Prisluhi človeškega mikrofona
Na valovih Radia Študent do dveh zdravih, dobro delujočih in približno simetričnih sprejemnikov na vaši glavi potuje sveža oddaja Znanstvene medredakcije. V tokratni oddaji se bomo ukvarjali s sluhom. Če ste nazadnje poslušali o tem, kako oddajamo zvok, boste danes izvedeli, kako zvok zaznavamo in zakaj so določeni zvoki za nekatere nadležni; govorili bomo o skrivnostnih glasovih v glavi ter o tem, kako delujejo slušni aparati in električna kitara; za tiste malo bolj spretne pa bomo razložili, kako si lahko sami izdelate preprost home-made gramofon.
Sluh je eno izmed čutil, na katere se zanašamo pri dojemanju sveta okoli nas. Organ, ki to omogoča, je uho, toda ob sami omembi besede najprej pomislimo samo na njegov zunanji, vidni del – uhelj. V resnici pa uho obsega še veliko zapletenih struktur v notranjosti lobanje, kjer se skriva tako organ za sluh, kot tudi organ za ravnotežje.
Uhelj ima vlogo sprejemnika, ki zbira zvočne valove. Ti nato potujejo skozi sluhovod in zatresejo prožno membrano imenovano bobnič. Valovanje se nadalje in po vzoru čevljarske obrti prenese preko kladivca, nakovalca in stremenca - kakor imenujemo tri koščice v srednjem ušesu - do ovalnega okenca. Preko tega se zvočne vibracije prenesejo v labirintni sistem notranjega ušesa, ki ga sestavljajo polkrožni kanali, ventrikli in polž.
Trije polkrožni kanali in ventrikli so del vestibularnega organa, ki skrbi za ravnotežje, medtem ko se v polžu nahaja takoimenovan Cortijev organ, ki zaznava sluh. Cortijev organ je ime dobil po italijanskem zdravniku, ki ga je prvič opisal sredi 19. stoletja; leta 1961 pa so za preučevanje zapletene strukture polža Madžaru von Békésyju podelili Nobelovo nagrado za medicino.
Polž ali kohlea, ki ga obdajajo epitelne celice z izjemno občutljivimi dlačicami in ki predstavljajo prej omenjeni Cortijev organ, je napolnjen s tekočino. Zaradi prispelih zvočnih vibracij, ki se prenašajo po tekočini, pride do premika dlačic, ki delujejo kot mehanoreceptorji. Ko dlačice zaznajo mehansko silo, se odprejo ionski kanalčki in v celice iz tekočine, ki jih obdaja, vstopijo kalijevi in kalcijevi ioni. Pride do porasta akcijskega potenciala oziroma depolarizacije, ter do živčnega prenosa signala po osmem možganskem živcu, ki oživčuje notranje uho. Šele nato signal prispe do temporalnega režnja možganov, kjer se nahajajo regije odgovorne za sluh.
Toda značilnosti prispelega zvoka se spreminjajo že pred samim prihodom v možgane, in sicer že v srednjem ušesu s pomočjo dveh majhnih mišic, ki uravnavata jakost zvoka. Nadalje pa tudi v samem polžu, kjer se s pomočjo proteina po imenu prestin, ki spreminja obliko, amplituda zvočnih valov po potrebi poveča ali zmanjša.
V notranjem ušesu sicer ležita tudi dva centra za ravnotežje. Center za statično ravnotežje predstavljata dva ventrikla, ki ju obdajajo posebne celice s čutnimi dlačicami, te pa prekriva želatinasta plast, v kateri se nahajajo majhni apnenčasti kamenčki, otoliti. Dinamično ravnotežje, s katerim zaznavamo pospeševanje in inercijo telesa, omogočajo s tekočino napolnjeni trije polkrožni kanali.
Uho, kot ga poznamo danes, se je razvilo relativno pozno. S preučevanjem fosilov so ugotovili, da so imeli dinozavri le eno koščico v srednjem ušesu, ostali dve pa sta imeli vlogo pri spajanju čeljusti.
To lahko še danes opazujemo pri potomcih velikih plazilcev - kuščarjih, pticah in dvoživkah. Tri slušne koščice v srednjem ušesu so se pojavile šele pri prvih sesalcih, v obdobju jure - pred približno 200 miljoni let. Začetniki evolucijske veje sesalcev so bili namreč najverjetneje toplokrvne živali, ki so se ponoči hranile z insekti, zato je k njihovemu obstoju zagotovo pripomogel dober sluh, ki je omogočal zaznavanje visokofrekvenčnih zvokov.
Določene vrste sesalcev slišijo tako dobro, da prekašajo marsikatero elektronsko napravo. Tako so velika slonja ušesa sposobna zaznavanja zelo nizkih frekvenc zvoka, receptorje za vibracije pa imajo sloni celo na svojih težkih stopalih.
Delfini in netopirji z oddajanjem ultrazvočnih valov uporabljajo sistem eholokacije, mnoge živali pa za boljše zaznavanje zvoka uporabljajo mišice za premikanje uhlja. Te so pri večini ljudi, z izjemo srečnih posameznikov, izgubile prvotno funkcijo.
Kljub izjemnemu razvoju slušnega organa, pa ima uho tudi pomanjkljivosti, ki jih kaj hitro zaznamo že pri preprostih aktivnostih, kot je potapljanje ali potovanje z letalom. Bolečina v ušesih, ki jo mnogi čutijo pri pristajanju letala, s hitrim naraščanjem zračnega pritiska, je posledica neizenačenega pritiska v srednjem ušesu. Navadno pomaga, če na poti navzdol zehamo, žvečimo, požiramo ali z zaprtimi usti pihnemo skozi zaprti nosnici, s čimer se odpre Eustahijeva cev, ki povezuje srednje uho in grlo. Tako se pritisk v srednjem ušesu izenači z zunanjim pritiskom. Če niti to ni dovolj, lahko poskusimo z ušesnimi čepki, lahko pa posežemo tudi po antihistaminiku ali dekongestivu v obliki nosnega spreja. Več težav lahko pričakujemo, če smo prehlajeni, če spadamo med posameznike z ožjo Eustahijevo cevjo ali če pristajanje prespimo.
Neugodje pa lahko izvira tudi iz možganov. Sodite med tiste, ki ne prenašajo srkanja, žvečenja, smrčanja, zvoka krede na tabli? Ste se kdaj vprašali, zakaj vam določeni zvoki tako povišajo nivo adrenalina, da dobite kurjo polt? S specifičnim zvokom povzročene neprijetne občutke tesnobe, jeze in celo panike imenujemo mizofonija. Gre za dokaj pogost pojav, ki se pojavi že v otroški dobi, večja pogostost pa je pri osebah ženskega spola.
Po drugi strani določeni zvoki, kot so šepet, šumenje morja ali prava pesem v pravem trenutku, povzročijo nadvse prijetne občutke blaženosti in mravljinčenje po telesu. V tem primeru govorimo o sinesteziji, ko stimulacija določene senzorične poti avtomatsko povzroči občutja, nad katerimi nimamo nadzora. Nekateri pojav imenujejo »možganski orgazem«. To doživetje pa ni rezervirano samo za človeško vrsto. Tako je poznano, da se mačke sproščajo in pomirjajo s predenjem.
Razlaga teh nenavadnih občutij leži v naših možganih, natančneje v limbičnem sistemu. Limbični sistem obsega pomembne strukture, kot so hipotalamus, hipokampus, amigdala ali center za strah, ki v nevarni situaciji sproži naval adrenalina, ter nucleus accumbens, s katerim povezujemo z dopaminom pogojen občutek ugodja in odvisnosti. Vsi igrajo zelo pomembno vlogo pri procesiranju čustev, motivaciji, obnašanju in dolgoročnem spominu. Omenjena prijetna in neprijetna občutja, ki jih sproži določen zvok, pa so posledica patoloških sprememb povezav med auditornim korteksom - delom možganske skorje, ki procesira informacijo o prispelem zvočnem signalu, ter različnimi limbičnimi strukturami.
Slušni organ doseže polno razvitost do 18./osemnajstega/ tedna nosečnosti. Okvara sluha je lahko genetsko pogojena ali posledica poškodbe srednjega ali notranjega ušesa. Slušna funkcija je lahko motena zaradi razrasta tumorja, kot je akustični neurom, ali zaradi avtoimunske bolezni, ko telo napada lastne celice z dlačicami v polžu.
Na našem radiu se »Otitis media« zgodi vsak prvi ponedeljek v mesecu. Sicer pa latinski izraz predstavlja pogosto diagnozo vnetja oziroma otitisa srednjega ušesa, kar povzročajo nabiranje tekočine v ušesu, virusi in bakterije.
Tinitus ali zvonjenje v ušesih je posledica disfunkcionalnosti slušnih koščic ali mišic v srednjem ušesu, ali pa se pojavi zaradi okvare celic z dlačicami v polžu. Do okvare pride najpogosteje zaradi hrupa. Včasih je v pomoč maskiranje nadležnega zvoka z drugim zvokom, ki prvega preglasi in zato ta sčasoma izgine.
Najhujša motnja sluha je gluhost, ki je lahko prirojena ali pridobljena. Konduktivna gluhost je vezana na zunanje oziroma srednje uho, medtem ko je senzori-nevralna gluhost posledica okvare celic z dlačicami v notranjem ušesu, osmega možganskega živca ali centra v možganih. Gluhi se sporazumevajo z znakovnim jezikom, ki so ga prvič opisali v 18. stoletju, v Sloveniji pa je bil uzakonjen šele leta 2002. V določenih primerih pomaga uporaba slušnega aparata ali slušnega vsadka, ki prevzame funkcijo poškodovanega polža v notranjem ušesu.
Eden najbolj slavnih pacientov z motnjo sluha je bil zagotovo Ludwig van Beethoven. Kljub temu, da je tekom življenja oglušel, ni prenehal ustvarjati, čeprav svojih simfonij nikoli več ni mogel slišati. Če bi v Beethovnovih časih poznali slušni aparat, bi se glasbena zgodovina morda drugače pisala.
V oddaji smo predhodno že večkrat omenili ušesne vsadke. Sedaj si bomo vzeli čas in nekoliko temeljiteje pogledali o čem pri tej tehnologiji v resnici gre. Najverjetneje bi lahko rekli, da gre za enega izmed boljših primerov interdisciplinarne združitve spoznanj na področju človeške biologije in inženirstva. Ušesn ali kohlearni vsadki, velikokrat poimenovani tudi bionična ušesa, predstavljajo tehnologijo, ki že nekaj desetletij olajšuje življenja ljudem, ki so gluhi, ali imajo sluh zgolj okvarjen. Osebe s takšnimi težavami si lahko ob zadostni količini denarja in ob ustrezanju pogojem omislijo vsadke, ki jim ponovno omogočijo delovanje sluha kot čutila. Vsaj do določene mere.
Omenjena tehnologija je mnogo starejša, kot si bi mogoče mislili na prvi pogled. V osemdesetih letih prejšnjega stoletja so namreč nadgradili raziskovanje predhodnih desetletij z večjim številom človeških operacij. V teh posegih so otrokom vsajali slušne vsadke, ki so se v veliko primerih v večji ali manjši meri izkazali za uspešne. Ob tem se seveda pojavi vprašanje, kako to sploh deluje? Odgovor je razmeroma preprost, če si zamislimo naslednji primer. Ko dražljaj iz okolice potuje do naše glave, ga bo zaznal eden ali več mikrofonov, ki predstavljajo poglaviten del slušne proteze. Mikrofon zvok sprejema iz okolice in ga prenese v govorni procesor. Naloga slednjega je, da selektivno filtrira zvoke, ki jih je zaznal mikrofon in kot prioritetnega privzame tistega, ki je podoben razločljivem govoru.
Nadalje se signal v električni obliki pošlje preko tankih kablov v oddajnik. To je tuljava nameščena izza zunanjega dela ušesa, ki skozi kožo prenaša procesirane električne signale. Le-te morajo priti v notranji del slušnega vsadka, ki je presenetljivo poimenovan prejemnik. Poleg prejemnika je zraven še spodbujevalec, ki spreminja signale v električne impulze in jih pošilja v elektrode. V končnem delu te dolge poti so omenjene elektrode neposredno povezane s polžem ali kohleo. Od tam se impulzi preko notranjih struktur polža pošiljajo v slušni živec in nadaljujejo svojo pot v preostale dele možganov.
Kot vidimo je razmeroma preprosta ideja pripeljala do izjemnega dosežka. Zdravstvene organizacije ocenjujejo, da ima 324.000 ljudi zaradi tega danes omogočeno boljšo kvaliteto življenja. Do sedaj smo sluh izpostavljali predvsem kot zdrav organ, pri čemer smo omenili nekaj pogostejših patoloških stanj, do katerih lahko pride. Kljub temu se nismo dotaknili mogoče najzanimivejšega pojava. Nekateri ljudi slišijo tudi takrat, ko v resnici niso prejeli nobenega dražljaja iz okolice. Fenomen je dobro znan, čeprav v filmih mogoče slabo predstavljen, pod imenom halucinacije. Kaj točno so halucinacije in kakšne so njihove značilnosti nam je povedal psihiater dr. Jurij Bon:
V nadaljevanju nam dr. Bon razjasni, da halucinacije delimo tudi glede na to, kako človek do njih ohranja kritičnost. Če ohranja popolno kritičnost, potem dejansko ne moremo govoriti o halucinacijah, ampak jih opredelimo kot psevdohalucinacije. Le-te se lahko pojavijo, ko je nekdo v hudi ali resni čustveni stiski, ki se, na primer, pojavi ob smrti bližnje osebe. Dr. Bon dodatno pojasni, kako se psevdohalucinacije izrazijo pri posameznikih, ki se znajdejo v takšni situaciji, ter kako sami odreagirajo nanje.
Velja izpostaviti, da takšni glasovi niso edina vrsta slušnih halucinacij in kot taki predstavljajo zgolj ozek spekter vsega, kar ljudje slišijo. Pogosto se lahko zgodi, da slišijo tudi veliko bolj enostavne zvoke, ki so manj kompleksni in pogostejši v vsakodnevnem življenju.
Kot vidimo so tudi slušne halucinacije bolj raznolike, kot se nam rado predstavlja v filmih, ki pokrivajo to tematiko. Psihiater nam je razjasni, kako jih dojemajo ljudje z diagnozo shizofrenije.
Takšne misli potem lahko dobijo tudi druge lastnosti, saj se zna zgoditi, da pri njih ne gre več za notranji govor, kot jih radi laično pojmujemo. Te misli pri pacientih postajajo vse glasnejše in pri nekaterih lahko dobijo značilnosti dražljajev, ki jih zaznavamo s čuti. Določena misel lahko na primer postane glasna, istočasno pa pacient dobi občutek, da ni njegova lastna. Zgodi se tudi, da ima občutek, da je takšna misel uprostorjena, kar pomeni, da ni v njegovem osnovnem miselnem toku, a jo kljub temu zaznava, kot da je nekje znotraj njegove glave. Kot bomo videli, lahko pri takšnih bolnikih slušne halucinacije postanejo še izrazitejše.
Iz laičnega poznavanja psihiatrije dobro vemo, da obstajajo vidne halucinacije, kjer ljudje poročajo o najrazličnejših videnjih; od povsem preprostih geometričnih oblik, vse do kompleksnih scenskih predstavljanj. A slišali smo, da podobno velja tudi za slušne haluciancije, saj se le-te lahko izrazijo tudi pri ljudeh brez diagnoze shizofrenije. Primer, kjer lahko pride do slušnih halucinacij je tudi Charles-Bonnetov sindrom:
Takšni ljudje lahko slišijo na primer glasbo ali govor drugih ljudi in podobne zvočne efekte. Na tem področju tako poznamo ogromno fenomenov, bolezni in teoretičnih konceptov, kar mogoče daje občutek, da gre pri takšnih stvareh za diskretna stanja ali kategorije, ki jih lahko enostavno razločimo. V resnici gre pogosto za kontinuume od najmanjše do najvišje izraženosti nekega vedenja. Meje, na katere se razvršča posameznike, so zato včasih lahko zamegljene. In ravno razvrščanje lahko povzroča dileme, s katerimi se morajo psihiatri spopadati pri diagnosticiranju.
V prejšnji oddaji smo spoznali, da je zvok mehansko valovanje, ki ga naša ušesa zaznajo in pretvorijo v električne impulze, ki potujejo do možganov. V želji, da bi zvok zapisali na trajni medij smo ljudje izumili veliko pripomočkov. Želja po trajnem zapisu zvoka sega namreč daleč v zgodovino. Prvi znani zapisi segajo 2000 let pred našim štetjem, ko so Sumerci izumili preprosta navodila za izvajanje glasbe v obliki raznih znakov nad besedilom pesmi. Tak zapis zvoka se je skozi zgodovino razvil v notni zapis, ki je v uporabi še danes.
Vendar z notnim zapisom ne moremo predstavitvi vseh možnih zvokov, ki jih človeško uho lahko zazna, prav tako pa za reprodukcijo potrebujemo glasbenika, ki notni zapis razume in reproducira zapis, ki ga je avtor predstavil z zapleteno kombinacijo znakov. Da bi se izognili tem pomanjkljivostim zapisa zvoka, je bilo potrebno izumiti napravo, ki je mehansko nihanje zraka, ki predstavlja zvok, prenesla na trajni nosilec, na katerem je zvok zapisan v vseh podrobnostih, ki jih sliši naše uho.
Prve naprave za zapisovanje zvoka so bili znanstveni instrumenti, ki so zapis in vizualno predstavitev preprostih zvokov oziroma tonov. Iz teh naprav so se razvili fonoautografi, ki so bile prve naprave, s katerimi je bilo možno snemati zvok v vsej svoji veličini. Za očeta te naprave velja Édouard-Léon Scott de Martinville, ki je leta 1857 pritrdil iglo na tanko membrano, postavljeno na koncu votlega lijaka. Membrana je nihala pod vplivom sprememb tlaka zaradi zvočnega valovanja in premikala iglo, ta pa je posnetek zvoka zapisovala na vrteči se cilinder.
Podobne naprave je v sledečih letih poizkusilo napraviti več različnih znanstvenikov. Med njimi izstopa poizkus Alexandra Grahama Bella. Ta je v želji, da bi spoznal delovanje človeškega sluha iz kadavra izrezal uho, vključno z notranjo slušno potjo. Nato je na bobnič namestil iglo, katera je kot pri Scottovem fonoautografu zapisovala posnetek zvočnega valovanja. Tako je človeško uho dobesedno postalo naprava za trajni zapis zvoka.
Vse te zgodnje naprave za zapisovanje zvoka pa so imele eno ključno pomanjkljivost. Vizualnega zapisa zvoka na nosilcih ni bilo moč predvajati nazaj. To se je spremenilo leta 1877, ko je Thomas Edison demonstriral prvi fonograf, z možnostjo reproduciranja posnetka. Njegova naprava je z iglo nameščeno na membrano vrezovala zvočni posnetek v cilinder prevlečen z voskom. Pri predvajanju zvoka zapisanega na cilindru je igla sledila vrezani poti in premikala membrano na kateri je bila nameščena. Membrana je povzročila gibanje zraka in s tem ustvarjala zvok, ki je bil zapisan na cilindru. Glavna težava Edisonovega fonografa pa je bila v kopiranju cilindrov za masovno proizvodnjo.
To je odpravil izum gramofona leta 1887. Njegov izumitelj Emile Berliner je posnetek zvoka vrezal na ravno gramofonsko ploščo. Ko je bil posnetek zvoka vrezan v ploščo so iz nje naredili kalup, ki je predstavljal negativ posnetka zvoka. Ta kalup so napolnili s smolo, počakali da se strdi in kopija originalnega zapisa je bila narejena. Tak način reprodukcije zvoka je bil v uporabi vse do sredine dvajsetih let dvajsetega stoletja, ko so vse večje založbe začele snemati s pomočjo mikrofonov. Princip snemanja je bil v osnovi še vedno enak. Zvok so zajeli z mikrofonom, ki je mehansko valovanje zraka pretvoril v električni tok, ta pa je po ojačanju poganjal iglo, ki je vrezovala posnetek zvoka v gramofonsko ploščo.
Princip tresenja in sledenja igle po vrezanih progah gramofonske plošče lahko s hitrim eksperimentom opazujete tudi doma. V prazen jogurtov lonček zapičite iglo, ki z ostrim delom gleda ven in jo pridržite ali obesite na vinilno ploščo. Igla bo sledila vtorom na plošči in z vibracije prenesla na dno jogurtovega lončka, ki bo služil kot membrana. Na ta način proizvedeni zvok, smo za vas na plošči Rolling stones-ov poustvarili tudi mi:
Če boste to poizkusili doma, pazite, da vzamete neljubo ploščo, saj jo boste zaradi neprimerne trdote igle najverjetneje uničili.
Uporaba pretvorbe zvoka v električni signal, ki jo omogoča mikrofon je prinesla pravo revolucijo v trajnem zapisovanju zvoka. Že v prejšnji oddaji smo poslušali, kako v zvočnikih električni signali preko navitja žice povzročijo magnetno polje, ki glede na prejeti signal povzroči premik membrane in gibanje zraka. Dvojnost narave je poskrbela, da na podoben, obraten način deluje tudi vrsta mikrofonov, ki jih imenujemo dinamični mikrofoni. Če bi namreč zvočnik priklopili na ojačevalec za mikrofon in vanj glasno vpili, da bi se membrana dovolj premikala, bi lahko svoj glas posneli po istem principu.
Dinamične mikrofone sestavlja majhna plastična membrana, vpeta v glavi mikrofona. Na membrano je pričvrščeno navitje tanke žice, v njeni bližini pa trajni magnet. Prejeti zvok povzroča vibracije in odmike membrane, zaradi česar se premika tudi navitje. S premikanjem bližje in stran od trajnega magneta se spreminja magnetno polje, ki v navitju inducira električni tok in proizvede električni signal. Nekateri dinamični mikrofoni so sestavljeni iz več membran, namenjenih različnim frekvencam zvoka in nato signale združijo, kar pa zaradi težavnosti ni zelo pogosto.
Poleg predstavljenih dinamičnih mikrofonov poznamo še več vrst mikrofonov, ki služijo različnim namenom. Vse se je začelo sredi osemdesetih let devetnajstega stoletja, ko je David Edward Hughes demonstriral delovanje tovrstne naprave, ki je kasneje omogočala začetke telefonije. Njegova konstrukcija prvega mikrofona je vključevala membrano, ki je tiščala na skupek ogljikovih zrn. Premik membranje je povzročil razmik ali stisk ogljikovih zrnc, kar je pomenilo propocionalno spremembo električne upornosti zrn. Z dovajanjem toka skozi zrnca, se je spreminjala napetost in tako oblikovala električni signal.
Če ste gledali dovolj starih filmov, ste morda opazili, da v nekaterih prizorih pri telefonskih pogovorih s slušalko tolčejo mizi. Vzrok za to ni tičal v jezi nad slabim signalom, temveč je izviral iz mehanske narave mikrofonov v telefonih. Premiki membrane so včasih povzročili sprijetje zrnc in zvok je postal nerazločen. Tolčenje slušalke je ta zrnca razrahljalo in razmaknilo, signal pa je ponovno postal razumljiv.
Kaj takega pa zaradi delikatnosti konstrukcije nikakor ne smete storiti z naslednjo vrsto mikrofonov, ki jih imenujemo kondenzatorski mikrofoni /tok tok po mikrofonu/. Podobno kot pri vseh mikrofonih, tudi pri kondenzatorskih mikrofonih fizični odmik membrane posredno povroči električni signal. Tu za razliko od navitij in trajnih magnetov ter upornosti ogljikovih zrnc uporabljamo lastnost hranjenja naboja kondenzatorja.
Kondenzator poleg upora in tuljave predstavlja temeljni električni element. Sestavljata ga dve vzporedni kovinski plošči, ki sta med seboj enakomerno razmaknjeni. Površina ploščic, njun razmik in tip neprevodne snovi med njima določjo sposobnost hranjenja naboja, ki jo imenujemo kapacitivnost. Ko na takšni plošči priključimo napetost, se med ploščama pojavi elektično polje in na njima se začne kopičiti naboj. Če je priključena napetost enosmerna, se pravi se s časom ne spreminja, se na kondenzatorju ne zgodi nič. Če pa ploščici priključimo na spreminjajočo napetost, se med njima spreminja električno polje in kopičenje naboja.
V kondenzatorskih mikrofonih imamo torej dve razmaknjeni ploščici s priključeno enosmerno napetostjo. Eno od teh ploščic predstavlja plastična pozlačena membrana, ki se pod vplivom zvočnega valovanja premika. Sprememba razdalje med ploščicama povzroči spremembo kapacitivnosti in s tem električnega polja in napetosti. Časovni potek napetosti pa, kot vemo, oblikuje električne signale.
Mikrofoni se torej razlikujejo v načinih pretvarjanja vibracij zraka, zaradi oblike zasnove pa imajo tudi različna območja, od koder bolje pobirajo zvok. Usmerjenost mikrofonov je zelo pomembna in je odvisna od geometrije namestitve membran in konstrukcije ohišja. Če bi med poslušanjem te oddaje slišali, kako se radijska špikerja brcata pod mizo, bi bilo najbrž še kar moteče.
Mrežica, ki jo pogosto vidimo na mikrofonih ne služi le za zaščito, ampak skriva tudi peno, ki jo imenujemo "pop" filter. "Pop" se ne imenuje zaradi zvrsti glasbe, temveč ker ustavlja močnejše zvočno valovanje, ki se pojavi pri človeški izgovarjavi črke "P". Pri tem zrak močneje izdihnemo, kar povzroči velik premik membrane in večji signal, kar pa je moteče in nezaželjeno.
Mikrofonskih razvijalcev in proizvajalcev je bilo po svetu ogromno, a med njimi velja izpostaviti slovenskega konstruktorja Marka Turka, ki je s svojo natančnostjo in smislom za akustiko in oblikovanje navduševal svet. Njegovi mikrofoni so razstavljeni tudi v MoMa muzeju moderne umetnosti v New Yorku. Če vas o tem zanima kaj več, vam priporočamo, da si do 7. junija v Ljubljanskem muzeju za arhitekturo in oblikovanje ogledate vodeno razstavo o njegovem delu.
Kot smo spoznali je mikrofon univerzalna naprava za pretvorbo zvoka v električni signal, vendar ni edini način kako pretvoriti mehansko valovanje v električni zvočni posnetek. Pri električnih kitarah in drugih električnimi inštrumentih s strunami za pretvorbo poskrbi tako imenovani »pickup«.
Najpogostejši princip za pretvorbo gibanja strune v električni tok je sedaj že dobro poznana elektromagnetna indukcija. Magnetni »pickup« je v osnovi permanentni magnet nameščen pod struno kitare, ki ima okoli sebe navito žico. Ko struna vibrira v magnetnem polju, povzroči spremembo le-tega. Sprememba magnetnega polja povzroči, da se po Faradayevem zakonu v žici pojavi tok, ki je po obliki enak spremembi magnetnega polja. Ker je sprememba magnetnega polja neposredno povezana z nihanjem strune, oblika električnega signala, ki se pojavi na izhodu »pickupa«, predstavlja zvok, ki ga povzroča nihajoča struna.
Število magnetov, njihova oblika in način navitja žice okoli njih, ter sama postavitev »pickupa« na kitari nam omogočajo veliko število različni zvokov, ki jih glasbeniki lahko izkoriščajo sebi v prid. Tako eni prisegajo na single-coil pickuape, drugi na humbuckerje, nekateri pa se odločijo za popolnoma druge tehnologije, ki prav tako omogočajo pretvorbo mehanskega gibanja v električni signal.
Ena od njih je uporaba takoimenopvanega piezo-električnega kristala. Ta pod vplivom mehanske deformacije tvori električno napetost, kar je zelo lepo vidno pri vžigalnikih z električnim vžigom. Ko s prstom stisnemo piezoelektrični kristal nameščen v vžigalniku, mehanska deformacija povzroči pojav dovolj velike napetosti za preskok iskre. Na enak princip pijecoelektrični pickup, ki je prilepljen na telo inštrumenta, pretvori vibracije zaradi nihanja strun v električno napetost. Ustvarjena napetost verodostojno predstavlja nihanje telesa inštrumenta, ki je povezan z zvokom, ki ga le ta oddaja.
Ker piecoelektrični pickup ne pretvarja neposredno gibanja strune, temveč gibanje telesa inštrumenta, se ga največkrat uporablja pri pretvorbi akustičnih inštrumentov v električne. Ravno zaradi tega je našel svoje mesto v električnih violinah, čelih in drugih inštrumentih, ki jih igramo z lokom.
Kljub temu da sta opisani tehnologiji stari, dozoreli, enostavni ter poceni, to ni ustavilo človeške radovednosti, da bi iskali nove načine za pretvorbo mehanskega nihanja strun v električni signal. Ena najnovejših tehnologij je tako imenovani optični pickup. Nekaj več o njem nam bo povedal Urban Medič, inženir elektrotehnike, ki se ukvarja z elektroniko za bass kitare in je s svojim optičnim pickpom zmagal na priznanem mednarodnem tekmovanju v analogni elektroniki.
Mikrofoni in pickupi oddajajo torej električne signale, katerih amplituda je premajhna, da bi z njimi lahko kaj direktno počeli. Če mikrofon priklopimo neposredno na zvočnik, ne bomo slišali prav nič. Signal ki ga proizvede mikrofon ni dovolj velik, da bi povzročil primerno magnetno polje za odmik membrane zvočnika. Zato je signale najprej potrebno ojačati, za kar skrbijo ojačevalniki. Ti so narejeni v mnogih različnih izvedbah vezij s tranzistorji ali elektronkami, v katera pa se za zdaj ne bomo poglabljali. Vsa tovrstna vezja pa imajo isto lastnost povečanja amplitude prejetega signala. Ojačevalce srečamo v skoraj vseh možnih avdio napravah: v hifi sistemih, zvočnih karticah, kitarskih ojačevalcih, telefonih, računalnikih in mnogo drugih.
Za shranjevanje ojačanih električnih signalov pa pri moderni tehnologiji uporabljamo računalniški spomin. A da bi lahko te analogne električne signale shranili na vrstah spomina, ki smo jih spoznali že v eni od prejšnjih oddaj, moramo signal najprej spremeniti v digitalno obliko. Za to so zadolženi tako imenovani analogno digitalni oziroma A/D pretvorniki.
Digitalni signal je posnetek, ki ima vrednosti zabeležene samo v določenih diskretnih časovnih točkah. To pomeni, da amplitudno vrednost zveznega električnega signala z določeno frekvenco zajemamo le v točno določenih točkah. Ta korak A/D pretvorbe imenujemo vzorčenje ali po angleško "sampling". Točk vzorčenja signala mora biti ustrezno veliko, da lahko digitalni signal verodostojno pretvorimo nazaj v analognega oziroma preko zvočnikov v zvok. Podobno analogijo lahko najdemo v otroških slikanicah in pobarvankah, kjer morajo otroci povezati vnaprej natiskane točke, da narišejo obris živali ali dinozavra. Če je natisnjenih točk dovolj, bo oblika dinozavra lepa in zaobljena, če jih je premalo, pa bo dinozaver čudno oglat in ne preveč podoben izumrli pošasti.
Če želimo analogni signal ustrezno pretvoriti, mora biti ta vzorčen s frekvenco, ki je vsaj dvakrat višja od največje frekvence, ki je prisotna v analognem signalu. Ker je človeško uho omejeno z zgornjo mejno frekvenco 20 000 Herzov, je povsem dovolj, če analogni signal pretvorimo v digitalno vrednost 40 000-krat na sekundo. Industrijski standard, ki velja za CDje definira pretvorbo analogne vrednosti 44 100 krat na sekundo, kar povsem zadostuje za popolno frekvenčno reprodukcijo posnetega zvoka. Če signal vzorčimo s premajhno frekvenco, torej ne dovolj pogosto, pri reprodukciji nazaj v električni analogni signal pride do popačenja zvoka, kar lahko slišite na sledečem posnetku:
A/D pretvornik nato v vsaki točki vzorčenega signala prebere velikost napetosti, ki določa glasnost zvoka. Če bi shranjevali vsako posamezno vrednost velikosti napetosti, bi dobili ogromno različnih vrednosti, ki bi zasedle veliko spomina in pri obdelavi porabile veliko procesorske moči. Zaradi tega A/D pretvornik te napetosti zaokroži na končno število nivojev, ki jih podaja število bitov pretvorbe. Ta proces, ki sledi po vzročenju, imenujemo kvantizacija.
Na CD-jih je vrednost vsakega vzorca predstavljena s 16 bitno številko, kar omogoča 65.535 različnih stopenj glasnosti. Če je pretvornik slab in omogoča premajhno število bitov, je teh nivojev zapisa napetosti premalo in po rekonstrukciji nazaj v analogni signal je zvok popačen. Signal, pretvorjen s 16-imi biti se sliši tako:
Vrednosti napetosti je tako več kot dovolj in posnetek je jasen. Signal pretvorjen z na primer štirimi biti, pa ima premalo nivojev, s katerimi lahko zapiše vrednosti napetosti:
Po vzorčenju in kvantizaciji, se vrednosti kodirajo v primeren zapis, nato pa pošljejo procesorju za obdelavo in shranjevanje.
Iz zveznega spreminjanja električne napetosti analognega signala, smo torej z A/D pretvorbo dobili posamezne vrednosti, ki jih lahko shranjujemo tabelarično. Vrednosti lahko v obliki datoteke shranimo različnih vrstah računalniškega spomina, ki pa smo jih že spoznali.
Z današnjo oddajo tako zaključujemo cikel oddaj o zvoku in sluhu. Naslednja oddaja znanstvene medredakcije se ima ponovno zgoditi čez dva dobra tedna. Sicer pa vse zveste in nezveste poslušalce meseca maja vabimo k poslušanju nočnega programa znanstvene medredakcije, ki bo posvečen radioamaterstvu.
Uredniški izbor
Napovedi
Prikaži Komentarje
Komentiraj