Ήχος και ηχητικά πρότυπα!

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.

Η βιολογική εξέλιξη

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.

Παραγωγή και μεταφορά του ήχου

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.

Τα ηχητικά πρότυπα

Τη σήμερον ημέρα 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.

Μονοφωνία - 1 κανάλι

Είναι η απλούστερη και παλαιότερη μορφή μετάδοσης του ήχου. Υπάρχει μόνο ένα κανάλι μεταφοράς του ηχητικού σήματος το οποίο περιέχει όλη την επιθυμητή πληροφορία. Για την μετάδοση απαιτούνται δύο αγωγοί για την μεταφορά του σήματος και την «επιστροφή» όπως ονομάζεται. Λόγω του ότι πέραν των ενισχυτών δεν απαιτείται επιπλέον εξοπλισμός για την αναπαραγωγή του σήματος, ακόμα και σήμερα χρησιμοποιείται από πολλές συσκευές όπως τηλεοράσεις και βίντεο.

Stereo - 2 Κανάλια

Ο στερεοφωνικός ήχος αποτελείται από δύο διαφορετικά κανάλια μεταφοράς του σήματος, το αριστερό και το δεξί. Τα κανάλια αυτά μεταφέρουν διαφορετική πληροφορία, δηλαδή για την δημιουργία στερεοφωνικού ήχου απαιτείται η ηχογράφηση από δύο διαφορετικά σημεία ηχογράφησης. Η εμφάνιση του stereo ήχου έγινε εξαιτίας της ανάγκης να αποδοθούν καλύτερα στον κινηματογράφο οι σκηνές όπου κάτι διαφορετικό ακουγόταν στο δεξί μέρος της οθόνης από ότι στο αριστερό. Η καινοτομία αυτή πέρασε σταδιακά από το σινεμά στα οικιακά συστήματα αναπαραγωγής ήχου και μάλιστα τους έδωσε και το όνομά τους, τα γνωστά μας στερεοφωνικά. Η προς τα πίσω συμβατότητα διατηρήθηκε αφού σε περίπτωση που χρειαζόταν να αναπαραχθεί μονοφωνικός ήχος, το ίδιο σήμα έπαιζε και από τα δύο κανάλια του stereo. Σήμερα η πλειοψηφία των μέσων που περιλαμβάνουν την χρήση ήχου, από CDs, κασέτες video, ηλεκτρονικά παιχνίδια, αλλά και ορισμένα κανάλια της τηλεόρασης χρησιμοποιούν τον στερεοφωνικό ήχο. Φυσικά το σήμα εξακολουθεί να μεταδίδεται αναλογικά.

Dolby Surround - 2 + 2 Κανάλια

To Dolby Sorround αποτελεί την εξέλιξη του στερεοφωνικού ήχου. Εδώ έχουν προστεθεί δύο επιπλέον κανάλια ήχου, έτσι ώστε συνολικά να γίνουν 4: αριστερό κανάλι, δεξί κανάλι, ένα κεντρικό κανάλι και ένα περιφερειακό. Από το κεντρικό κανάλι ακούγονται όλοι οι διάλογοι όπου μπορεί να υπάρχουν στο σήμα που θέλουμε να μεταδώσουμε. Η μεγάλη καινοτομία όμως ήταν το περιφερειακό κανάλι (surround) όπου στις υλοποιήσεις του αποτελείται από ένα ζευγάρι ηχείων τοποθετημένα στο πίσω και πλαϊνό τμήμα του χώρου όπου βρίσκεται ο ακροατής. Με αυτόν τον τρόπο η μουσική φαίνεται να περιβάλλει το... υποψήφιο θύμα και δημιουργεί τελείως διαφορετική αίσθηση ακουστικότητας.

<nerd mode on>Υπάρχει βέβαια το θέμα του πώς μεταφέρονται τα δύο επιπλέον κανάλια του ήχου. Υπάρχουν 4 διαφορετικά "σύρματα" τα οποία μεταφέρουν την πληροφορία; Η απάντηση είναι πως όχι, και εδώ είναι το θετικό γεγονός με το Dolby Surround. Τα δύο επιπλέον κανάλια κωδικοποιούνται και μεταφέρονται μέσα στα δύο ήδη υπάρχοντα κανάλια του stereo. Συγκεκριμένα, τα δύο έξτρα κανάλια ήχου, το κεντρικό και το surround, προστίθενται και εγγράφονται στο ένα κανάλι του stereo με διαφορά φάσης -90^ο από τη μια, και ταυτόχρονα αφαιρούνται μεταξύ τους και εγγράφονται με διαφορά φάσης +90^ο στο άλλο κανάλι του stereo. Έτσι με την ήδη υπάρχουσα υλικοτεχνική υποδομή, με δύο φυσικά κανάλια μπορούν να μεταδωθούν και να μεταφερθούν 4 κανάλια ήχου.<nerd mode off>

Τώρα φτάνουμε στο κρίσιμο σημελιο της αποκωδικοποίησης. Αφού τα δύο επιπλέον κανάλια κωδικοποιούνται στα δύο ήδη υπάρχοντα, διατηρείται η συμβατότητα προς τα πίσω με τις συσκευές που μπορούν να διαβάζουν stereo σήμα. Έτσι,ένα συνήθες στερεοφωνικό συγκρότημα που δεν έχει την ικανότητα να διαβάσει τα επιπλέον κανάλια απλά θα "δει" τα δύο κανάλια του stereo και θα τα αναπαράγει εντελώς φυσιολογικά. Η πληροφορία για το κεντρικό και το περιφερειακό κανάλι υπάρχει μεν κωδικοποιημένη, αλλά δεν επηρεάζει την ομαλή ανάγνωση των δύο στερεοφωνικών καναλιών. Με αυτόν τον τρόπο, όλες οι συσκευές μπορούν να συνεχίσουν να αναπαράγουν στερεοφωνικό ήχο σαν να μην είχε αλλάξει τίποτα.

Για την αναπαραγωγή τώρα και των δύο επιπλέον καναλιών, απαιτείται ένας ειδικός αποκωδικοποιητής ο οποίος είναι σε θέση να διαβάζει την κωδικοποιημένη πληροφορία. Οι συσκευές αυτές ονομάζονται αποκωδικοποιητές Dolby ProLogic και παίρνουν ώς είσοδο το κλασικό στερεοφωνικό καλώδια των 2 (+2 "κρυμμένων") αναλογικών καναλιών ήχου και ως έξοδο έχουν 4 διαφορετικά ηχητικά σήματα. Ένα σήμα πηγαίνει στο αριστερό ηχείο, ένα άλλο στο δεξί ηχείο, το τρίτο σήμα στο κεντρικό ηχείο και το τέταρτο σήμα στα δύο περιφερειακά ηχεία.

Σήμερα το surround μόλις και έχει αρχίσει να διαδίδεται. Ήχο κωδικοποιημένο σε Dolby Surround περιέχουν σήμερα ορισμένα CD και όλες οι πρόσφατες κασέτες video. Είναι προφανές ότι η μεγαλύτερη εφαρμογή του πολυκάναλου ήχου βρίσκεται στον ιδιωτικό κινηματογράφο και όχι τόσο στην απλή αναπαραγωγή ήχου.

Dolby Digital 5.1

Η ολοκλήρωση του Home Cinema έρχεται με το Dolby Digital, το οποίο χρησιμοποιείται ευρέως σήμερα τόσο στον κινηματογράφο όσο και στον ιδιωτικό κινηματογράφο. Σε σχέση με το Dolby Surround, υπάρχουν 2 ουσιώδεις διαφορές. Η πρώτη, έχουν προστεθεί δύο επιπλέον κανάλια ήχου. Το surround κανάλι έχει διαχωριστεί σε αριστερό surround και δεξί surround, ενώ επιπλέον υπάρχει ένα ξεχωριστό κανάλι (είναι το "1" στο 5.1) για τις χαμηλές συχνότητες, προς την αναπαραγωγή για παράδειγμα εκρήξεων και μπάσσων όπου αυτά χρειάζονται. Κατά δεύτερο λόγο όμως, και αυτό είναι το σημαντικότερο, όλα τα κανάλια είναι ψηφιακά. Αυτό συνεπάγεται απαράμιλλη ποιότητα ήχου και κρυστάλλινη απόδοση των εφφέ. Όλες οι ταινίες που βγαίνουν σε DVD έχουν κωδικοποιημένο ήχο σε Dolby Digital. Φυσικά το πρότυπο αυτό διαφοροποιείται σημαντικά τόσο από το Dolby Surround όσο και από το stereo, αφού δεν υπάρχει τίποτε αναλογικό πια. Για την αναπαραγωγή ήχου Dolby Digital απαιτείται ένας αποκωδικοποιητής Dolby Digital (ή AC-3) ο οποίος έχει σαν είσοδο ένα και μόνο καλώδιο με τα κωδικοποιημένα ψηφιακά 5+1 κανάλια (πχ την έξοδο ενός DVD Player) και ως έξοδο έχει 6 διαφορετικά ηχητικά σήματα: αριστερό, δεξί, κεντρικό, αριστερό surround, δεξί surround, + το subwoofer για τις χαμηλές συχνότητες. Για όσους έχουν έστω και λίγο ακούσει ήχο σε Dolby Digital, ξέρουν πολύ καλά ότι πρόκειται για εμπειρία μοναδική!

Και λίγα λόγια για το THX

Όταν ο George Lucas ολοκλήρωσε την πρώτη τριλογία του "Star Wars", ασχολήθηκε με την αναπαραγωγή του ήχου στον κινηματογράφο, ώστε διατύπωσε μία σειρά αυστηρών κριτηρίων που πρέπει να πληρεί μια κινηματογραφική αίθουσα ώστε να λάβει την πιστοποίηση THX (Tomlison Holman eXperiment) = υπέρτατη κινηματογραφική απόλαυση! Τα κριτήρια αυτά αφορούν τόσο την υποδομή για την αναπαραγωγή του ήχου όσο την ίδια την κατασκευή της αίθουσας. Έτσι, αν πάτε σε μία από τις 6 THX αίθουσες που υπάρχουν αυτή τη στιγμή στην Ελλάδα (2 στο Village Center στο Μαρούσι και 4 στο Village Park) θα παρατηρήσετε ίσως τη διαφορά στην κατασκευή: οι πλαϊνοί τοίχοι δεν καλύπτονται από τις κλασικές κουρτίνες αλλά από ειδικά μαξιλαράκια και στο ταβάνι υπάρχει μια ειδική κυψελωτή οροφή.

Κάλλος Ευθύμιος / timaras

timaras@mail.ntua.gr