Šepetanja programiranega neandertalca
V današnji oddaji boste iz svojih zvočnikov ali slušalk s pretvorbo električnih signalov v gibanje zraka slišali, kako ljudje generiramo zvok, zakaj imata radijska špikerja tako lep glas in kako bi ju v daljni prihodnosti lahko nadomestili z računalniškimi sintetizatorji zvoka. V prvem delu oddaje boste izvedeli, kaj vse se mora zgoditi v človeškem telesu, da lahko sploh spregovorimo, in od česa je odvisen zvok našega glasu. V drugem delu se bomo dotaknili računalniške sinteze zvoka in razložili, kako pretvorimo električne v slušne signale.
Še preden začnemo, se moramo obregniti že čez samo izbiro začetka, saj je ta pogosto povsem arbitrarna in ne odraža resničnega izvora pojava. Vzemimo primer besed, kjer je jasno, da so govorjene besede produkt možganske aktivnosti, pretvorjene v premikanje mišic prsnega koša, čeljusti in jezika. S tem se problema izvora govora ne rešimo, saj zgolj prestavimo vir besed na nepojasnjeno delovanje v možganih.
A tudi po točnem dešifriranju možganske električne aktivnosti pri govorjenju se ne bi mogli zadovoljiti s tako razlago njihovega izvora. Z besedami nismo rojeni, temveč se jih priučimo in so kot take kulturno posredovane. A od kod je potem prišla prva beseda? Vidimo, da se pri iskanju odgovora hitro zapletemo v vrtinec iskanja in mešanja, kaj je vzrok in kaj posledica. Ali je bilo prej jajce ali kokoš?
Za konceptualizacijo možganskih procesov govorjenja bomo zato privzeli obstoj že oblikovanega možganskega sistema, sposobnega tvorbe sporočil v obliki besed in posredovanja informacij do mišic, odgovornih za govor. Jedro problema, ki ga bomo poskušali razrešiti, bosta zato vprašanji, kakšnim pogojem mora zadostiti živčni sistem in kakšne prepreke mora zaobiti, da lahko govorimo.
A začnimo z nekaterimi splošnimi zahtevami živčnega nadzora mišic. Da lahko možgani uspešno nadzorujejo premikanje, na primer roke, ni zadosti, da samo pošiljajo signale do mišic v roki. Prejemati morajo tudi povratne signale o položaju roke. To je nujno zato, da lahko sproti popravljamo in prilagajamo gibanje glede na razmere v okolju. Brez povratnih informacij bi po prenosu signala za hojo naprej hodili do ustavitve signala, četudi bi se na naši poti pojavil prepad. Zato lahko ob zaznavi ovire sproti popravljamo svoje gibanje, da ustrežemo zamišljenemu cilju.
A to deluje zgolj do neke točke. Živčni prenos informacij ni neskončno kratek, temveč se giblje z določeno hitrostjo. Ta pa je zadosti počasna, da povzroča zamudo med oddanimi signali za gibanje in prejetimi povratnimi signali. Zamuda ostaja nepomembna, dokler opravljamo počasna gibanja, vendar lahko postane kritična, ko izvajamo hitre gibe. Situacijo si lahko predstavljamo kot drvenje z avtom, kjer opazujemo cesto zgolj skozi retrovizor. Prejete povratne informacije se v tem primeru nanašajo zgolj na pretekle dogodke in ne na trenutni položaj.
Za razrešitev omejitve, ki jo povzroča zakasneli povratni signal, se je razvil sistem predvidenja položaja udov, še preden se te premaknejo. Poenostavljeno se z učenjem gibanja posameznih delov telesa naučimo, kakšen povratni signal pričakujemo pri posameznem gibu in kako moramo spremeniti gibanje, če signal deviira od pričakovanega. Predvideni signal se nato istočasno z ukazom za izvršitev giba pošlje do centrov za zaznavo v možganih, kamor prihajajo povratni signali o stanju mišic. Če se te ne ujemajo s predvidenim signalom, dobijo mišice ukaz, kako pravilno odreagirati. Na kratko povedano, se hkrati z ukazom za izvršitev dejanja pošlje tudi signal, kako popraviti gib v primeru, da gre kaj narobe.
Kako pa se opisani mehanizem nadzorovanja gibanja kaže na primeru govorjenja? Preden lahko opišemo kontrolo govorjenja, si poglejmo, kako potuje signal za govor od možganov do mišic in kako se ta na poti preoblikuje. Ključen pri tem je vrstni red procesov, ki preoblikujejo informacijo. V višjih možganskih centrih se najprej oblikuje koncept sporočila, ki ga govorec želi artikulirati. Koncept se v naslednjem predelu možganov oblikuje v ustrezne besede, ki pa še nimajo informacij o fonetičnem zapisu sporočila. Te se oblikujejo v naslednji stopnji, od koder potuje signal do mišic v prsnem košu, jeziku, čeljusti in ostalih mišic, vpletenih v govor.
Kot že omenjeno, ne potekajo informacije samo od možganov navzven, temveč tudi v obratni smeri. Ko govorimo, prejemamo dve vrsti signalov, ki jih uporabljamo za nadzor nad izgovorjavo. Prve so – nepresenetljivo - slušne zaznave, ki prvotno pridejo do slušnega korteksa in od tam potujejo do višjih kognitivnih centrov. Na tej točki pride v vlogo že opisani proces nadzora nad izvajanjem govora. Na podlagi že predhodno naučenih povratnih informacij možgani namreč vedo, kakšen zvok morajo pričakovati ob pošiljki ukaza za govor v mišičje. Sočasno s pošiljko ukaza se pošlje v slušni korteks tudi informaciji, kakšen mora biti povratni slušni signal in kakšna mora biti reakcija v primeru neskladja. Na ta način sproti popravljamo besede na nivoju njihove zlogovne zgradbe.
Podobni mehanizem kontrole obstaja tudi pri drugi vrsti signalov, ki prihajajo v možgane. Gre za podatke o položaju in aktivaciji mišic govornega aparata. Ker zahteva pravilna izgovorjava fonema točno določen položaj jezika, obliko ustnic in odprtost glasilk, lahko telo v primeru odstopanj od primerne postavitve mišic hitro zazna neprimerne signale. Te se zbirajo v senzomotoričnem korteksu v možganih, ki ima dobre povezave s centrom za fonetično izgovorjavo besed. Ker je pot signalov do fonetičnih centrov veliko krajša kot pot signalov do slušnega korteksa, je odziv možganov na take napake hitrejši kot na napake, ki jih slišimo. Primer opisanega mehanizma iz vsakdanjega življenja je izgovorjava besede V-horizontalno, kjer smo poskušali reči vertikalno, a smo že pri prvem fonemu V hitro popravili besedo v horizontalno.
Vzeto skupaj, ima naše telo dvojni nadzor nad govorom, ki mu omogoča sprotno in hitro preverjanje pravilnosti izgovorjenega. Zaznavanje slušnih signalov nam omogoča bolj grobo popravljanje besed, medtem ko senzomotorični signali skrbijo za fine napake. V ta sistem je treba vključiti še tretji element - povezavo centrov opisanega sistema z višjimi kognitivnimi centri. Ti višji kognitivni centri skrbijo za potek govora, smiselnost izgovorjenega in sprotno prilagajanje stavkov kontekstu diskurza. Če možganski sistem uspešno izvaja svojo funkcijo, je naloga preostalih organov, da poskrbijo za samo izvedbo govora.
Zvok, ki pride iz naših ust, je posledica različnih mehaničnih elementov našega govornega aparata. Energijski vir za nastanek glasu je tok zraka iz pljuč, ki nastane kot posledica krčenja mišic prsnega koša. Na svoji poti iz pljuč pride do glasilk, ki s svojim nihanjem ustvarjata zvočno valovanje. Za končno jakost in barvo glasu so pomembni še resonančni organi, ki so v odzvočni cevi. Odzvočna cev zajema prostor od glasilk do ustnic in vhoda v nosni preddvor. Na tem mestu se pod vplivom ustne votline, žrela, jezika in nosne votline glas okrepi in preoblikuje v individualen glas.
Med dihanjem sta glasilki odprti, napneta in zožita se, ko želimo spregovoriti ali zapeti. Tok zraka iz pljuč ustvari na spodnji strani podtlak, ki ga glasilki s periodičnim odpiranjem in zapiranjem spremenita v zvočno valovanje. Glas vsakega posameznika je unikaten, kakšno vlogo pri tem igrajo glasilke, smo vprašali predstojnico katedre za otorinolaringologijo, Ireno Hočevar Boltežar:
Zanimalo nas je tudi, kakšno je delovanje glasilk pri šepetanju?
V času odraščanja se glas vsakega posameznika močno spreminja. Govorimo o treh stopnjah razvoja: otroški glas, odrasli glas in glas v starosti. S profesorico Ireno Hočevar Boltežar smo se pogovarjali tudi o tem, kako in zakaj se glas med odraščanjem tako spreminja.
Kaj pa se zgodi z našim glasom, ko se staramo?
Govor je posledica usklajenega delovanja možganske skorje, ust, žrela, grla z glasilkama, pljuč, mišic prsnega koša in trebuha. Pri nastajanju zvočnega valovanja iz naših ust gre lahko tudi kaj narobe. Omenili bomo le nekaj pogostejših težav z glasom in govorili o tem, kako lahko govorimo brez grla in glasilk.
Za slabšo kvaliteto glasu največkrat niso krive bolezni, temveč njegova prepogosta in pretirana uporaba. Do tega pride pri ljudeh, katerih poklic zahteva nenehno uporabo glasu - pevci, poklicni govorci in učitelji - pa tudi pri ekstravertiranih posameznikih. V večini primerov se te težave popravijo že z bolj previdno uporabo glasu. V zelo redkih primerih je potrebna odstranitev vozličev na glasilkah.
Ljudje smo navajeni na tisto, kar nas stalno obdaja. Zato neki glas privabi našo pozornost že samo, če ni usklajen s spolom, starostjo ali postavo posameznika. Dovolj je tudi to, da je razmerje med zvokom, ki prihaja iz ust in nosu, neskladno, da je glas pretih ali preglasen ali da gre za spremenjen glas kot na primer zaradi kajenja.
Pri kadilcih postane glas nižji in bolj raskav. To je lahko posledica vnetja grla in glasilk, ki glasilke zadebeli, tako da te vibrirajo nekoliko počasneje in proizvajajo zvok nižje frekvence. Poleg tega se zaradi zmanjšane pljučne funkcije zmanjša tudi pretok zraka čez glasilke. Pri omenjenih vzrokih se glas ob prenehanju kajenja povrne na prejšnje stanje, saj pride do ponovne normalne prekrvavitve in normalnega pretoka zraka skozi grlo. Kadar je razlog v polipih ali tumorjih, pa to dosežemo le z odstranitvijo teh sprememb.
Pri večjih tumorjih grla je včasih treba odstraniti celotno grlo. Čeprav s tem odstranimo tudi glasilke, se je možno ponovno naučiti govora, saj je za oblikovanje glasov dovolj pretok zraka skozi požiralnik, žrelo in usta. Ena od možnosti za govorno rehabilitacijo je uporaba elektronske naprave – umetnega grla. Kako z njegovo pomočjo nastaja glas, smo povprašali profesorico Ireno Hočevar Boltežar:
Govorni aparat je šele zadnje orodje za učenje govora po odstranitvi grla. Brez grla in glasilk lahko namreč govorimo tudi s potiskanjem zraka iz požiralnika v usta. Ponovno profesorica Hočevar Boltežar:
Poznamo pa še en način govora brez grla, govorno protezo. Kako deluje in kdaj vendarle uporabimo govorni aparat:
Biološki govorni aparat sodobnega človeka je kompleksen sistem, ki se je začel razvijati relativno zgodaj. Nedavne raziskave kažejo, da je govoril tudi naš najbližji izumrli sorodnik - neandertalec.
Tvorjenje kompleksnih zaporedij različnih glasov, ki sestavljajo besede, je v naravi veščina, ki jo ima samo človek. Dolgo je veljalo, da se je sposobnost govora pri človeku razvila razmeroma pozno, približno pred 50 do 100 tisoč leti – torej v času, ko je naš afriški prednik pripotoval na evropsko celino in se tukaj srečal z vrsto Homo neanderthalensis. Z neandertalci ima moderni človek skupnega prednika v Afriki, vendar so neandertalci v Evropo pripotovali prej in se zato pod drugačnimi evolucijskimi pritiski tudi drugače razvili. Zakaj je neandertalec izumrl, je še vedno neznanka, vendar so s sodobnimi tehnikami analize DNA dokazali, da si z njim delimo enega do tri odstotkov genoma. Ta podatek dokazuje, da imamo z neandertalcem skupnega več, kot smo si morda predstavljali.
Za eno od teorij izumrtja neandertalca je dolgo veljalo prepričanje, da je Homo sapiens zaradi sposobnosti govora izrinil neandertalca iz svojega ozemlja. Razvoj jezika mu je omogočil simbolno mišljenje, načrtovanje prihodnosti in napredek v zaznavanju sveta okoli sebe. Izvor in starost govora pa sta se v zadnjih letih izkazala za mnogo starejša, kot smo mislili.
Prvi pomislek, da je bil govora zmožen že neandertalec, se je pojavil že leta 1989. V jami Kebara v Izraelu so našli fosilizirano hioidno kost oziroma podjezičnico, ki je bila po obliki in uporabi zelo podobna kosti sodobnega človeka. Podjezičnica je edina kost v našem telesu, ki ni nikamor pritrjena in služi kot gibljiva opora za mišice jezika. Ravno zaradi tega omogoča govor. Z računalniško simulacijo so pokazali, da je imela podjezičnica pri neandertalcu zelo podobno funkcijo, kot jo ima pri nas. Še več pa nam o izvoru pove nedavno odkritje več kot pol milijona stare hioidne kosti v Španiji, ki je pripadala okostju nam in neandertalcu skupnemu predniku – tako imenovanemu Homo heidelbergensisu.
V kolikšni meri so sklepanja o govoru na osnovi fosiliziranih kosti zanesljiva, smo povprašali arheologa Dimitrija Mlekuža:
Poleg arheoloških najdb pa o govorečem neandertalcu pričajo tudi raziskave s področja nevrologije in genetike. Že skoraj pred 20-imi leti je raziskovalec Richard F. Kay s sodelavci primerjal hipoglosalne kanale pri različnih primatih, ljudeh in naših predniških vrstah. Hipoglosalni kanal kaže na velikost sedmega možganskega živca, ki povezuje delovanje mišic jezika z možgani. Pokazali so, da je pri primatih in Avstralopitkih ta kanal na lobanji za 80 odstotkov ožji kot pri človeku in neandertalcu, kar dodatno nakazuje na podobnosti v zmožnosti govora.
Naš sogovornik je opozoril še na eno lastnost možganov, ki se pojavi že pri Homo erectusu:
Podobno zgodbo izriše tudi genska slika. Tako pri neandertalcih kot tudi pri nas so prisotni FOXP2 geni, za katere je znano, da igrajo pomembno vlogo pri tvorbi glasu. Pri ljudeh, ki jim kopija FOXP2 genov manjka ali je okvarjena, prihaja do sprememb ali nezmožnosti izražanja z besedami. Teh genov ne najdemo pri nobeni drugi človeku podobni opici.
Bi lahko domnevali, da sta se moderni človek in neandertalec pogovarjala? Dimitrij Mlekuž nam o tem pove naslednje:
Ali imamo kakšne arheološke najdbe, ki nakazujejo na razvoj jezika in ne samo sposobnost govora?
Toda kako so neandertalci zveneli? Njihov vokalni trakt je bil daljši, lobanja masivnejša, zato nekateri znanstveniki sklepajo, da je bil njihov glas nižji. S pomočjo računalniških modelov in rekonstrukcije neohranjenih delov odzvočne cevi, kot so grlo, adamovo jabolko, glasilke in notranja ustna votlina, je Robert McCarthy naredil simulacijo neandertalske črke 'e'. Rekonstruiral je tri različne vokalne trakte 40.000 let starih fosilnih ostankov iz Francije. Prisluhnimo:
Na podlagi rekonstrukcij glasovnega aparata neandertalcev sklepajo, da je bil glasovni obseg neandertalca drugačen od našega, in sicer naj ne bi bili zmožni izreči samoglasnikov 'a', 'i', 'u' in soglasnikov 'k' in 'g'. Drugačno podobo glasu pa so prikazali v seriji oddaj o neandertalcu na BBC‑ju. Višina glasu je pri njihovi interpretaciji mnogo višja. Prisluhnimo:
Posnetek s celoti si lahko ogledate na spletnem naslovu: https://www.youtube.com/watch?v=o589CAu73UM
Ugibanj o barvi glasu neandertalca je veliko in če so visoki toni zadnjega posnetka pravilni, lahko zaključimo, da je bil neandertalec prvi član skupine Monty Python.
Poslušate oddajo znanstvene medredakcije, v kateri govorimo o glasu. Spoznali smo, kako zvok proizvajamo ljudje in kakšen glas naj bi imeli neandertaleci, prisluhnimo pa še, kaj omogoča, da nam Steven Hawking, bralniki knjig, računalniki in pametni telefoni povedo svoje.
Obravnavali bomo akustično plat elektronske sinteze govora in nakazali, kako deluje računalniška sinteza samoglasnikov. Začnimo s splošno sintezo zvoka in si poglejmo, kako z analognimi sintetizatorji in računalniki ustvariti različno zveneče tone.
Osnovni izvori elektronskega zvoka so tako imenovani oscilatorji, ki generirajo periodične ponavljajoče električne signale različnih oblik. Oblika signala, torej njegov časovni potek naraščanja amplitude, določa, kako bo ton zvenel.
Najbolj pogoste oblike so: sinusni signal,
pravokotni signal, ki predstavlja skakanje amplitude med dvema vrednostma,
žagasti signal, pri katerem amplituda linearno narašča in nato hipno pade
in beli šum,
ki se mu amplituda naključno spreminja.
Frekvence teh signalov so v področju našega slušnega območja in narekujejo višino tona. Pri najbolj razširjenem načinu sinteze zvoka nato takšne signale oscilatorjev dovedemo do različnih vrst filtrov oziroma sit, ki določene frekvence prepuščajo, druge pa iz signala izločajo. Nizkopasovna sita filtrirajo vse frekvence avdio signala nad izbrano mejno frekvenco, signale z nižjo frekvenco pa prepuščajo. Poslušajmo signal žagaste oblike pri filtriranju z nizkopasovnim sitom.
Mejno frekvenco filtriranja lahko seveda po želji višamo ali nižamo, avtomatska modulacija mejne frekvence pa proizvede zvoke, ki jih pogosto uporabljajo pri dubstep glasbeni zvrsti:
Druga najbolj pogosta oblika filtra je visokopasovno sito, ki prepušča signale nad mejno frekvenco.
Kombinacijo obeh omenjenih sit pa predstavlja pasovno sito, ki prepušča poljubno ozek pas frekvenc okoli mejne frekvence.
Z uporabo več takšnih sit bomo v nadaljevanju realizirali samoglasnike človeškega govora.
A kako se sinteza zvoka in tonov povezuje s sintezo govora?
Sintezo govora ločujemo v dve večji kategoriji. Prvo imenujemo formant sinteza, ki uporablja umetno računalniško ali elektronsko sintetizirane foneme in morfeme. Izraz formant pojmuje nabor več različnih poudarjenih frekvenc zvoka, ki simulirajo resonance človeškega vokalnega trakta. Te frekvence so za vsak posamezni fonem drugačne in jih v praksi lahko poudarimo s pomočjo pasovnih filtrov, ki ojačujejo signal pri ozkem izbranem pasu frekvenc. Poslušajmo, kako z zgoraj opisano sintezo zvoka dobimo formante samoglasnikov A, E, I, O, U. Začnimo z žagasto obliko signala, ki ji nato dodamo dodatna oscilatorja pravokotne oblike.
Takšen signal dovedemo do pasovnega filtra, ki poudarja določeno frekvenco. Prelet takšnega ozkega filtra skozi vse frekvence zvočnega spektra, ki ga ljudje slišimo, zveni takole:
A za denimo samoglasnik “A” moramo poudariti le določene frekvence, ki simulirajo resoniranje naših glasilk. Postavimo pasovna sita pri frekvenci 750 Hz in 940 Hz, nato pa z nizkopasovnim in visokopasovnim sitom filtriramo frekvence okoli tega področja.
Po podobnem principu postavljanja filtrov pri različnih frekvencah realiziramo še ostale samoglasnike:
Tako sintetizirane foneme je mogoče z boljšim nastavljanjem parametrov sit, dodatnimi modulacijami zvoka in izbiro izhodiščnih signalov oscilatorjev nekoliko popraviti in še bolje realizirati.
Formant sinteza zvoka zveni računalniško in ne proizvede naravnega človeškega tona glasu. Kljub temu pa lahko jasno razločimo posamezne zloge tudi pri hitrejšem računalniškem govoru. Zaradi relativno enostavne obdelave signalov uporablja takšna sinteza malo spomina in procesorske moči ter je lahko implementirana v manjših sistemih.
Za sintezo govora, ki je bolj podoben človeškemu, pa uporabljamo konkatenacijsko oziroma spajalno sintezo. Ime je dobila zaradi spajanja posameznih segmentov predhodno posnetega govora. Vsebina posnetih segmentov se v različnih spajalnih govornih sistemih razlikuje. Segmenti lahko podobno kot pri formant sintezi vsebujejo le posnetke fonemov in fonemskih parov, ki se pogosto pojavljajo v jeziku.
Konkatenacijski sistemi počasi izginjajo, saj zaradi spajanja zelo kratkih posnetkov zvenijo nekoliko robotsko in niso dobro razumljivi. Za posamezne segmente je zato bolje uporabiti izgovorjene besede in določene fraze. Tovrstni govorni sistemi so večinoma v uporabi le v določene namene, kot naprimer za oznanjanje prihodov vlakov in avtobusov, kjer je nabor besed in fraz relativno majhen in se ponavlja.
Trenutno najboljši govorni sintetizatorji uporabljajo za segmente kombinacije posnetkov fonemov, zlogov, morfemov, besed, fraz in stavkov. Ti segmenti so v podatkovni bazi razvrščeni na podlagi akustičnih parametrov, kot so višina glasu, trajanje, položaj zloga v besedi, in podatkov o ujemanju s sosednjimi segmenti. Ko takšen sistem zaženemo in želimo, da izgovori neki stavek, sistem na podlagi vrstnega reda v razvrstilni tabeli odloči, katere segmente bo uporabil in jih spoji. Takšno obliko sinteze uporablja veliko sistemov za generacijo govora, med njimi je najbolj znana Applova Siri:
Zaradi vseh teh posnetih segmentov podatkovna baza takšnega govornega sistema porabi veliko prostora, algoritem za izbiranje segmentov pa zdaleč ni enostaven.
Na področju sinteze govora je nedvomno potrebno še veliko izboljšav, saj za dobro reproduciranje človeškega glasu ne potrebujemo le jasno izgovorjenega glasu, temveč tudi intonacijo in barvo glasu.
Pri sintezi zvoka in govora ves čas govorimo o posnetkih in signalih, torej o električnih veličinah. A ker električnih signalov ne moremo direktno vklopiti v svoje možgane, je takšne signale treba pretvoriti v zvočno valovanje, ki ga slišimo z ušesi.
Da bi lahko razumeli, kako ta pretvorba deluje, je treba razumeti, kaj je zvočno valovanje. Zvok je mehansko valovanje, ki za širjenje potrebuje prenosni medij. Običajno je to zrak, ki se pod vplivom izvora zvoka krči in razteza. Raztezanje in krčenje zraka privede do lokalne spremembe tlakov v zraku, ki jih človeško uho zazna in pretvori nazaj v električne impulze, ki potujejo do naših možganov. Kako hitre in močne so spremembe tlakov, definirata dve lastnosti zvoka. Hitrost spreminjanja je povezana s frekvenco valovanja, moč pa je podana z jakostjo zvoka.
Človeško uho, ko je še mlado, zazna od 20 do 20.000 sprememb na sekundo, ki definirajo frekvenčno obseg zaznave od 20 do 20.000 Herzov. Frekvenčni obseg zaznave se zmanjšuje s staranjem in dolgotrajnimi obremenitvami ušesa. Glasnosti zvoka, ki jih človeško uho lahko zazna, podajamo v decibelih. Te podajajo razmerje med lokalnim pritiskom zraka zaradi zvočnega valovanja in povprečnim pritiskom zraka. Višja, kot je številka, močneje zvok pritiska na naše bobniče, kar občutimo kot glasnejši zvok. Človeško uho lahko dolgotrajno prenese glasnost zvoka pod 85-imi decibeli, kar je približno glasnost podzemne železnice. Najglasnejši zvok, ki ga lahko kratkotrajno slišimo, je omejen na 130 decibelov, glasnejši zvoki pa povzročajo bolečine in trajne poškodbe slušnih organov.
Kako hitro bo zvok prišel od izvora do poslušalca, je odvisno od medija, po katerem potuje. Tako je v zraku omejen na približno 343 metrov na sekundo, medtem ko v vodi doseže približno 1500 metrov na sekundo. Če se gibljemo hitreje od zvoka, smo prebili tako imenovani zvočni zid.
A vrnimo se nazaj k električnim signalom in si poglejmo, kako jih lahko pretvorimo v zvočno valovanje. Zapis zvoka je lahko shranjen bodisi v analognem bodisi digitalnem formatu. Če je zvok shranjen v analogni obliki, kot je to na vinilni plošči ali kaseti, ga moramo ojačiti in preko žic poslati do zvočnikov. Pri zvoku, posnetem v digitalni obliki, ga moramo najprej pretvoriti z digitalno-analognim pretvornikom nazaj v analogni signal, ki ga nato pošljemo v ojačevalnik in končno v zvočnik. Digitalni signal je namreč posnetek, ki ima vrednosti zabeležene samo v določenih diskretnih časovnih točkah. Številko točk, pri katerih je analogna vrednost pretvorjena v digitalno, je podano z vzorčno frekvenco. Če želimo digitalni signal verodostojno pretvoriti nazaj v analogni, mora biti ta vzorčen s frekvenco, ki je vsaj dvakrat višja od najvišje 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 CD-je, definira pretvorbo analogne vrednosti 44.100-krat na sekundo, kar povsem zadostuje za popolno frekvenčno reprodukcijo posnetega zvoka. Glasnost zvoka je v digitalni obliki zajeta s številom bitov pri vsaki pretvorbi. Vsak vzorec je na CD-ju predstavljen s 16-bitno številko, kar nam omogoča 65.535 različnih stopenj glasnosti. Da bi številske vrednosti digitalne reprezentacije zvoka pretvorili v zvezno obliko signala, jih moramo poslati v digitalno-analogni pretvornik. Ta poskrbi, da se diskretne binarne vrednosti spremenijo v tok, primeren za prenos po žicah do ojačevalnika in zvočnikov.
Zvočnik je naprava, ki pretvori elektromagnetno valovanje v gibanje membrane, kar povzroči gibanje zraka, ki ga naše telo dojame kot zvok. Gibanje membrane iz elektromagnetnega valovanja ponovno povzroči elektromagnetna indukcija. Lepota elektromagnetne indukcije je, da deluje v dve smeri. Pri mikrofonu nam pretvori mehansko gibanje membrane v elektriko, pri zvočnikih pa električni tok povzroči gibanje membrane, ki povzroči zvok. Ko se tok giblje skozi veliko ovojev žice - tuljavo, ki je nameščena na zvočniško membrano - se pojavi magnetno polje. To polje se s časom spreminja, njegov potek pa je določen s potekom toka skozi žico na membrani. V bližini tuljave je v zvočniku magnet s konstantnim magnetnim poljem. Polje tuljave in polje konstantnega magneta se odbijata in privlačita glede na potek toka v tuljavi. Ta interakcija se prenese kot mehanska sila na membrano, ki povzroči gibanje zraka, ki ga dojamemo kot zvok.
Da verodostojna reprodukcija zvoka iz zvočnika ne bi bila tako preprosta, poskrbi kompleksnost narave. Za doseganje enakih glasnosti pri različnih frekvencah potrebujemo različne jakosti zvočnega valovanja. Tako potrebujemo za ustvarjanje tonov nizkih frekvenc več moči kot za ustvarjanje visokih frekvenc. To se odraža tudi v izdelavi zvočniških sistemov. Ti so mnogokrat sestavljeni iz več zvočnikov, različnih velikosti. Tako potrebujemo za ustvarjanje basovskih tonov velike zvočnike, ki so sposobni ustvariti velike spremembe v zračnem tlaku pri nizkih frekvencah. Za ustvarjanje enakih sprememb v tlaku pri visokih frekvencah pa zadostujejo zvočniki majhnega premera in majhnih moči. Za popolno reprodukcijo zvoka so tako dobri zvočniški sistemi sestavljeni iz velikega števila različno velikih zvočnikov, ki so optimizirani za različna frekvenčna območja.
Za razliko od zvočnikov pa pri slušalkah po navadi ne opazimo večjega števila pogonskih enot. Slušalke so namreč namenjene uporabiu v neposredni bližini ušesa. Tako moramo za zagotavljaje ustrezne glasnosti premikati samo majhen volumen zraka med ušesom in slušalko. Ker je količina zraka majhna, so tudi majhni zvočniki v slušalkah zadostni, da ustvarijo ustrezen tlak pri nizkih frekvencah in s tem enakomerno glasnost v celotnem frekvenčnem območju.
Prvo oddajo o zvoku s tem zaključujemo. Danes smo se z glasom sprehajali od možganov do glasilk in od prvih glasov neandertalca v računalniško prihodnost. V naslednji oddaji Frequenza della scienza pa boste izvedeli, kako je s sluhom, sprejemanjem zvoka in mikrofoni. Nocoj smo zvok oddajali, da ga bomo čez štirinajst dni sprejemali.
V oddaji smo bili glasni Arne, Maja, Ian, Rok in Urša.
Dodaj komentar
Komentiraj