Ψυχοακουστική

Η ακουστική επιστήμη χωρίζεται σε υποκατηγορίες ανάλογα με το είδος της μελέτης που πραγματοποιείται. Έτσι έχουμε την ηλεκτροακουστική που ασχολείται με την αναπαραγωγή του ήχου (ηχεία,μεγάφωνα), την ακουστική χώρου που ασχολείται με την ηχοπροστασία,τη φυσική ακουστική,τη μουσική ακουστική κ.ο.κ.

Η ψυχοακουστική ασχολείται με τον τρόπο που προσλαμβάνουμε και αντιλαμβανόμαστε τον ήχο. Με την ψυχοακουστική εμπλέκονται και πολλές άλλες επιστήμες όπως η ψυχολογία,οι νευροεπιστήμες,η γλωσσολογία ως μέσο έρευνας της ανθρώπινης συμπεριφοράς.

Μεγάλα βήματα έγιναν πριν αρκετούς αιώνες στο τομέα της ψυχοφυσικής που προσπάθησε να μελετήσει όλες τις αισθήσεις και το τρόπο που γίνονται αντιληπτές. Ο Weber (1795-1878) προσπάθησε να απαντήσει σε ερωτήματα σχετικά με την αντίληψη.Διατύπωσε λοιπόν ένα δικό του νόμο: η ελάχιστη αντιληπτή μεταβολή στην ένταση του φυσικού ερεθίσματος είναι ανάλογη της αρχικής έντασης του. Υπάρχει δηλαδή μια σχέση της αρχικής έντασης με τη διαφορά (μεταβολή) η οποία είναι μια σταθερά (ΔΙ/Ι=k). To πρώτο βιβλίο για την ψυχοφυσική γράφτηκε από τον Fechner (1801-1887) το 1860. O Fechner διατύπωσε τη δική του εκτεταμένη θεωρία η οποία λέει οτι καθώς η ένταση του φυσικού ερεθίσματος αυξάνει,η ευαισθησία μας σε αυτό μειώνεται (S=klog(I)). Τη δεκαετία του 50 ο Smith Stevens (1906-1973) επαναδιατύπωσε το νόμο του Fechner.

Σήμερα, σε μια προσπάθεια πιο αποδοτικής μελέτης του κλάδου,έχουν δημιουργηθεί 3 υποκατηγορίες σχετικά με αυτό που ονομάζουμε ψυχοακουστική.Χωρίζεται λοιπόν σε -Ψυχολογία της ακουστικής, -Φυσιολογία της ακουστικής (ακοής) και στην -Αντίληψη της ομιλίας.

Τεχνική διάγνωσης ακουστικών βλαβών

Στις μικρές ηλικίες κυρίως παρατηρούνται διαταραχές στο τρόπο που αντιλαμβάνονται τα παιδιά τον ήχο. Οι μηχανισμοί μετάφρασης των ηχητικών ερεθισμάτων δεν επιτρέπουν στο παιδί να ανταποκρίνεται στο σχολείο,σε μια συζήτηση, σε ένα παιχνίδι.Ακόμη και σε μεγαλύτερες ηλικίες όμως είναι πιθανό να αντιμετωπίζονται δυσκολίες στην παρακολούθηση μιας ομιλίας,στην υπερβολική ενόχληση από θορύβους,στην έλλειψη προσοχής.

Πως παράγεται η ανθρώπινη φωνή

Η ανθρώπινη φωνή παράγεται από τις δονήσεις των φωνητικών χορδών που προκαλούνται από τη δίοδο του αέρα κατά την εκπνοή.

Ο αέρας κατά τις αναπνευστικές κινήσεις (εισπνοή, εκπνοή) περνά από την κοιλότητα του λάρυγγα. Ο λάρυγγας έχει σχήμα κλεψύδρας και η εσωτερική του επιφάνεια καλύπτεται από βλεννογόνο. Παρουσιάζει δύο στόμια, το φαρυγγικό (άνω στόμιο) και το τραχειακό (κάτω στόμιο). Στο μέσο της κοιλότητας του λάρυγγα υπάρχουν εκατέρωθεν δύο ζευγάρια πτυχών που σχηματίζουν προς τα πάνω τις νόθες φωνητικές χορδές και προς τα κάτω τις γνήσιες φωνητικές χορδές.

Κατά τη δίοδο του αέρα από τους πνεύμονες προς τα έξω, οι γνήσιες φωνητικές χορδές δονούνται και παράγουν τη φωνή. Οι μύες που υπάρχουν στο λάρυγγα ελέγχουν την τάση των φωνητικών χορδών και το άνοιγμα της μεταξύ τους σχισμής (φωνητική σχισμή ή γλωττίδα) και έτσι προκαλείται η διαφορετική ένταση και η διαφορετική συχνότητα της φωνής.

Στη συνέχεια, η φωνή τροποποιείται και αποκτά ιδιαίτερα χαρακτηριστικά για κάθε άτομο στα φωνητικά αντηχεία. Σαν φωνητικά αντηχεία χρησιμεύουν η άνω περιοχή του λάρυγγα, ο φάρυγγας, η ρινική κοιλότητα και η στοματική κοιλότητα.

Τέλος, στη στοματική κοιλότητα με τις κινήσεις της γλώσσας, της μαλακής υπερώας και των χειλιών σε σχέση με τα δόντια δημιουργείται ο έναρθρος λόγος. Η διαδικασία του έναρθρου λόγου ελέγχεται από τα κέντρα του λόγου που βρίσκονται στο φλοιό του εγκεφάλου και συντονίζουν τις κινήσεις των σχετικών οργάνων.

Υπόηχοι μέρος 1

Υπόηχοι είναι οι ήχοι που δε μπορεί να γίνουν αντιληπτοί από τον άνθρωπο (όπως και οι υπέρηχοι), διότι έχουν εύρος ακουστικών συχνοτήτων από 0.001 Ηz έως και 20 Ηz. Οι ήχοι αυτοί γίνονται αντιληπτοί από ζώα όπως οι ελέφαντες,οι φάλαινες,πουλιά,ψάρια και πολλά άλλα είδη,που τους χρησιμοποιούν είτε για επικοινωνία, είτε για να επιβιώσουν.Μπορούν μάλιστα να ανιχνεύσουν υπόηχους από χιλιόμετρα μακριά. Αυτό οφείλεται στη μικρή συχνότητα των υπόηχων που καθιστά το μήκος κύματος τους αρκετά μεγάλο. (από το θεμελιώδη τύπο c=λf)

Εκτός από τα ζώα και οι άνθρωποι παράγουν υπόηχους όμως τεχνητά. Τα κλιματιστικά, τα αυτοκίνητα,οι ανεμογεννήτριες,τα αεροπλάνα,τα πλυντήρια,η ηλεκτρική σκούπα παράγουν υπόηχους.Επίσης υπόηχοι παράγονται και από φυσικές πηγές.Θαλάσσια κύματα,καταιγίδες,σεισμοί και άνεμοι μπορούν να παράγουν υπόηχους πολύ μεγάλης έντασης.

Συνεπώς χαμηλής συχνότητας ηχητικά κύματα υπάρχουν στη καθημερινότητα μας και παρόλο που δεν είναι δυνατό να τα ακούσουμε μας επηρεάζουν τη διάθεση και την υγεία μας.Αν για μεγάλο χρονικό διάστημα είμαστε εκτεθειμένοι σε υπόηχους μεγάλης έντασης τότε οι επιπτώσεις θα είναι σοβαρότερες. Έχει αποδειχθεί ότι η έκθεση σε υπόηχους μπορεί να προκαλέσει αδιαθεσία,ναυτία,ζαλάδα,φόβο,οφθαλμαπάτες μέχρι και καρδιακά προβλήματα.

Προφανώς τα μέτρα προστασίας είναι ελλειπή διότι μας ξεγελά το γεγονός ότι το αυτί μας δε μπορεί να ακούσει τους ήχους αυτούς. Τα κοινά προστατευτικά μέσα όπως οι ωτοασπίδες δε μας προστατεύουν από τέτοιου είδους ηχητικά κύματα. Η μόνη αποτελεσματική προστασία είναι η μελέτη του χώρου και ο εντοπισμός των πηγών που παράγουν χαμηλές συχνότητες.

Υποηχητικό πείραμα

Το Μάιο του 2003, μια ομάδα ερευνητών από το Μάντσεστερ διεξήγαγε μια ενδιαφέρον υποηχητική έρευνα. Ο Richard Lord (ειδήμων της ακουστικής) με την ομάδα του,εξέθεσε σε 750 άτομα μέσω ενός 7-μετρου σωλήνα,μουσική με κομμάτια που περιείχαν υπόηχους συχνότητας 17 hZ. Σκοπός του πειράματος ήταν να μελετήσει την επίδραση που θα είχε ένας τέτοιος ήχος χαμηλής συχνότητας στο κοινό της εκδήλωσης. Συνολικά παίχτηκαν 4 μοντέρνα κομμάτια ζωντανής μουσικής τα οποία αναμείχθηκαν με υπόηχους σε διάφορα μέρη τους. Το κοινό δεν ενημερώθηκε για ποια κομμάτια περιείχαν υπόηχους. Το 22% του κοινού δήλωσε ότι βίωσε μια ασυνήθιστη εμπειρία, η οποία περιλάμβανε αισθήματα οπως θλίψη,νευρικότητα,ρίγος,φόβο. Η έρευνα απέδειξε οτι παρόλο που δε μπορούμε να ακούσουμε τόσο χαμηλής συχνότητας ήχους,η παρουσία τους και μόνο μπορεί να μας προκαλέσει αδιαθεσία και γενικά δυσάρεστα συναισθήματα.

Ναρκωτικά με τη μορφή ήχου!

Πρόκειται για αρχεία ήχου τα οποία λόγω του διαφορετικού κύματος συχνότητας, προκαλούν αντιδράσεις που μοιάζουν με αυτές που προκαλούν το αλκοόλ, η μαριχουάνα, τα χάπια XTC, το Lsd η κοκαΐνη κλπ.

Η πρακτική των «ηχητικών ναρκωτικών» βασίζεται στη θεωρία των δίωτων ήχων (binaural beats), οι οποίοι ανακαλύφθηκαν το 1839 από τον Heinrich Wilhelm Dove..

Μέχρι τώρα το επιστημονικό ενδιαφέρον για τους δίωτους ήχους χωρίζεται σε δύο τομείς. Ο πρώτος τομέας αφορά στη μελέτη της αίσθησης της ακοής και ο δεύτερος στην παρατήρηση των επιπτώσεων των δίωτων ήχων από το συγχρονισμό τους με τα εγκεφαλικά κύματα τα οποία εντοπίζονται με τα εγκεφαλογραφήματα. Τα εγκεφαλικά κύματα χωρίζονται σε πέντε (5) κατηγορίες:

• Gamma (>40 Hz) που σχετίζονται με την πολύ υψηλή πνευματική δραστηριότητα και διέγερση και την αίσθηση του φόβου • Beta (13-40 Hz) που σχετίζονται με τη δραστήρια και αγχώδη σκέψη και πνευματική συγκέντρωση • Alpha (7-13 Hz) που σχετίζονται με τη χαλάρωση και τη σωματική και πνευματική κατάσταση προ ύπνου • Theta (4-7 Hz) που σχετίζονται με την προβολή ονείρων και τη βαθιά περισυλλογή (meditation) • Delta (<4 br="" hz="">
Τα φερόμενα ως «ηχητικά ναρκωτικά» υπόσχονται την επιρροή των εγκεφαλικών κυμάτων ενός ατόμου με απώτερο σκοπό την πρόκληση συγκεκριμένων συναισθημάτων και πνευματικών καταστάσεων.

Από τεχνικής άποψης, η «δόση» ενός «ηχητικού ναρκωτικού» είναι ένα αρχείο mp3 δίωτων ήχων. Το γεγονός ότι οι ήχοι μπορεί να επηρεάσουν τη συναισθηματική διάθεση και την πνευματική διαύγεια του ατόμου δεν θα έπρεπε να μας παραξενεύει. Δεν υπάρχει απλούστερο παράδειγμα από την αντίδραση του ατόμου σε ένα χορευτικό τραγούδι, όπου στο άκουσμα του μπορεί να αρχίσει να χορεύει.

Για την ώρα δεν υπάρχουν ενδείξεις και περιστατικά εθισμού από τη χρήση των «ηχητικών δόσεων», ενώ δεν πρέπει να παραβλέψουμε το γεγονός ότι ένα κομμάτι της έρευνας για την επίδραση των δίωτων ήχων στην ανθρώπινη συμπεριφορά έχει αφιερωθεί στην καταπολέμηση του εθισμού στο αλκοόλ και το τσιγάρο.

Τρόπος λειτουργίας παθητικού ηχείου

Ένα ολοκληρωμένο ηχείο αποτελείται από δύο κυρίως μέρη, το ηχείο σε σχήμα χωνιού και ένα ηλεκτρονικό κύκλωμα (ένα φίλτρο).

Το σήμα από το στερεοφωνικό μας έρχεται στο ηχείο μέσω ενός καλωδίου το οποίο μεταφέρει τα ηλεκτρικά σήματα που κωδικοποιούνται ως μουσική. Το σήμα περνάει πρώτα από το φίλτρο, το λεγόμενο «crossover», που στην απλούστερη μορφή του αποτελείται από μια αντίσταση και έναν πυκνωτή. Η δουλειά του φίλτρου είναι να διαχωρίζει τις συχνότητες του σήματος και να τις κατανέμει σωστά στα μεγάφωνα του ηχείου. Οι τιμές των δύο στοιχείων (αντίστασης και πυκνωτή) καθορίζουν την συχνότητα αποκοπής του φίλτρου, δηλαδή από ποια συχνότητα και μετά θα γίνεται ο διαχωρισμός.

Ένα ολοκληρωμένο ηχείο έχει συνήθως 3 μεγάφωνα. Ένα για τα μπάσα (το woofer), ένα για τα μεσαία που συνήθως είναι μαζί με το μπάσο, και ένα για τα πρίμα, που το ονομάζουμε κόρνα και είναι το μικρότερο σε μέγεθος χωνί. Αυτό γίνεται επειδή υπάρχει διαφορετική απόδοση του ήχου ανάλογα με το μέγεθος του χωνιού το οποίο μετριέται σε ίντσες. Για παράδειγμα οι κόρνες μπορεί να έχουν διάμετρο 6 με 8 ίντσες και το woofer 12, 15 ή και 18 ίντσες.

Όλα τα μεγάφωνα έχουν 2 κυρίως κομμάτια, το μεταλλικό σασί και τον χαρτονένιο συνήθως χωνί ή κώνος, το οποίο εφαρμόζεται επάνω στο σασί. Στο κέντρο του σασί, το οποίο μοιάζει με παραμορφωμένη ζάντα αλουμινίου αυτοκινήτου, υπάρχει ένας μεγάλος στρογγυλός μαγνήτης με ένα διάκενο για να μπει το πηνίου του κώνου. Στη βάση του κώνου του μεγάφωνου υπάρχει αυτό το πηνίο. Έχει επίσης και δύο ακροδέκτες ώστε να συνδέσουμε τα δύο καλώδια (κόκκινου και μαύρου χρώματος συνήθως) που μεταφέρουν το ηλεκτρικό σήμα. Τα δύο αυτά καλώδια στερεώνονται επάνω σε συγκεκριμένα σημεία στο σασί. Τέλος, υπάρχει στη βάση του κώνου επίσης και γύρω από το πηνίο το spider, ένα είδος ελατηρίου για την στήριξη και κίνηση του κώνου, ανάλογα με την ένταση των σημάτων που έρχονται από τα καλώδια.

Με την ηλεκτρομαγνητική δύναμη του σήματος διαμέσου του μαγνήτη και το σχήμα του κώνου μετατρέπουν τα ηλεκτρικά σήματα διαφόρων συχνοτήτων σε ήχους παραγόμενους από το ηχείο.

Να αναφέρουμε σε αυτό το σημείο πως ανάλογα με την ωμικότητα, δηλαδή την αντίσταση που παρουσιάζει το πηνίο, εξαρτάται και η ισχύς του ηχείου, πάντα σε συνδυασμό με το μέγεθος του κώνου.

Ανατομία αυτιού

Πτερύγιο: Το ορατό μέρος του αυτιού, χόνδρος καλυμένος με δέρμα,προσκολλημένο στην άκρη του κεφαλιού.Βοηθά στη συλλογή ηχητικών δονήσεων κοντά στο άνοιγμα του αυτιού,Καθοδηγεί τα ηχητικά κύματα στον ακουστικό πόρο.

Έξω ακουστικός πόρος: Ο γεμάτος με αέρα διάδρομος που συνδέει το τύμπανο, μήκους 2.5 εκατοστών. Τα ηχητικά κύματα περνούν διαμέσου του πόρου και ενισχύονται.To κερί παρεμποδίζει

 τη ξηρότητα του πόρου καθώς και τις μολύνσεις. 

Τύμπανο (τυμπανική μεμβράνη):  Είναι μια λεπτή αλλά σκληρή μεμβράνη,μικρότερη από 1 cm,που συνδέεται στο τέλος του  ακουστικού πόρου. Τα ηχητικά κύματα προσκρούουν στη μεμβράνη  με αποτέλεσμα να πάλλεται. 

Ακουστικά οστάρια(σφύρα-άκμονας-αναβολέας): Ένα μικρό σύμπλεγμα οστών προσκολλημένο στην τυμπανική μεμβράνη. Η λειτουργία του είναι η μηχανική σύνδεση του τυμπάνου με το εσωτερικό αυτί. Μεταφέρει τις  ηχητικές δονήσεις στα εσωτερικά υγρά του αυτιού.Επίσης ενισχύει τον αερόφερτο ήχο περίπου 30 db και λειτουργεί ως προστασία για το όργανο του corti.

Ωοειδής θυρίδα: Μεμβράνη που συνδέει το μέσο αυτί με το πάνω μέρος του κοχλία.Οι δονήσεις μεταφέρονται από τα οστάρια στο κοχλία μέσω της ωοειδής θυρίδας.

Στρογγυλή θυρίδα: Μεμβράνη που συνδέει το μέσο αυτί με το κάτω μέρος του κοχλία. Τροφοδοτεί το κοχλία με υγρό και χρησιμεύει στην εξισορόπηση της υδραυλικής πίεσης.
Ευσταχιανή κοιλότητα (ή σάλπιγγα): Κοιλότητα μήκους 3-4 περίπου εκατοστών που συνδέει το έσω αυτί με το πίσω μέρος της ρινικής κοιλότητας. Ισοσταθμίζει την πίεση του αέρα μέσα και έξω από τη τυμπανική μεμβράνη, παρoχετεύει τις εκκρίσεις του μέσου αυτιού και παρέχει προστασία εναντι φλεγμονών.
Κοχλίας: Ένας σπειροειδής σωλήνας από οστό (σαν κέλυφος από σαλιγκάρι),γεμάτος με υγρό και χωρισμένος σε τρία μέρη. Μέσα του βρίσκεται το όργανο του Corti που αποτελεί το αισθητήριο ακοής. Μετατρέπει τις διεγέρσεις από το περιβάλλον σε νευρικά ερεθίσματα που στη συνέχεια θα διαβιβαστούν στον εγκέφαλο.
Ημικύκλιοι σωλήνες: 3 κυκλικοί σωλήνες ενσωματωμένοι σε κροταφικό οστό που περιέχουν υγρό.Το υγρό που περιέχουν διοχετεύεται σε διάφορες κατευθύνσεις ανάλογα με τις κινήσεις του κεφαλιού.Ο ρόλος που παίζει στην ακοή δεν είναι μεγάλος,διατηρεί απλά μια ισορροπία.

Για να δείτε τη λειτουργία του εξωτερικού αυτιού δείτε αυτό: http://infoacoustics.blogspot.gr/2014/12/blog-post_23.html
Για τη λειτουργία και ανατομία του εσωτερικού αυτό:
http://infoacoustics.blogspot.gr/2014/12/blog-post.html

Χρόνος αντήχησης

Μια απο τις πιο σημαντικές παραμέτρους της ακουστικής είναι ο χρόνος αντήχησης. Καθορίζει την ακουστική ποιότητα ενός χώρου. Ο υπολογισμός του και κατ'επέκτασην η παραμετροποιήσή του στα επιθυμητά επίπεδα, αποτελεί από τα βασικότερα θέματα που έχει να αντιμετωπίσει ένας μηχανικός.

Τι εκφράζει ο χρόνος αντήχησης

Σε ένα κλειστό χώρο οι ηχητικές ακτίνες προτού απορροφηθούν πλήρως απο τα τοιχώματα διατηρούν την ηχητική τους ενέργεια για κάποιο διάστημα. Όταν η ηχητική πηγή σταματήσει να παράγει ήχο,η ηχητική ενέργεια δε σταματά ακαριαία αλλά διατηρείται για λίγο χρόνο έως ότου απορροφηθεί πλήρως. Για αυτό θα έχετε παρατηρήσει κάποιον ομιλητή που συνεχίζουμε να ακούμε για λίγο ενώ αυτός έχει σταματήσει να μιλά, ή κάποια πηγή που ακούγεται αλλιώς από χώρο σε χώρο.
Η μείωση της ηχητικής ενέργειας μετά τον μηδενισμό της ηχητικής πηγής εκφράζει το χρόνο αντήχησης και μετριέται σε δευτερόλεπτα (sec).
Ως χρόνο αντήχησης ορίζεται ο χρόνος που απαιτείται ώστε η στάθμη θορύβου να ελαττωθεί κατά 60 db, μετά τον μηδενισμό του εκπεμπόμενου θορύβου απο τη πηγή.
Για αυτό και ο συμβολισμός του χρόνου αντήχησης είναι Τ60.
Οι παράγοντες που επηρεάζουν το χρόνο αντήχησης είναι η συχνότητα του ήχου, η απορρόφηση του χώρου και ο όγκος του χώρου.

Επίδραση του χρόνου αντήχησης

Στην ομιλία ένας μεγάλος χρόνος αντήχησης μπορεί να προκαλέσει πρόβλημα αντιληπτότητας. Είναι σημαντικό ο χρόνος αντήχησης να μην είναι ούτε μικρός διότι ο ήχος δε θα είναι φρέσκος και ζωντανός, αλλά ούτε μεγάλος διότι η ομιλία δε θα είναι κατανοητή. Είναι προτιμώτερο ο χρόνος αντήχησης να είναι μικρός προκειμένου να γίνονται πλήρως αντιληπτές οι λέξεις.
Όταν όμως έχουμε να κάνουμε με μουσική είναι προτιμώτερο ο χρόνος αντήχησης να είναι μεγαλύτερος,ειδικότερα όταν πρόκειται για χώρο συναυλιών, θεάτρου, όπερας κτλ.
Ανάλογα με τις απορροφητικές επιφάνειες που υπάρχουν στο χώρο μπορεί να επιτευχθεί μικρός χρόνος αντήχησης. Αν υπάρχουν δε επιφάνειες ή αντικείμενα με ανακλαστική συμπεριφορά θα συμβεί το αντίθετο. Στις καθολικές εκκλησίες για παράδειγμα ,κυριαρχούν ανακλαστικά υλικά όπως ξύλινα καθίσματα ώστε ο χρόνος αντήχησης να είναι μεγαλύτερος.

Υπολογιστική προσέγγιση του χρόνου αντήχησης

Για χώρους με μικρή απορρόφηση μπορούμε να υπολογίσουμε το χρόνο αντήχησης από τη σχέση του Sabine, Τ60= 0.161 V / As , όπου για V θα εισάγουμε τον όγκο του χώρου σε κυβικά μέτρα (m3) και για As την απορρόφηση του δωματίου.
Για μεγάλους χώρους χρησιμοποιείται παρόμοια προσέγγιση με τη διαφορά οτι τοποθετείται η ολική απορρόφηση του χώρου.