Ugrás a tartalomhoz

Általános pszichológia 1-3. – 1. Észlelés és figyelem

Csépe Valéria, Győri Miklós, Ragó Anett

Osiris Kiadó

A hangok létrejötte

A hangok létrejötte

A hangok terjedése a fénytől eltérően nem közvetlenül (a szemünket érő fény valóban a Napból származó fotonokból áll), hanem közvetetten valósul meg, a hanghullámok révén. A hanghullámok a levegő részecskéinek sűrűsödéséből és ritkulásából állnak. Képzeljük el, hogy mi történik akkor, amikor például egy hangvillát megütünk, és az mozgásba jön, ezáltal hangot bocsátva ki (8.2. ábra).

8.2. ábra. A hanghullámok keletkezése. A hangvilla szárainak mozgása a levegő részecskéinek sűrűsödését és ritkulását okozza, és az így létrejövő mozgási energia továbbítása vezet a hanghullám kialakulásához

Amikor a villa szára előremozdul, összetömöríti a vele szomszédos levegőmolekulákat. Ezek a normálállapotba való visszajutás érdekében továbbítják ezt az energiát a szomszédos molekuláknak, azok a saját szomszédos molekuláiknak, és így tovább. A hangvilla szárának ellentétes irányba való elmozdulása éppen ellenkezőleg, ritkulást hoz létre a molekulák között, ami azonban ugyanúgy továbbítódik a levegőrészecskék között. Maguk a molekulák azonban nem mozdulnak el, hanem valójában csak a rezgést adják át. A hanghullám tehát lényegében ennek a rezgési energiának a továbbítódását jelenti molekuláról molekulára, és a hullámforma a szabályos előre- és hátramozdulás révén alakul ki. Természetesen ez a mozgás nagyon gyors lehet, egy zenei A hangot kibocsátó hangvilla például másodpercenként 440 oda-vissza mozgást végez.

10.1. táblázat -

KONCERTTERMI AKUSZTIKA

A koncerttermi akusztika azzal foglalkozik, hogy egy terem mérete, formája és tartalma milyen módon befolyásolja a hallgatók hallási élményét. Ahogy láttuk, a hangok interakcióban állnak a környezettel: a különböző felületeken elnyelődnek, illetve visszaverődnek. A koncerttermi akusztika témája, hogy hogyan lehet a hangok és a környezet interakcióját szándékosan befolyásolni annak érdekében, hogy a hallgatóknak minél tökéletesebb hallási élményben legyen részük.

A koncertterem akusztikája jelentős mértékben befolyásolja a hallott zenét vagy beszédet. Azt mondhatjuk, hogy a szabadtérhez képest egy terem „élővé” teszi a zenét. A szabadtérben a hangok közvetlenül a hangszerekből érkeznek, a zárt térben azonban a falakról, a padlóról, a plafonról és a közönségről visszaverődnek. Ennek hatására a hangok nemcsak hogy visszhangosak lesznek, hanem a spektrális tartalmuk is megváltozik. A koncerttermek egyik legfontosabb paramétere az utózengési idő, amely arra vonatkozik, hogy a hang a különböző felületekről való visszaverődést követően mennyi idő alatt hal el. Az utózengési időt elsősorban a terem méretei és az elnyelési tulajdonságai határozzák meg. Emiatt egy opera egészen eltérően szólhat télen, mint nyáron: télen ugyanis az operát hallgató közönség vastagabb ruhái jobban elnyelik a hangot, mint a könnyebb nyári ruhák.

A hang különböző terekben való terjedésével már az ókori görögök is foglalkoztak, sőt nagyon is jók voltak ebben. Gondoljunk csak az általuk épített amfiteátrumokra, amelyek ma is tökéletesen működnek. A koncerttermek akusztikájának tudományos igényű tanulmányozása azonban csak a 20. században kezdődött el, egészen addig főként a hagyományokon és szerencsén múlott, hogy sikerült-e egy kiváló akusztikával rendelkező termet létrehozni. Minden bizonnyal a koncerttermi akusztika tudományossá válása tette lehetővé azt, hogy világszerte egyre több és egyre jobb minőségű terem jöhessen létre.

A koncerttermi akusztikával kapcsolatban két, Magyarországon található termet szeretnénk illusztrációként bemutatni: egyrészt az egyik legrégebbi, már az akusztikai elvek figyelembevételével épült termet, a Magyar Rádió 1-es, illetve 6-os stúdióját, másrészt az egyik legmodernebb, az éppen aktuális akusztikai tudást felhasználó termet, a Bartók Béla Nemzeti Hangversenytermet.

1. ábra. A 6-os stúdió akusztikai próbája, az előtérben Doh- nányi Ernő és Békésy György

A Magyar Rádió 1-es és 6-os stúdiójának (1. ábra) kuriózuma, hogy az akusztikai felépítésüket Békésy György tervezte, az 1930-as években (Békésyről bővebben lásd a szövegdobozt a 256. oldalon). Békésy a zenei stúdió akusztikai kialakításában eredeti megoldásokat alkalmazott. A stúdió falait különböző hangvisszaverési tulajdonságokkal rendelkező anyagokkal borította be: egyrészt textilborítást alkalmazott, amely a hangok elnyelésére szolgált, másrészt pedig az egyik falfelületet márvánnyal burkolta be, amelynek hangvisszaverési hatékonyságát az eléje helyezett, szétnyitható és összehúzható függönnyel változtathatták. De lássuk, hogyan emlékezett vissza Békésy maga a hangstúdiók létrehozásának munkálataira:

„A Magyar Kir. Postának másik fontos feladata volt a rádióstúdiók méretezése és akusztikai megoldása. Mivel a külföldön eredményesen használt hangszigetelő és hangtompító anyagok javarészt amerikai eredetűek, és ezeknek a behozatalát a gazdasági viszonyok nem engedték volna meg, kénytelenek voltunk egészen új utakon járni.

Sok hangversenyteremről azt állítják, hogy rossz az akusztikája. Ha a zeneértőt megkérdezzük, hogy ez mit is jelent, válaszul általában a következőket hallhatjuk: száraz az énekesnő hangja, nem elég lágy a tenoré, annak dacára, hogy tegnapelőtt itt és ott gyönyörű volt, a szólistákat alig lehet hallani, a zenekar összefolyik.

Ezekkel a műszakilag nagyon nehezen megfogható jelenségekkel szemben viszont a hangversenyterem építője már a tervezéskor is pontos és részletes adatokat kíván.

Az első pillanatban szinte lehetetlennek látszik, hogy oly homályosan meghatározható érzetet, amely annyi különböző érzést foglal magában, és amelynek az eredőjét a terem akusztikájának nevezzük, számokkal lehessen jellemezni. Ennek dacára ez a kérdés ez idő szerint bizonyos fokig megoldódott.

A fizika régen bevált módszere szerint ugyanis a zeneteremnek is az energiaviszonyait vizsgáljuk. Ha példának okáért egy kürtöt állandó erősséggel megszólaltatunk, akkor a tüdő erejével hangenergiát állítunk elő. Ez a hangenergia a kürttől minden irányba terjed, eléri a falat, ott bizonyos fokig visszaverődik, tovább halad a szemben lévő falhoz, ahonnan szintén visszaverődik, és így tovább, addig, míg végül az egész terem nagyjában egyenletesen megtelik hangenergiával. A terem valóban hangenergiával van megtelve, és ezt úgy érzékelhetjük, hogy a kürt fúvásának hirtelen megszüntetése után a hang a teremben még mindig tovább zeng. A teremben felhalmozott hangenergia azért nem hangzik végtelen hosszú ideig tovább, sőt aránylag rövid időn belül eltűnik, mert a falon – visszaverődésekor – a hangenergia egy része mindig hővé alakul át, és így a fül számára elvész. A hangrezgést végző levegő részecskéi a fal felületéhez súrlódnak, energiájuk súrlódási hővé alakul át. Minél több likacsot és hajszálnyílást tartalmaz a fal felszínén alkalmazott anyag, annál nagyobb a súrlódás, és természetesen annál gyorsabban csökken a zeneteremben felhalmozott hangenergia.

Rendkívül hosszú és körülményes kísérletsorozatot kellett elvégeznünk ahhoz, hogy olyan anyagcsoportosítást találjunk, amely a magas frekvenciákat a kívánt kisebb mértékben nyeli el, mint a mély frekvenciás hangokat. sikerült egészen újfajta hangelnyelő anyagberendezést kidolgoznunk, amely lényegében megfelelő átitatással kellően merevvé tett ponyvával borított vattarétegből áll. Ezt a vatta-ponyva kombinációt, megfelelő keretekre szerelve és tűz ellen is biztosítva, a termek esztétikai kiképzésének megfelelően festhettük úgy, hogy a burkolat alig tért el észrevehetően a normálisan tapétázott faltól.

A legapróbb részletekre is kiterjedő munkát minden esetben akkor fejeztük be, ha akusztikai méréseink eredménye és a zenei szakértők érzékelése teljesen azonos volt. Állandóan szem előtt tartottuk a rádió-előfizetők ama jogos kívánságát, hogy a stúdió akusztikailag és rádióátvitel szempontjából csak akkor mondható kifogástalannak, ha a zene és a beszéd átvitelekor a stúdióban és az adóban előálló torzítások nagyságrendileg lényegesen alatta maradnak még a legjobb vevőkészülékben előfordulható torzításoknak is.” (Békésy 1978.)

A stúdiók építésekor, a harmincas években az akusztikai tervezés igen fiatal szakterület volt (az első, akusztikai szempontból is megtervezett hangversenytermet 1900-ban Bostonban adták át). Ám Békésy György már akkor olyan stúdiót tervezett, amely a maga nagyságrendjében ma is megállja a helyét.

A koncerttermi akusztika szempontjából másik nagyon fontos terem, a Bartók Béla Nemzeti Hangversenyterem (2. ábra) a már „érett” akusztikai tervezés egyik mintapéldánya.

2. ábra. A Bartók Béla Nemzeti Hangversenyterem

A termet az egyik legnevesebb akusztikai tervezőcég, az amerikai ARTEC tervezte, amely a világ számos országában épített már magas minőségi elvárásoknak megfelelő koncerttermeket. A terem maga úgynevezett „shoebox” (vagyis cipődoboz) formájú. Három különböző típusú terem létezik ugyanis: a „shoebox”, a „vineyard” (szőlőskert) és a „fan” (legyező) formájú. Ezek mindegyike eltérő hang-visszaverődési jellemzőkkel rendelkezik, és a shoeboxfor- mára az jellemző, hogy a hang jelentős mértékben visszaverődik a terem oldaláról.

A hangversenyterem impozáns méretekkel rendelkezik: 25 méter magas, 25 méter széles és 52 méter hosszú. Teljes befogadóképessége 1700 fő. A terem egyik legfontosabb jellemzője, hogy mind a zenekari pódium, mind az e mögött elhelyezkedő hangvető ernyő dinamikusan változtatható. A pódium mérete háromféle lehet, és szükség szerint zenekari árok kialakítását is lehetővé teszi. A hangvető ernyő, amely a nézőtér fölé is benyúlik, mozgatható szárnyakkal rendelkezik, amelyeknek köszönhetően emelkedni, süllyedni és forogni is tud. szintén az akusztikai hatás változtatását szolgálják a pódium és az oldalfalak mentén elhelyezkedő zengőkamrák, amelyek révén lehetőség van a terem térfogatának és így a visszaverődések tulajdonságának módosítására. A „hangstúdióként” is funkcionáló koncertterem teljesen körbefüggönyözhető, és ezáltal az utózengési idő egy másodperc alá csökkenthető. Ha azonban a zengőkamrák ajtajait kinyitják, akkor az utózengési idő akár négy másodperc is lehet.

A terem akusztikai jellemzőinek ezek a nagymértékű változtatási lehetőségei lehetővé teszik azt, hogy nagyon különböző stílusú zenei darabok a lehető legoptimálisabb akusztikai körülmények között szólaljanak meg, és ugyanúgy lehessen élvezni egy mindenféle hangosítás nélkül megszólaló áriát, mint egy hangszórókon keresztül áradó rockzenei koncertet.


A hanghullám tehát a légnyomás szabályos megváltozásából jön létre. A légnyomás változását ábrázolhatjuk egy olyan grafikonon, ahol az idő függvényében tüntetjük fel az adott időpillanatban mérhető légnyomás nagyságát. Ezt az ábrázolást oszcillogramnak nevezzük. A hangvillához hasonlóan szabályos rezgést kibocsátó tárgy a 8.3. ábrán látható, periodikus légnyomásváltozást hoz létre, amely matematikailag egy szinuszfüggvénnyel írható le.

Ahogy az ábrán is látható, a hanghullám három paraméterrel jellemezhető:

  1. A sűrűsödések és ritkulások nagyságával, vagyis a hangnyomással, ami lényegében a hanghullámot létrehozó elmozdulás nagyságát ragadja meg. A hangnyomást más néven hangerőnek is nevezzük, és az adott időpillanatban mért hangnyomást az amplitúdóval fejezzük ki.

  2. A sűrűsödések és ritkulások (azaz periódusok) időegység alatti számával, vagyis a rezgésszámmal. A rezgésszámot az időegység alatti rezgések számával, más néven a frekvenciával fejezzük ki.

  3. A hanghullám időtartamával. Az időtartamot szokás a fázissal is jellemezni. A fázis azt fejezi ki, hogy egy adott ponthoz képest (például ahol a hullámforma előszörmetszi az x tengelyt) egy teljes periódus mekkora része telt el. A fázis azért fontos mérőszám, mert a hang időtartamánál pontosabban (valójában attól függetlenül) jelzi, hogy a kezdőponthoz képest mennyit változott a hanghullám.

A hangvillás példánknál maradva azt mondhatjuk, hogy minél erőteljesebben rezegnek a villa szárai, vagyis minél nagyobb a kitérésük a nyugalmi helyzethez képest, annál nagyobb amplitúdójú hangot hoznak létre. Illetve minél gyorsabban rezegnek a villa szárai, annál nagyobb lesz az időegységre jutó rezgések száma, vagyis a frekvencia.

8.3. ábra. Szabályos rezgést kibocsátó tárgy hanghullámának oszcillogramja

A hanghullámok jellemzői – hangerő és rezgésszám

Egy adott hang tehát leírható három érték: az amplitúdó-, a frekvencia- és a fázisértékek megadásával. A fázissal itt részletesen nem foglalkozunk, csak annyit jegyzünk meg, hogy a fázis által jelzett időtartam is nagyon fontos a hangok észlelésekor, mivel csak olyan hangokat észlelhetünk, amelyek bizonyos időtartammal rendelkeznek. Számunkra elsősorban a hangok amplitúdója és frekvenciája lesz fontos, mivel – mint később látni fogjuk – elsősorban ez a két paraméter határozza meg a hangok észlelt jellemzőit. Az észlelt hangok két fő tulajdonsággal jellemezhetők: a hang hangosságával és magasságával. Például egy zongora hangja e két tulajdonság mentén változhat: ha nagyobb erővel ütjük le a billentyűt, akkor hangosabb lesz a hang, ha viszont egy másik billentyűt ütünk le, akkor magasabb vagy mélyebb. A továbbiakban a hangmagasság és hangosság kifejezéseket fogjuk használni a hangok észlelt tulajdonságainak leírásához, szemben a hangok fizikai jellemzőinek leírásakor használt frekvencia és amplitúdó kifejezésekkel. A későbbi fejezetek során látni fogjuk, hogy nagyon fontos különbséget tennünk a fizikai és az észlelt tulajdonságok között, mivel ezek nem mindig feleltethetők meg pontosan egymásnak. Ennek ellenére általánosságban igaz az, hogy a hang amplitúdója szolgál a hangosság észlelésének alapjául, a hang frekvenciája pedig a hangmagassággal áll kapcsolatban. Ezt a viszonyt a 9. fejezetben fogjuk pontosabban bemutatni, itt egyelőre csak a fizikai jellemzők leírására koncentrálunk.

A hangerő

Nézzük először, hogy hogyan jellemezhető a hangok hangereje. Ahogy említettük, a hang erősségét elsősorban az amplitúdóval, vagyis a hang létrejötte során keltett légnyomás értékével jellemezzük. Az amplitúdó mértékegysége a pascal (Pa) vagy ennek milliomod része, a mikropascal (mPa). A hangnyomást emellett egy másik mérőszámmal, az intenzitással is jellemezhetjük. Az intenzitás a hang energiáját, és így a hangforrás teljesítményét írja le, és definíció szerint a hangterjedés irányára merőleges egységnyi felületen időegység alatt átáramlott energiamennyiségre vonatkozik. Az intenzitás mértékegysége a watt/négyzetméter (W/m2). A hangerő kifejezésére tehát mind az amplitúdót, mind az intenzitást használhatjuk, de tudnunk kell, hogy ezek a hangerő más-más aspektusát ragadják meg: az amplitúdó az egy időpillanatban mutatott hangnyomás értékét, az intenzitás viszont az időegység alatt adott területen átáramló hangenergia mennyiségét írja le. A továbbiakban a hangerő, amplitúdó és intenzitás szavakat egymás szinonimájaként fogjuk használni, és nem vesszük figyelembe a közöttük lévő definícióbeli eltéréseket.

A hangerő mérésére a gyakorlatban bevezettek egy harmadik mértékegységet is, a decibelt (dB). A decibel egy logaritmusos mértékegység, amely valójában két mennyiség közötti arányt fejez ki. A decibel, a logaritmusos skála révén, lehetővé teszi azt, hogy a nagyon kicsitől a nagyon nagy arányokig a mennyiségek széles skáláját tudjuk kifejezni viszonylag kevés mérőszámmal. Erre azért van szükség, mert a hallórendszerünk a hangnyomásértékek nagyon nagy tartományát képes feldolgozni: kb. 10 milliárdszoros mértékben eltérő hangokat is képesek vagyunk megkülönböztetni. Az óriási különbségek miatt a hangerő direkt módon történő leírása (az amplitúdóval vagy az intenzitással) meglehetősen körülményes. A decibelskála alkalmazásával viszont elérhető az, hogy az egyes hangok hangerejét ne milliós nagyságrendekben kelljen meghatározni, hanem a sokkal egyszerűbben kezelhető 0-100 nagyságrendben.

Ha a hangok hangerejét decibelben határozzuk meg, akkor már nem hangerőértékekről, hanem hangszintekről beszélünk. A decibelérték, ahogy említettük, valójában csak két mennyiség közötti arányt fejez ki, ezért ha ezt konkrétan a hangerő mérésére szeretnénk alkalmazni, akkor egyrészt meg kell határozni az arányt, másrészt pedig meg kell adni azt az értéket, amelyhez az egész skálát viszonyítjuk. A hangnyomás figyelembevételével tehát a decibel a következő képlettel határozható meg:

dB = 20 log (p/p0),

ahol pl a vizsgált hang amplitúdójának, p0 pedig valamely alaplégnyomás-értéknek felel meg. A leggyakrabban alkalmazott p0-érték 20 mPa. Ekkor a 0 dB egy olyan hangerőszintet fejez ki, amely az emberek nagy része számára egy másodpercenként 1000-szer rezgő hang esetében az éppen hallható hang erejének, vagyis az abszolút hallásküszöbnek felel meg. Ezt a specifikus hangerőszintet SPL-nek (Sound Pressure Level – hangnyomásszint) nevezzük. Minden esetben, amikor nincs külön feltüntetve, hogy a dB-értéket mihez képest határoztuk meg, akkor az SPL szintre kell gondolni.

Az emberi hallórendszer által lefedett hangszinttartományt szemlélteti az 8.1. táblázat, amely a 0 és 160 dB közötti tartomány egyes értékeire hoz hétköznapi példákat. A táblázatban feltüntettük az adott a hangnyomás- és az intenzitásértékeket is, annak illusztrálására, hogy hogyan feleltethetők meg ezek egymásnak.

A hangszinttartományon belül létezik két kitüntetett érték: az egyik a 0 dB SPL értékű hallásküszöb, amely az éppen észrevehető hangerő nagyságát határozza meg, a másik pedig a 130 dB SPL értékű fájdalomküszöb, ami azt az értéket jelzi, amely felett a hanginger valódi fájdalomérzetet vált ki a fülben. A fájdalomküszöb adaptív értékkel bír, mivel az ennél hangosabb hangok rövid idő alatt is képesek a hallórendszer károsítására, így a fájdalom a hangforrástól való menekülésre kényszerít.

A táblázat illusztrálja a decibelskála működését is. Látható, hogy például a zsúfolt forgalom zaja kb. 10 dB-lel hangosabb, mint a kétszemélyes beszélgetés hangereje (70, illetve 60 dB), és látható, hogy ez 10-szeres hangerő-növekedésnek felel meg. Érdemes tehát óvatosan bánnunk a CD-lejátszó hangerőgombjával, mert egy 10 dB-lel való hangosítás 10-szeres, 20 dB-es 100-szoros, 30 dB-es pedig már 1000-szeres hangerő-növekedést okoz.

10.2. táblázat - 8.1. táblázat. Az emberi hallórendszer által lefedett hangszinttartomány

Hangforrás

Hangszint

(dB)

Hangnyomás

(mPa)

Hangintenzitás

(W/m2)

Észlelet

Hallásküszöb

0

20

10-12

Hallásküszöb

Normál légzés

10

63

10-11

Szellőben susogó falevelek

20

200

10-10

Mozi üres nézőtere

30

630

10'9

Lakónegyedbeli környék éjszaka

40

2 000

10'8

Csendes vendéglő

50

6 300

10-7

Beszélgetés

60

20 000

10'6

Zsúfolt forgalom

70

63 000

10-5

Porszívó

80

200 000

10-4

Vízesés robaja

90

630 000

10-3

Metró zaja

100

2000000

10-2

Légcsavaros repülőgép felszálláskor

120

20 000 000

1

Gépfegyver zaja közelről

130

63 000 000

10

Sugárhajtású repülőgép felszálláskor

140

200 000 000

102

Szélcsatorna

160

2 000 000 000

104

Fájdalomküszöb


A rezgésszám

A hanghullámok másik fontos jellemzője a hangerőn kívül a rezgésszámuk vagy frekvenciájuk. A frekvencia mértékegysége a hertz (Hz), ami a másodpercenkénti rezgésszámot fejezi ki (1 Hz = 1 ciklus/másodperc). A rezgésszám leírható egy másik mértékegységgel, a hullámhosszal is, amely a hanghullám egyik csúcsától a következő hullám csúcsáig tartó távolságot fejezi ki. A hullámhosszt egy valódi hosszmértékegységgel, a méterrel mérjük. A két mértékegység, vagyis a frekvencia és a hullámhossz fordítottan arányosak egymással: nagyobb frekvenciaértékhez kisebb hullámhosszérték tartozik. Ezt az összefüggést szemlélteti a 8.4. ábra. Ahogy az ábrán látható, egy 1000 hertzes hanghoz kb. 20 centiméteres hullámhossz tartozik (vagyis ennyi a két egymást követő hanghullám csúcsa közötti távolság), egy 100 hertzes hanghoz pedig kb. 3 méteres hullámhossz.

A rezgésszám esetében, csakúgy, mint a hangerőnél, szintén fontos kérdés, hogy mekkora tartományt vagyunk képesek érzékelni az egyes tárgyak által kibocsátott rezgésszámokból. Ahogyan azt a 8.5. ábra mutatja, az egyes állatfajok, beleértve az embert is, a lehetséges frekvenciatartományok meghatározott részét képesek csak észlelni. Ember esetében ez a tartomány 20 és 20 000 Hz között van, és látható, hogy egyéb fajok ettől eltérő frekvenciasávokra is érzékenyek. Például az elefántok meghallják a 20 Hz alatti infra- hangokat is, a kutyák vagy macskák pedig a 20 000 Hz feletti ultrahangokat is képesek felfogni (az infra- és ultrahangok természetesen párhuzamba állíthatók az elektromágneses sugárzás esetén az infravörös és ultraibolya fényekkel, amelyek szintén kívül esnek az ember látási észlelőrendszere által feldolgozható tartományon).

8.4. ábra. A hullámhossz és a frekvencia közötti kapcsolat

Feltételezhető, hogy az egyes fajok azokra a frekvenciatartományokra érzékenyek leginkább, amelyek számukra valamilyen okból jelentőséggel bírnak, illetve amelyek környezetükben a leggyakrabban előfordulnak. Nyilvánvalóan itt is kompromisszumot kell kötni aközött, hogy a környezeti jellemzőket minél pontosabban dolgozzuk fel, és aközött, hogy erre ne kelljen egy végtelenül bonyolult apparátust kifejleszteni. A frekvencia esetében az alsó határ természetesen egy abszolút határ, mivel 1 Hz-nél kisebb rezgésszám fizikailag lehetetlen, hiszen az már nem számítana rezgőmozgásnak. A 20 000 Hz-nél magasabb frekvenciájú hangok feldolgozásával kapcsolatban két probléma lehet: egyrészt feltételezhetően nagyon kevés olyan hang van, ami ebbe a tartományba esik, másrészt pedig a fent már említett kompromisszum miatt valószínűleg nagyon bonyolult lenne egy olyan hallószervet létrehozni, amely képes ilyen tág tartományt feldolgozni.

8.5. ábra. A különféle fajok számára 60 dB spL hangosságon hallható frekvenciák tartománya

A hangok típusai

Az előzőekben arról volt szó, hogy a hangokat a mechanikai rezgést végző tárgyak bocsátják ki. Láttuk azt is, hogy például a hangvilla olyan rezgésre képes, amely periodikus, szinuszfüggvénnyel leírható hanghullámot hoz létre. Az ilyen típusú hangokat tiszta vagy egyszerű hangoknak nevezzük, mivel csak egyetlen hangfrekvenciát tartalmaznak, vagyis egyetlen nagyon szabályos függvénnyel írhatók le. A 8.6. ábra felső részén egy tipikus tiszta hang oszcillogramja látható. Valójában azonban a hangvilla által létrehozott hang sem ennyire egyszerű, és csak közelíti ezt a nagyon szabályos hullámformát. A környezetünkben megtalálható hangok között igazából nem is találunk olyant, amely eny- nyire szabályos rezgőmozgást végezne. Ugyanakkor laboratóriumban, számítógép segítségével lehetséges ilyen hangokat előállítani, és ezek nagyon fontos szerepet játszanak a hallás folyamatainak vizsgálatában, mivel a lehető legegyszerűbb ingerfeltételek alakíthatók ki a segítségükkel.

Mi jellemző akkor a környezetünkben előforduló hangokra? Ezeket a hangokat, például a madarak énekét, a hangszerek hangját, az ember beszédét megvizsgálva azt tapasztaljuk, hogy a legtöbb közülük nagyon bonyolult hullámmintázatot alkot, vagyis nagyon bonyolult rezgőmozgást végez. Az ilyen típusú hangokat komplex hangoknak nevezzük, és az jellemző rájuk, hogy általában egynél több frekvencia-összetevőből állnak, és nem írhatók le egyetlen szinuszfüggvénnyel (lásd a 8.6. ábra középső részét).

8.6. ábra. A hangok különböző típusainak oszcillogramja

Összehasonlítva a tiszta hanggal, látható, hogy a komplex hang sokkal bonyolultabb mintázattal rendelkezik. Láttuk már, hogy az oszcillogram, vagyis az idő függvényében ábrázolt hangnyomásváltozás nem igazán szolgáltat egyértelmű információt az adott hang frekvenciájáról. Ezért ha arra vagyunk kíváncsiak, hogy egy hang milyen frekvenciával, illetve frekvencia-összetevőkkel rendelkezik, egy másikfajta ábrázolásra van szükségünk, az úgynevezett spektrális vagy amplitúdómetszet– ábrázolásra (lásd 8.7. ábra).

8.7. ábra. A tiszta- (a) és a komplex hangok (b) spektrális ábrázolása

A hangok ábrázolásának ez a módja a frekvencia függvényében tünteti fel a hangok amplitúdóját egy adott időpillanatban. Nem szerepel rajta viszont az idői információ, vagyis hogy pontosan mely időpillanatban mutatta a hang az adott jellemzőket. Komplex hangok esetében a spektrum feltárja mindazokat a frekvencia-összetevőket, amelyek a hangot alkotják. A frekvencia-összetevőket néha frekvenciakomponenseknek is nevezzük, és ezek összessége alkotja a hang spektrális szerkezetét.

A komplex hangokat tehát úgy kell elképzelnünk, hogy azok egymásra épülő szinuszhullámokból tevődnek össze úgy, hogy ezek lényegében összeadódnak. A komplex hangoknak egyes frekvenciaösszetevőikre történő lebontását Fourier-elemzésnek hívjuk. Emlékezzünk arra, hogy Jean Fourier ezen matematikai módszerét már a vizuális szűrőkkel kapcsolatban említettük. Megállapítottuk, hogy ennek segítségével bármely komplex hullámforma leírható meghatározott frekvenciával, amplitúdóval és fázissal rendelkező szinuszhullámok sorozatával. Ez alapján tehát azt mondhatjuk, hogy a komplex hangok lényegében több egyszerű szinuszhangból tevődnek össze, és a spektrum ezen komponenseknek a frekvenciáját és amplitúdóját jeleníti meg. A 8.8. ábra mutatja, hogy egy komplex hanghullám hogyan építhető fel olyan szinuszhullámok sorozatából, amelyek egyre kisebb periódussal rendelkeznek (vagyis egyre nagyobb a frekvenciájuk). Az ábrán az is látható, hogy az egyes összetevők milyen frekvenciával rendelkeznek.

A periodikus hangokban a frekvenciakomponensek az úgynevezett alaphang egész számú többszöröseiként jelennek meg. Azaz, ha például az alaphang 200 Hz, akkor a frekvencia-összetevők értéke 400, 600, 800 stb. Hz lesz. Az alaphang rendelkezik a legalacsonyabb frekvenciával, vagyis valóban ez az alapja a többi komponensnek. Az erre épülő komponenseket pedig felharmonikusoknak vagy egyszerűen harmonikusoknak nevezzük. A komplex hangok által tartalmazott frekvenciákat tehát általánosságban frekvencia-összetevőknek, frekvenciakomponenseknek vagy frekvenciatartományoknak fogjuk nevezni. A periodikus komplex hangok esetében viszont ezeket a komponenseket harmonikusoknak vagy felharmonikusoknak fogjuk hívni, utalva egymás közti szabályosságukra, vagyis arra, hogy a harmonikusok az alaphang egész számú többszörösei.

8.8. ábra. A komplex hangok frekvencia-összetevőkre bontása a Fourier-elemzés segítségével

A komplex hangok különböző frekvenciakomponensekre való felbontása azonban nem csak amiatt fontos, hogy ábrázolni tudjuk azokat egy spektrumon. Úgy tűnik, hogy a hallórendszer maga úgy működik, hogy a beérkező hangok egyfajta Fouri- er-elemzését végzi el, vagyis a hangokat összetevőikre bontja fel. Ezt a fajta működésmódot analitikus (szétválasztó) észlelésnek nevezzük, szemben a látórendszerre inkább jellemző szintetikus (összegző) működéssel. A látás esetében a szintetikus működésre példa lehet a színészlelés, amelynek során az egyszerre a szembe érkező hullámhosszak (kék és sárga színek) egy szét nem bontható zöld színélményt eredményeznek. Azt is láthattuk, hogy a kétdimenziós téri luminanciaeloszlások elemzéséhez a látórendszernek a retinális, valamint az első agykérgi szintjein egy globális Fourier-elemzés folyik. A hallásnál azonban nem fordulhat elő a színészleléshez hasonló szintézis. A zongorán egyszerre leütött C és D hangok nem vezetnek egy harmadik hang észleléséhez, hanem mindkét hangot külön-külön halljuk.

A komplex hangok speciális típusa a zaj, amely sok véletlenszerűen összeadódó frekvencia-összetevőt tartalmaz (lásd a 8.6. ábra alsó részét). A zaj bizonyos értelemben a fehér fényre hasonlít, hiszen – ahogyan azt korábban láttuk – a fehér fény is a látható spektrum valamennyi hullámhosszán tartalmaz fényenergiát. A fehér fény analógiájára fehér zajnak nevezzük azt a zajt, ami az összes lehetséges frekvenciát tartalmazza, és amit például akkor hallhatunk, ha a rádión egy olyan frekvenciára tekerünk, ahol nincs semmilyen műsor. A tiszta hangokhoz hasonlóan fehér zaj sem fordul elő a természetes környezetünkben (a zajszerű természetes hangok – például a fúró hangja vagy a levelek susogá- sa – is mutatnak valamiféle periodikusságot és szabályszerűséget), de a hallási jelenségek tanulmányozásában nagyon fontos a szerepe.

Összefoglalva tehát, három különböző típusú hang létezhet: az egyszerű vagy tiszta hang, amely egyetlen frekvenciakomponenst tartalmaz, és periodikusan ismétlődik; a komplex hang, amely több frekvenciakomponenst tartalmaz, és szintén periodikusan ismétlődik; és a zaj, amely több frekvenciakomponenst tartalmaz, de nem ismétlődik periodikusan. A hangok típusait a 8.2. táblázat foglalja össze.

10.3. táblázat - 8.2. táblázat. A hangok típusai és jellemzőik

Hang típusa

Frekvenciakomponensek

Periodikusság

Példa

Tiszta hang

egy

igen

hangvilla

Komplex hang

több

igen

zongora

Zaj

több

nem

fehér zaj