két hangszer, a klarinét és a vibrafon nem mutatott felhangokat az ultrahang-tartományban. A tanulmány egy részlete foglalkozik a hang nagyfrekvenciás komponenseinek falon keresztüli terjedésével is. Például: a zongora energiatartalma mindössze 0,02%, míg a kürt hangjának 2% hatol át a falon.

Mit lehet érzékelni ezekből a frekvenciákból és hogyan? Szervezetünk érzékeli és agyunk értelmezi a körülöttünk zajló folyamatokat, mindig keresi az anomáliákat, összehasonlítási műveleteket végez a már eddig tapasztaltakkal és riaszt ha veszélyt észlel. A zajok, fények és illatok értelmezése során az agy talál megnyugtató ingereket vagy figyelmet kiváltó dolgokat, amit nem ismer, és ezért figyelmeztet az esetleges veszélyre. Ez az agyi viselkedés egyik alapvető mechanizmusa fajunk megőrzésének. Ez önmagában is rávilágít az agy működésének két fő elemére, amelyek folyamatos és állandó tanulási fázisban, három dimenzióban a körülöttünk lévő térből, elsősorban az öt érzékünkből hármat (hallás, látás és szaglás) foglakoztat. Ezenkívül igyekszik tisztázni a helyzetet, igénybe véve a második azonosító elemet, azaz a térmélység érzékelését körülöttünk. A hallás útján, vagy inkább az auditív rendszer egészének köszönhetően az emberi fül és az agy képes arra, hogy hangokat hallva tájékozódjon teljes gömbi térérzékeléssel. Nagyon fontos, hogy képesek vagyunk irányítani a figyelmünket szemünk, körülbelül 55°-os átfogási területén belül. Annak érdekében, hogy ráirányítsuk figyelmünket egy irányra nincs szükség a hallási rendszerünk mozgatására, elfordulásra, ad jelzést a hang forrása, majd üzembe áll a hallási rendszer, az első, az öt érzékből. Kiválóan tudjuk érzékelni, hogy a hang forrása esetleg hátunk mögött jobbra szólal meg – éppen nem szükséges, de oda is tudunk fordulni nem tévedve!
Azt szükséges tudni, hogy mivel létünk függ a minket körül vevő térben zajló eseményektől, ezért az öt érzékszervünk közül a hallás soha nem megy aludni! A folyamatos tanulás és az elemzés életünk első napján indul és végül az utolsó percünkig tart.

A hang-inger jellegétől függően az agyunk másképpen reagál az emberi hangra vagy egy hangszer hangjára, de minden esetben tárolja a harmonikus spektrumot és az energiaszintet is. A felharmonikusok – az úgynevezett „bélyeg” – amelyek segítségével meg tudjuk különböztetni az ismerős hangokat, a hozzájuk kapcsolódó egyedi és összetéveszthetetlen hangszínt, nem csak akkor, amikor direkt módon szól hozzánk, de akár a telefonban is. A felharmonikusok megkülönböztetése annyira jól megy, hogy a telefonban felismerjük rokonaink, barátaink hangját, sőt hanghordozásuk alapján hangulatukat, érzelmi állapotukat is szelektálni tudjuk.

Mielőtt áttekintjük, hogy az agy hogyan érzékeli az ultrahangos frekvenciákat, előbb egy kis összefoglaló arról, hogyan működik az emberi fül.
A hangrezgések a hallójáraton keresztül jutnak a dobhártyánkra. A hangok nagy tömegben, esetlegesen zajokkal együtt nagy-mennyiségű frekvencia- és nyomáshullámként jutnak el fülünkbe. Minden egyes hanginger azonosítható nagy mennyiségű információt hordoz. A dobhártya által átvitt rezgések összetevői a nyomás hullámok és frekvenciák egybeolvadnak a belső fülben és elérik a Corti-féle szervet. A gyakorlatban a „csiga” egy kúpos csővezeték, amely mentén lévő szőrsejtek, amelyek mindegyike egy bizonyos frekvenciára rezonál 16.000 receptornak adja át a rezgéseket. A receptorok küldik az elektromos impulzusokat az agykéreg bizonyos területein elhelyezkedett sejteknek. Minden pillanatban ezer elektromos ingerlés jut agyunkba különböző frekvenciákon a hallható hangok határain túlról is.

De hogyan kapcsolódnak a hangforrásokról érkező információk az ismereteinkhez? Agyunkban dolgozik egy „mechanizmus” amely megfelelően tudja rekonstruálni ezt a hatalmas puzzle-t. Ez egy komplex munka, osztályozás és összehasonlítás, amelynek célja egy eredmény. Ha hiba lép fel a keresés folytatódik. Valójában agyunk „archívuma” képes az egyedi „bélyegek” alapján, egymással összekapcsolva kiegészíteni a puzzle-t. Ha az elemzés megérti mi zajlik sőt ez integrálható a többi érzékszerv munkájával, az korlátozza a „spekulációt”. Ez az, amit akkor történik, amikor nagy a környezeti zaj és megpróbáljuk megérteni a közben elhangzó beszédet. Szintén ez fordul elő a zenehallgatás első másodperceiben, az agyunk „rááll” az információ összehasonlítására és megszokjuk a berendezés hangját. Ezért kell rövid ideig (max. fél perc) tesztelni egy rövid zenei részlet segítségével, mert akkor még ott van az a kis idő amelyben nincs korrigálás.

Az Amerikai Fiziológiai Társaság 2000 júniusában publikált tanulmányának eredményei szerint a University of Kyoto tanulóinak egy csoportjával elvégzett ellenőrzése azt mutatta, hogy az emberi hallási rendszer képes érzékelni a frekvenciákat túl a 20 kHz-es határértéken. A tanulmány különösen érdekes, nagyon közel van a valósághoz, mivel nem speciális, laboratóriumi tisztaságú hangokat vagy jeleket használt, hanem zeneműveket. Választottak egy tipikus, több hangszert használó zenemű részletét és felvették több mikrofonnal. A digitális felvevő, jelátviteli lánc képességeit bizonyítja a B&K AD/DA átalakító 1 bites, 1,92 MHz-es mintavételezése, amely kiterjeszti a frekvencia tartományt akár 50 kHz-es határig, tehát képes kezelni ezt a magas hangtartományt. A kutatási alanyok a 16 és 43 év közötti korosztályból kerültek ki. Két különböző: EEG alfa hullámok (Alpha EEG) és pozitronemissziós (PET) elemzési rendszert vettek be. A kutatás célja az volt, hogy feltérképezzék, hallgatás alapján hogyan aktiválódik a megítélés az agykéregben. Az elemzési alapelv, hogy egy sejt, amely aktiválódik mikor bocsát ki elektromos jelet, valamint szüksége van-e nagyobb mennyiségű oxigénre a véráramban a stimulált területen, az agykéregben. A hangokat bekötött szemmel kellett hallgatni, kettős-vak teszt következett, három zenei részlet meghallgatásával. A zenei részleteket egy olyan audio-rendszer szolgáltatta, amelynek hangsugárzói fel voltak szerelve un. Supertweeter-el, amely képes lesugározni a 100 kHz-es frekvenciát is.

A tizenkettő agyterület elektron-enkefalogram grafikonjának elemzésekor, az összes vizsgálati alanynál ki mutatható volt, hogy a frekvencia 22kHz-nél nagyobb kiterjesztése a teljes körű érzékelésben ad nagyobb könnyedséget, részletgazdagságot és a környezet jobb érzékelését, mindez függetlenül a kortól, nemtől és a fizikai állapottól. (a fizikai állapot megkérdőjelezett – a szerk.) A vizsgálat rávilágít, hogy az agyunk egy bizonyos része (thalamus) felelős állapotunkért, az öröm és a nyugalom érzetért. Az agy jobb féltekéje irányítja a test bal oldalát, a bal pedig a test jobb oldalát. A két agyfélteke nem azonos módon működik. A bal agyfélteke felelős a beszélt és az írott nyelv, a logika, a számolási képességekért és az elvont, tudományos fogalmakért. A jobb félteke felelős a mintázatok és formák felismeréséért, az arcvonásokra való emlékezésért, a művészetek értékeléséért, a humorért, a zenéért, a táncért, a képzelőerőért és a téri képességekért.
A vizsgálat megállapította, hogy túl a 22 kHz-en a meglévő lévő frekvenciák mérhető hatással vannak az agykéregre, ezért a kutatók felállítottak két hipotézist. Az első – kevésbé valószínű –, hogy a 22 kHz feletti frekvenciák jelenléte a dobhártya percepciós képessége. A kutatók szerint valószínűbb, hogy a magasabb frekvenciák különböző helyeken érzékelhetők a hallójáratban. Ennek alátámasztására azt az érvet hozták fel, hogy létezik egy a genovai Biofizikai Intézet által közölt tanulmány 2011-ből, amely az ultrahangos hallókészülékekkel foglalkozik. Itt említik a hallócsont stimulációt. Érdekes még az a bejelentés, amely a következőképpen szól: „a tudósok szerint az amerikai haditengerészet víz alatt hallja a hangok szinte teljes spektrumát, akár 200 kHz frekvencián túl is.” Különösen érdekes a Naval Medical Research Lab Groton, Connecticut (USA) kutatóinak eredménye, megadták a koponya azon pontos területét, amit az ingerek fő forrásának tekintenek. Mindezek azt jelentik, hogy valamilyen módon az emberi szervezet képes hallani az ultrahang tartományt és ez hozzájárul a már régóta ismert kellemes érzéshez, amely nagyon magas frekvenciák jelenlétéhez kapcsolódik.

Az a felismerés, hogy a magas-frekvenciás hangsáv és az ultrahangos átvitel a hallócsonton keresztül válik lehetővé helytálló. Egyéb a külső térrel érintkező területek, mint a nagy felületű feji izmok vagy a zsírmentes zónák és az agy parietalis területei általában érintkeznek az orr és a fül nyakszirti fala melletti területtel, és ezek a felületek érzékelik a nyomáshullámokat rásegítve az érzékelésre. Az ultrahang frekvenciasáv 30-70 kHz között képes behatolni a szövetekbe, mélysége 10 és 15 mm-es. Ezt alkalmazza az ultrahangos kavitáció, az esztétikai bőr és szövet kezelés. A gyakorlatban a koponya, mint egy antenna, energiát fog fel és továbbítja azt közvetlenül a három (üllő, kalapács és a kengyel) szervhez a középfülben. Az a tény, hogy az energia eloszlik mindkét fülünkben, a hang különböző távolságot jár meg és minden információ a hang térbeliségét jeleníti meg, inkább az érzés kiegészítője.

Az audio-rendszerek képesek az ultra magas hangokat reprodukálni? Az előzőekben tárgyaltak fényében nyilvánvaló, hogy az audio-rendszernek képesnek kell lennie reprodukálni a frekvenciákat túl a 20 kHz-en. Ehhez le kell leküzdeni a hardver és szoftver akadályokat, amelyek súlyosan korlátozzák a minőségi reprodukciót.
Nem minden magas-sugárzó képes megjeleníteni (elektromos jelből rezgésekké átvinni) az ultrahang frekvenciákat. Sok függ az alapanyagoktól, amelyekből a membrán van kialakítva. A magas-sugárzók „legfinomabbjai” elérik a 40-50 kHz frekvenciákat, 40-50 kHz, általában a fém kupolájú membránok (alumínium vagy titán) megmutatják a 22-25kHz-es tartományt is. Nem véletlen, hogy már a 70-es években és a 80-as évek elején, az analóg fénykorában, a japán audiofil ipar használt egy sor magas-hangszórót (super-tweeter) annak érdekében, hogy növelje a hangsugárzók ez irányú képességeit. Akkoriban a technológiai kutatás, főleg az alapanyagok tekintetében még nem járt élen ebben a vonatkozásban. Csak a közelmúltban megjelent dóm magas hangszórók lettek felszerelve fáziskúppal vagy kompressziós tölcsérrel, esetleg akusztikus lencsével. Ma már léteznek speciális szalag (ribbon) hangszóró gyártmányok, ezek lényegesen jobb hatásfokkal és lesugárzási szöggel képesek a szuper magas hangok megjelenítésére. Egy másik tényező, amely korlátozza a magas frekvencia-választ, az elektroncsöves erősítés esetében alkalmazott kimenőtranszformátorok működése, amely különösen olcsó berendezések esetén már küzd azzal is, hogy lekezelje a normál audio-spektrumot. A tendencia megtalálható néhány digitális típusú erősítő esetében is azzal a sajátossággal, hogy a magas hangok tömegének nagysága függ a csatlakoztatott hangszóró rendszer átlagimpedanciájától.

Nagyon fontos, hogy meg legyen a nagy felbontású felvételekben a magas frekvenciás tartalom, kiváltképpen azokban, amelyeket átméretezés (up-sampling) után játszunk le. Ne feledjük, hogy ha maga a hang hiányzik az eredeti felvételből azt mesterségesen, valamilyen elektronika segítségével nem lehetséges helyreállítani, az örökre elveszett!

Hála a különböző kutatók által nyújtott ismeretanyagnak – Ők legalább megpróbáltak választ adni a kérdésekre. Elvégezték a szükséges kísérleteket és ellenőrzéseket, hogy jobban megértsük a nagy-felbontású zene lejátszás frekvencia-kiterjesztésének előnyeit. A meghallgatott változatok esetében a szuper magas hangok hibátlan közvetítése és jelenléte a hangszínpadnak több levegőt a játszott zenének könnyedséget adott, ezáltal a hallgatóság jobban összpontosíthatott a hangzásképre.

A fent említett kutatási eredmények és Roberto Pallocchia cikke nyomán – a szerk.

Forrás:[www.hangzasvilag.hu]