A hangok birodalma

A hangok birodalmában élünk. Körülvesznek minket éjjel-nappal, még a teljes csendben is.
Csak egy részüket halljuk, egy bizonyos frekvenciatartományt (16Hz-20kHz), de a többi is hatással van ránk. Nagy intenzitással a hallhatónál "mélyebb" (infrahang) és "magasabb" (ultrahang) hangok egyaránt károsak lehetnek, bár fülünk nem érzékeli azokat.

A hang, a fényhez hasonlóan, hullámjelenség, de terjedéséhez a fénnyel ellentétben közegre van szükség.

Öveges tanár úr a hangokról...

A hangokkal kapcsolatos részletek Öveges József: Érdekes fizika című könyvéből...

A hang nem hallatszik nagyon messzire.
Ha az utcán két ember csendesen beszélget, 10-15 m-nél nem hallatszik messzebbre.

	A puskalövés legfeljebb 2-3 km távolságból hallatszik.
	A mennydörgés is aránylag csekély távolságra: 5-6 km-re hallatszik.

A hang terjedése közben a részecskék mozgása súrlódással jár, ennek legyőzése pedig munkavégzést kívánt. Mennél távolabb jut el a hang, egyre gyengül, végül teljesen megszűnik, energiája pedig hővé, hőenergiává alakul.
A magas hangok rezgésszáma nagy, a mélyeké kevesebb. Amikor a magas hangok terjednek, akkor azokat a levegőben lévő részecskéket igen sokszor kell ide-oda mozgatni. A mély hangok terjedésük közben kevesebb munkát végeznek.
A magas hangok tehát nem terjednek olyan messzire, mint a mély hangok.
Ezért van az, hogy ha közeli a villám, akkor reccsenő, éles hangot hallunk, ha távoli, akkor csak mély dörgést. A közeliben benne vannak a magas és a mély hangok is, ámde a hang terjedése közben egymás után maradnak el belőle a szapora rezgésű, magas hangok vagy legyengülnek. Végül csak a kevés rezgésszámú, mély hangok maradnak meg.
Ugyanezzel lehet magyarázni, hogy a visszhang mélyebb hangon felel: amíg a hang eljut a visszaverő felületig és onnan vissza, azalatt elnyelődnek belőle a magas hangok, csak a mély hangok maradnak meg.

Tegyünk órát az asztalra, olyan messzire, hogy ketyegését egyáltalán ne halljuk a levegőn keresztül. Ezután szorítsuk fülünket az asztalra, halljuk a ketyegést.
Általános tapasztalat, hogy a hang fában, vízben, acélban terjedve sokkal kevésbé gyengül az erőssége, mintha a levegőben terjed. Pl.: a csengő hangja a levegőben 200 m-re hallatszik. Ha a csengő a víz alatt kapna ugyanekkora ütést, akkor az 400 m-re hallatszana el.
A cseppfolyós anyagokban, szilárd testekben a molekulák szorosabb kapcsolata miatt a részecskék könnyen át tudják adni egymásnak a rezgést.
A hang erejének csökkenéséhez az is hozzájárul, hogy a hangrezgések minden irányban haladnak, ezért rohamosan növekvő térrészben oszlanak szét. Ha megakadályozzuk, hogy a hang szétterjedjen, akkor sokkal messzebbre hallatszik.
Függesszünk fel egy órát, és álljunk tőle olyan messzire, hogy ne halljuk ketyegését. Ha egy csövet tartunk a fülünk és az óra közé (ábra), akkor a ketyegést újra halljuk, mert a cső fala megakadályozta a hangrezgések tovaterjedését.

Falun, vagy más csendes helyen lévő lakásokban, amikor nagy a csend, néha hirtelen megrezzen az ablak.
Az ablaküveg gyakran nem áll szilárdan a keretben, könnyen rezgésbe jöhet, ha valami meglöki. De vajon mi?
Ha a hangok rezgésszáma másodpercenként 16, akkor fülünk már nem hallja, de még ekkor is erősen megrezegtetheti az ablakot, ha rezgésszámuk egyenlő.

Azt mondják, hogy ha belehallgatunk egy kagylóban, halljuk a tenger morajlását. Ez persze nem igaz. Akkor is ugyanezt halljuk, ha egy pohárba, vagy befőttesüvegbe hallgatunk bele.
Körülöttünk soha sincs tökéletes csend, még éjszaka sem. Alig hallható vagy éppen teljesen hallhatatlan hangok sokasága vesz körül minket. A pohár, befőttesüveg a hozzáérkező sokféle hangrezgés közül kiválasztja a saját rezgésének megfelelőt, azzal együtt rezeg, az a hang megerősödik és hallani fogjuk.

Ha egy lámpacilindert vagy hasonló csődarabot egy vízzel telt edényben lassan egyre mélyebben merítünk, azután lassan kihúzunk, majd újra mélyebbre merítünk, és közben a fülünket a nyílásához tartjuk szirénaszerűen változó magasságú hangot hallunk.

Az animációban egy a lámpacilinderbe helyezett mikrofonnal rögzített hang hallható. A start gombbal indítható. A képre kattintva visszaáll az elejére és a gombbal újra elindítható. "Miközben a csövet mélyebbre merítjük, a csőben hallható hang egyre magasabb, ha kijjebb húzzuk a csövet a vízből, a hang egyre mélyül - Ha fel-le mozgatjuk a csövet, úgy változik a hangmagasság, mint a vész-sziréna hangja. Valóban "szirénázik" a csend. Ez a kísérlet azt bizonyítja, hogy a látszólagos mindennapi csendben is a legkülönbözőbb rezgésszámú hangok vannak jelen és a lámpacilinderben (vagy más csőben) levő hol rövidebb, hol hosszabb levegőoszlop mindig más magasságát emel ki és erősít fel a hangok közül. Így lehet megszólaltatni a "csend hangjait".

Az emberi hangban sokféle hang szól együtt, amikor fülünk csak egy hangot hall. Ezek a kísérő hangok a felhangok.
Ezért is lesz más az ember hangja, ha elveszíti fogait, megváltozik az egyik-másik felhang erőssége, más lesz a hangszínezet.
És ezért változik meg a telefonban, rádióban stb. a hang. Ugyanis ezek a szerkezetek csak a hang alaprezgését továbbítják, a felhangokat nem teljesen.

Zenefizika

A hangszerek hangképzésük módja szerint csoportosíthatók húrrezgésen alapuló, pálcarezgésen alapuló, membránok rezgésén alapuló, fúvós és elektronikus hangszerekre.

(Fizikai tulajdonságaik az adott címszónál részletesebben megtalálhatók.)

Fúvós hangszerek

Működésük légoszlopok vagy légárammal gerjesztett nyelvek rezgésén alapszik.

Csoportosításuk:
- Ajaksíp a fuvola és az orgonasípok egyik csoportja.
- Fémnyelvű síp az orgonasípok másik csoportja és légárammal rezgésbe hozott fémnyelveket tartalmaz a harmónium, a szájharmonika és a húzós harmonika.
- Nádnyelvű sípok (egyszeres nyelvvel) a klarinét, a szaxofon és a tárogató; (kettős nyelvvel) az oboa, az angolkürt és a fagott.
- Tölcséres fúvókájú hangszerek, (amelyeknél a zenész ajkai helyettesítik a rezgő nyelveket) a vadászkürt, a ventilkürt, trombita, harsona, stb.
A csak egy sípból álló hangszereknél a különböző hangokat többféle módon képzik:
- A fafúvós hangszereknél (pl. fuvola, oboa, klarinét, fagott) a zenész a cső falán lévő nyílásokat ujjaival nyitja vagy zárja, így változtatja a légoszlop magasságát.
- A rézfúvós hangszerek közé tartozó harsonánál ezt a változtatást egymásba illő csövek széthúzásával és összetolásával oldják meg, más hangszereknél pedig szelepek (ventilek) segítségével toldalékcsöveket kapcsolnak be és ki.
- Az orgona nagyon sok sípot tartalmaz, amelyek hangszínük alapján vannak csoportosítva, ezeket együtt megszólaltatva rendkívül változatos hangszínezet érhető el.

Húrrezgésen alapuló hangszerek

Hangkeltésük alapja az, hogy a húr rezgésekor keletkező hanghullámok átadódnak a levegő részecskéinek, azok sűrűsödése-ritkulása továbbítja a hangot, mondhatjuk úgy is, hogy az maga a hang.
A rezgés során a húr két rögzített végpontja helyben marad (ezek a csomópontok).
A húr többi pontja egyszerre mozog, ugyanannyi rezgést végez 1 másodperc alatt, tehát azonos frekvenciájúak.
A húr különböző részeinek maximális kitérése (amplitúdója) a rezgés során eltérő. A legnagyobb amplitúdójú rezgést végző hely a duzzadóhely.

Csoportosításuk:
- vonósok a hegedű, brácsa (mélyhegedű), cselló (gordonka), nagybőgő és alfajaik;
- pengetettek pl. a lant, gitár, mandolin, balalajka és a hárfa;
- verővel ütött húros hangszerek a cimbalom, zongora és a csembaló.
Az ütött hangszerekben minden hangnak külön húrja van, a vonósokban és a pengetettek egy részében a különböző hangokat a húrok hosszának változtatásával (húrok lefogása) képzik.

Pálcarezgésen alapuló hangszerek

Hangkeltésük alapja az, hogy a rezgésekor keletkező hanghullámok átadódnak a levegő részecskéinek, azok sűrűsödése-ritkulása továbbítja a hangot, mondhatjuk úgy is, hogy az maga a hang.
A rezgés során a pálca különböző azonos frekvenciával, de eltérő kitéréssel (amplitúdóval) rezegnek.
A rezgés módja függ a pálca rögzítettségétől is.

Az úgynevezett idiofon hangszerek csoportját a pálcákat tartalmazó harangjáték (cseleszta), xilofon, triangula, stb. valamint a lemezrezgéseket felhasználó harang, réztányér, tamtam, stb. tartoznak.

Membránok rezgésén alapuló hangszerek

Kétdimenziós hangforrások.
A dob membránjának alaphangját az animációban látható rezgési mód határozza meg.
Erre rakódnak rá a membrán torzulásai miatt jelentkező felharmonikusok, amelyek a dobra jellemző hangszínt adják.

A membrafon hangszerek közé tartoznak a különféle dobok.

Egy régi sámándob és egy mai dobfelszerelés...

Az utóbbi két csoport hangszereinek a felhangjai általában nem harmonikusak, és az igen sok és közel egyenlő intenzitású felhang folytán nem meghatározott hangmagasságúak, hanem "semleges hangúak".

A hangszerek precíz mechanikai kialakítása, méretezése rendkívül fontos a megfelelő hangzás kialakításában.
Egy fúvós hangszer pl. egy kűrt esetén rendkívül lényeges a hangszer fém tölcsérének pontos alakja, sima felülete. Ha bármilyen eltérés, felületi egyenetlenség található rajta az hullámforrásként jelentkezik és "színezi" a hangot, megváltoztatja a felharmonikusok összetételét.
Ezért képesek hozzáértő, "jó fülű" emberek megkülönböztetni a különböző márkájú hangszerek hangját egymástól.
Ugyanez a helyzet mondjuk egy hegedű esetén is.
A hegedű fa testének kialakítása, a fa anyaga, a lakkréteg, a ragasztás, az esetleges deformációk mind-mind befolyásolják a hangszer végső megszólalását.
Nem véletlenül olyan drága egy nagyon jó minőségű hegedű vagy más hangszer.

A zene(kar) megszólalását a helyszín is befolyásolja.
Nem mindegy, hogy szabadtérben vagy egy helyiségben szólalnak meg a hangszerek.
Az sem mindegy, hogy milyen annak a helyiségnek a mérete, alakja, milyen felületek (anyagok) borítják.
Az épületakusztika foglalkozik az előadótermek a hangok szempontjából megfelelő kialakításával.

Egy kis hangrögzítéstörténet

A hangrögzítés technikája sokat változott a fonográf óta. Ma már egyértelmű kiütéssel győzött a digitális rögzítési technika, a CD és egyre inkább az egyebek (mp3).
Nézzük meg egy kicsit hogyan fejlődött a hangrögzítés 1877 a fonográf feltalálása óta.

"Mechanikus" hangrögzítés

Hosszú időn keresztül a "mechanikus" hangrögzítés volt az egyedüli lehetőség.
Először az Edison által szabadalmaztatott fonográfot használták (Bartók Béla még ezen rögzített népzenét.)

A z ábrán a "mechanikus" hangrögzítés fizikai elve látható:
A tölcsér alján lévő tű az elmozduló homokfelületre rajzolja a hangrezgés képét.

Később megjelentek a tölcséres gramofonok, majd szépen fokozatosan az erősítővel ellátott, egyre korszerűbb mikrobarázdás, sztereó hanglemezjátszók, de az elv ugyanaz maradt.

Egy hanglemez barázda erősen nagyított képe.

A tölcséres gramofonnál a tű rezgését egy membrán veszi át és a tölcsér, mint "akusztikus erősítő" teszi hallgatható hangerejűvé.

A korszerűbb lemezjátszókban egy hangszedőt (pick-up) alkalmaznak. Ez elektromos jelekké alakítja a mechanikus rezgéseket, amit az erősítő elektronikus úton "felfokozva" juttat el a lánc másik végén lévő hangszóró(k)hoz, ahol az elektromos jelek visszaalakulnak hangrezgésekké.

Egy mozgómágneses (MM) hangszedő elvi felépítése.

A gramofon "fejlődéstörténete"

Mágneses hangrögzítés

Aztán a hanglemez mellett megjelent a mágneses hangrögzítés (magnetofon).
Eleinte egy vashuzalra, később műanyag szalagra felhordott nagyon apró vas-oxid szemcsékre, vagyis magnószalagra rögzítették a hangot.

A vas-oxid szemcsék elemi mágneseinek "átrendezésével" jelenik meg a "hanginformáció" a szalagon. A képen lévő két sáv a sztereo bal-jobb csatornák mágneses hangképe.	A magnófej, egy vasmagos tekercs, amin egy nagyon vékony rés van, elvi felépítése a baloldali ábrán látható.

A fej "írja rá" illetve "olvassa le" a mágneses jeleket a magnószalagra.
Felvételnél az erősítőből érkező elektromos jeleket alakítja mágneses jelekké. Lejátszásnál a mágneses jeleket alakítja elektromos jelekké az erősítő számára. Innentől kezdve ugyanúgy, mint az előbb a "korszerűbb" lemezjátszók esetén, az erősítőből jutnak az elektromos jelek a hangszóró(k)ba, hogy hallható hanggá alakuljanak.

A képen a 80-as évek jellemző orsós és kazettás magnetofonjai felülről lefelé:
Diktafon
Kazettás riportermagnó
Kazettás deck
Félprofi (három motoros, három fejes szalagos magnó
Jobbra mellette egy háromfejes szalagos "házimagnó"
Alul egy stúdiómagnó

Mindkét fentebb említett eljárás analóg.
Az alábbiakban nézzük meg a "másik fajta", a ma már egyeduralkodó digitális rögzítés elvét.

Digitális hangrögzítés

A "természetes" információhordozók: a hang, a fény, elektromágneses hullámok stb., analóg jelek, amelyek valamely rezgés amplitúdójának időbeni változásaként írhatók le. Grafikusan ez általában szabálytalan hullámok sorozataként ábrázolható.
Az analóg jelek érzékelése, feldolgozása, rögzítése, visszajátszása során minden egyes láncszem valamilyen mértékben "beleavatkozik" a hangképbe, felharmonikusokat, torzítást, zajt visz bele.
A felsorolt hibák kiküszöbölésére a modern hangtechnikai eljárásokkal az analóg hullámokat digitális jelekké (számokká) alakítják a következő módon:
A digitalizálóba érkező analóg (általában elektromos) hullámból szabályos időközönként (másodpercenként több mint 40 ezerszer) mintát vesznek.

A mintavételkor mért adatokat már mint egy számsort tekintik, amely egy adatfolyamot képez. A számok továbbítása és másolása sokkal egyszerűbb, mint a hullámformáké, megfelelő eszközökkel szinte torzítás és zaj nélkül történhet.

Ezeknek a jeleknek a rögzítéséhez a "hagyományos" eszközök (hanglemez, magnetofon) nem alkalmasak, mert lényegesen nagyobb jel mennyiséget kell rögzíteni.
Ezért a folyamat "elején", a stúdiótechnikában digitálismagnetofont alkalmaznak. Ez tulajdonképpen egy képmagnóhoz hasonlóan, forgófejjel rögzíti a digitális jeleket. A másik módszer számítógép alkalmazása és merevlemezen történő rögzítés.

A "fogyasztókhoz" CD formájában juthat el a digitálisan tárolt hang. Ezen apró gödröcskék ("pit") jelentik a digitális információt (baloldali ábra), egy tükröző réteg található mögötte. Lézersugár "olvassa" az információt. Ahol nincs gödör ott visszatükröződik a fénysugár, ahol van gödör ott szétszóródik. Ezzel biztosítható a digitális technika lényege (van jel ("igen") - nincs jel ("nem").
(Újabban inkább letöltik az internetről és mp3 lejátszón vagy mobiltelefonon hallgatják a digitális zenét.)

Működésének elve látható az alábbi animáción.

Az analóg jel visszaállításához az adatokat egy digitális-analóg átalakítóba küldik, amely a digitális jeleknek megfelelő kimenő feszültségeket ad. Az így kapott hullámforma általában nagyon jól egyezik az eredetivel.

Ezután már nincs más tennivaló, mint a kapott analóg jelet erősítőre és onnan a hangszóróra (fülhallgatóba) küldeni és visszakapjuk a hangot.

A hangrögzítési és visszanyerési folyamatok azért nem ennyire egyszerűek, de én itt csak a fizikai elvekkel foglalkozom.
Összegezve valamennyi jelenleg használt hangrögzítési, reprodukálási technika lépései:
- a hangrezgések elektromos jelekké alakítása (mikrofon, gitár pickup, stb.)
- az elektromos jelek rögzítése valamilyen jelhordozón (a "hagyományos" hanglemezen "mechanikus jelekké" alakítva, a magnószalagon az elektromos jelek mágneses jelekké alakításával, a CD-n a digitális jelek "gödrökké" alakításával optikai úton, stb.)
- a rögzített jelek visszaalakítása elektromos jelekké az erősítéshez
- az elektromos jelek hanggá alakítása a hangsugárzókban (hangszórókkal).

Az eredmény remélhetőleg valami hasonló levegő sűrűsödés-ritkulás, mint amit az eredeti "hangkeltő eszközök" (hangszerek, emberi hang, stb.) keltettek.

Hifizika

A hangok tökéletes reprodukálása sem egyszerű feladat.
Nézzünk például egy olyan, egyszerűnek tűnő eszközt, mint a hangsugárzó (hangdoboz, hangfal). Millió számra készítik mindenféle típusaikat szerte a világon, de igazán tökéleteset lehetetlen készíteni.
Csak néhány "apróság" ami bonyolítja a dolgot:
- Olyan hangszórót készíteni, ami a teljes hallható hangtartományt (16Hz-20kHz) képes lesugározni lehetetlen. Ennek fizikai okai vannak.
A magas hangok másodpercenkénti rezgésszáma nagyon magas, csak kis méretű membrán képes ilyen gyors rezgésre.
A mély hangok keltéséhez viszont aránylag nagy, merev membrán felület szükséges, ami nem képes magas rezgésszámot követni.

- A fentiek miatt legalább két, sok esetben három hangszórót alkalmaznak az "átlagos" hangsugárzókban.
Így viszont valamilyen módon "szét kell választani" a különböző frekvenciákat, hogy a megfelelő hangszóróra csak az általa optimálisan megszólaltatható hangmagasság tartomány kerüljön. Ezt valamilyen "keresztváltóval" (RC - tekercs, kondenzátor egység) oldható meg. Ennek minősége, kialakítása (is) jelentősen befolyásolja a hangsugárzó minőségét, hangzását.

Az ábrán egy szétszedett "háromutas" (három hangszórós) hangsugárzó látható (alul balról jobbra látható sorban a mély-, a közép- és a magassugárzó hangszóró), a dobozban belül látszik a keresztváltó egység.

- Az ideális megoldás az lenne, ha egy meghatározott frekvencián tökéletesen "elvágná" a hangokat ez a keresztváltó és mindegyik hangszóró csak a saját tartományában "szólna". Ilyen azonban csak a mesében létezik, ezért a "váltási frekvencia tartomány" körzetében egy kicsit "beleszólnak" egymás hangtartományába és ez általában "nem tesz jót a természetes hangzásnak".

Az alábbi ábrán jól látszik, hogy a gyakorlatban, még egy ilyen jó hangdoboz esetén sem valósul meg az "ideális" keresztváltó.

- Nagyon lényeges a doboz kialakítása is. A mélyebb hangok sugárzását döntően befolyásolja a doboz kialakítása, saját frekvenciája.
Ha valaki próbálta már "menet közben" kiemelni a mélysugárzó hangszórót a dobozból, biztosan nagyon meglepődött mennyire "eltűnik" a mély hangja.
Az is rendkívül lényeges, hogy a dobozban minden megfelelően rögzített, stabil legyen. Ha bármi mozogni, rezegni tud annak "tragikus" következményei lehetnek a hangképre.

A "megrögzött hifisták" szerint még most is csak a "jó öreg bakelit lemez" az igazán "highend".
Természetesen ennek megítéléséhez elég jó (drága) cucc, meg elég "vájtfül" kell.
Annyi "fizikai alapja" azért lehet a dolognak, hogy az emberi hallás alapvetően analóg. Nem szereti a "durva belenyúlásokat" a hangképbe. Márpedig a digitális technika elég drasztikus vágásokat, szűréseket alkalmaz.
A hagyományos hanglemez esetén úgy 16 kHz fölött elkezd szépen lecsökkenni az átvitel, viszont mindez szép fokozatosan történik, és egészen kis intenzitással akár 30 kHz-es hangok is előfordulnak a hangképben. Ez a 16 kHz fölötti tartomány a legtöbb ember számára (főleg idősebb korban) már teljesen hallhatatlan, de mint felharmonikus változtat a hangzáson.
Zenész sógorom szerint pl. nem szabad DDD-s komolyzene lemezt venni, csak AAD-st. Vagyis "magyarra fordítva" a digitálisan felvett, kevert és rögzített felvételek szerinte "művien" szólnak és ő csak a "hagyományos" analóg módon rögzített, kevert zenei felvételeket szereti hallgatni, de a bakelit lemezt, kényelmi okokból, már nem használja (meg persze azért mert már csak nagyon kis sorozatban gyártják, méregdrágán lehetne venni).

Szóval mindenki döntse el, hogy miben hisz, mennyit szán zenehallgatásra,.....

Ezt az összeállítást évekkel ezelőtt készítettem. Most (2012. november 2.) kicsit más a helyzet. Már aligha lehet AAD-s lemezeket kapni. Ugyanakkor újra megjelentek az "analóg" bakelit lemezek. Egyfajta divat lett.
Én már elég régen nem hallgatom, mert egy korábbi probléma miatt kiiktattam a RIAA korrektort az erősítőből és még nem került vissza. Az sem kizárt, hogy a jó öreg lemezjátszóm már eléggé nyávogna, mert a gumi hajtószíj sem örökéletű sajnos.
Hihetetlen gyorsan változik minden. Lassan már a CD is eltűnik. Mostanában mindenféle elektronikus kütyükön, leginkább okostelefonokon hallgatnak zenét MP3 formátumban. Én is leggyakrabban a számítógépemről.
Azért néha, amikor igazán jó zenét akarok hallgatni, beröffentem a jó öreg QUAD 405-ös erölködőmet és meghallgatok valami dögös CD-t.

Felhasznált irodalom