על שמיעה, סאונד, ומה שמסביבם - פרק ז: מימד הזמן

אחד המפתחות לאיכות שמע טהורה, הוא התיחסות לכל ההיבטים של רפרודוקציית סאונד - כולל מימד הזמן שלעתים קרובות מתעלמים ממנו.

אבל למה בדיוק הכוונה ב"מימד הזמן"?

על מנת להבין היכן הזמן משתלב בתמונה הכוללת (ומדוע הוא כל כך חיוני) בואו נחזור לפוסט קודם במסע שלנו אל יסודות האודיו, פרק ה: תדירות ומשרעת. להזכירכם בקצרה:

תדירות

כשאנחנו מתייחסים לתדר של צליל, אנחנו מדברים על הגובה הבסיסי של הצליל הזה וסדרת הצלילים מעליו שנותנים לו את הגוון הספציפי שלו. אודיו מורכב משלב דחיסה ואחריו שלב קלישה (אחריו שלב דחיסה נוסף ועוד שלב קלישה, וכן הלאה עד שהסאונד מסתיים). תנועה אחת של דחיסה ואחריה תנועה אחת של דחיסה נקראת מחזור. (ראה איור מטה לתזכורת מה הוא מחזור)

תדירות היא מספר המחזורים בשנייה. יחידת המדידה לתדר היא הרץ (הרץ). לצליל בתדר נמוך יש פחות מחזורים לשנייה, ולכן ערך ההרץ שלו נמוך יותר. לצליל בתדר גבוה יש יותר מחזורים לשנייה ולכן ערך ההרץ של גבוה יותר.

משרעת (אמפליטודה)

בתיאור האופייני של צורת גל האודיו, התדר מיוצג על ציר ה-"X" האופקי (כאשר צורת הגל נעה לאורך זמן), בעוד שהמשרעת מיוצגת על ציר ה-"Y" האנכי. לצורות גל בעלות משרעת גדולה יותר יש שלבי דחיסה וקלישות חזקים יותר, המניעים יותר אוויר ולכן ניתן לשמוע אותם למרחקים גדולים יותר. בדיוק כפי שיחידת המדידה לתדר היא הרץ, למשרעת יש יחידת מדידה שלה, הנקראת דציבלים (dB). (ראה איור מטה לתזכורת: מה היא משרעת)

המימד הנוסף: זמן

יש מימד נוסף לסאונד שלעיתים קרובות מתעלמים ממנו, והוא מימד הזמן. ומכיוון שהוא לא כל כך מיוצג בדיונים על אודיו והגברה, חשוב להבין בדיוק כיצד מימד הזמן (או הזמניות) של הסאונד תורמת לחוויית ההאזנה.

ציר הזמניות

במדע, רבים מהייצוגים החזותיים של מושגים פיזיקליים הם פשוט מודלים, המאפשרים לאינטלקט המוגבל שלנו להבין את העולם שסביבנו. זה בהחלט נכון, גם לגבי האופן שבו אנו מתארים גל קול על גרף של שני צירים. באופן מסורתי אנו חושבים על המשרעת כעל כמות האנרגיה של הגל, הנמדדת על ציר "Y" של הגרף, כאשר תדירות הצליל המיוצגת על ציר "X" במונחים של מחזורים לשנייה. הציר האופקי הזה מייצג זמן ללא ספק, אבל זה לא התפקיד היחיד (וכנראה אפילו לא החשוב ביותר) שהזמן ממלא בצליל שאנו שומעים.

יש לצליל מימד מבוסס זמן נוסף, שאליו נתייחס כ”זמניות” למען הבהירות. היבט הזמניות של הצליל מתייחס לזמן שבו מתרחש הצליל. לדוגמה, אתה יכול לקבל שני גלי סינוס זהים לחלוטין, בדיוק באותה תדר ומשרעת, אך הם מתרחשים בזמנים שונים - זה הבדל הזמניות.

אם נרחיב על הייצוג האופייני של סאונד, הפקת ממד הזמניות של הצליל עשוי להיות מיוצג ויזואלית כפי שמוצג להלן באיור מטה, המראה שהמשרעת והתדר של צליל קיימים ללא תלות במועד שבו צליל זה מתרחש, משהו שבהחלט אנו מניחים מראש, אך לעתים רחוקות נדון כהיבט קריטי של סאונד. יתר על כן, ממד הזמניות של הצליל לא חל רק על תחילת הצליל, אלא על כל פרט רגעי שלו, מתחילתו ועד סופו. (ראה באיור מטה המתאר חזותית את הוספת ציר זמן (זמניות) לציר המשרעת והתדר.)

וכך, בדיוק כפי שיש לנו טווח של משרעות (אמפליטודות) שאנו יכולים לשאת, ותדרים שאנו יכולים לשמוע, יש לנו הבדלי זמניות שאנו יכולים לתפוס. הסולם שבו אנו משתמשים כשמדברים על הבדלים בזמניות הוא מיקרו-שניות (μs).

רזולוציה זמנית

החדות שבה אנו יכולים להבחין בהבדלים קטנים מאוד במיקום הזמני מכונה בדרך כלל רזולוציה זמנית. בהתחשב בכך שהיבט זה של התפיסה השמיעתית הוא מעודן יותר ופחות נדון מהיבטי המשרעת והתדירות הברורים יותר, ההבנה המדעית של יכולת חישת הזמניות שלנו עדיין מתפתחת, אך עד כה הנתונים מצביעים על כיוון ספציפי.

בשנת 2003, כתב העת של האגודה האקוסטית של אמריקה פרסם מאמר טכני על החשיבה הנוכחית בנושא הרזולוציה הזמנית וקבע כי "גבול הרזולוציה הזמנית בבני אדם מגיע עד 10-20 מיקרו שניות". במקרה, גבול זה התאים לקצב הדגימה של פורמט ה-Red Book Audio (קצב דגימה של 44.1 קילו-הרץ, עם תדר Nyquist (fn) של 22.05 קילו-הרץ) שהיה בערך 23 מיקרו-שניות (1/44100).

עד שנת 2007, הנתונים הצביעו על מידה גדולה בהרבה של אבחנה זמנית - בערך 5μs בממוצע. בנוסף לחידוד קריטריון הבדיקה, שינוי זה בחשיבה הנפוצה נבע משימוש בציוד אולטרה-מדויק חדש. אחד המחקרים היותר חשובים בתקופה זו פורסם ב- Technical Acoustics, שם סיכמה Milind N. Kunchur (מהמחלקה לפיזיקה ואסטרונומיה של אוניברסיטת דרום קרוליינה) "עבור גירויים חולפים, ניתן להעריך את החדות הזמנית של מערכת השמיעה T (זמן) ב- טווח של 2–16 מיקרון, (T=0/√N ו N=60–4000). שימו לב שלערך של T (זמן) זה יש מעט מאוד קשר למגבלת השמיעה בתדר גבוה. מסקנה זו, המבוססת על בדיקות קפדניות, חשובה. היא לא רק מעידה על כך שלבני אדם יש תפיסת זמן מדויקת יותר ממה שחשבו בעבר, אלא גם מבדילה באופן ספציפי בין חדות תפיסת הזמן לחדות תפיסת התדירות.

רזולוציה זמנית ותדירות

מכיוון שגם התזמון של הצליל (זמניות) וגם התדירות שלו קשורים לזמן, זה עשוי להיות מפתה להשוות בין השניים. עם זאת, היכולת שלנו להבחין בהבדלי זמניות אינה קשורה ליכולתנו לשמוע תדרים.

הנה דרך אחת להסתכל על זה: הגבול העליון של טווח התדרים האנושי נחשב בדרך כלל ל-20kHz, או 20,000 מחזורים לשנייה. הזמן שמחזור שלם בתדר גבוה זה לוקח הוא 50 מיקרו-שניות (1/20,000), שלפי כל מדד (אפילו מיושן) גדול בהרבה מהרזולוציה הזמנית שלנו.

כשמסתכלים על זה מהצד השני, תדר של שלב באורך 5 מיקרו-שניות יהיה בטווח של 200kHz! אך מכיוון שאיננו מסוגלים לשמוע תדר בגובה כזה, ברור שהיכולת שלנו לזהות את המידע הזמני (לתפוס את זמניות הצליל) בהתרחשות קולית מסוימת, אינה תלויה ביכולת שלנו לשמוע תדר מסוים.

איור 3.4 מציג את ההיבטים השונים של תפיסת האודיו האנושית בדרך אחרת - גרף משולב יחיד:

1. הסולם האנכי מציג את רמות המשרעת, מ-0dB (סף השמיעה) ועד 120dB (סף הכאב)

2. בסולם הזמן האופקי, המספר הראשון שנ גיע אליו הוא 5μs, שזו הרזולוציה הזמנית שלנו.

3. המספרים המשמעותיים הבאים הם 50μs-50ms, שהם תנועות המחזור של 20kHz-20Hz, ספקטרום התדר הנשמע. שימו לב שמספרים אלו אינם מתקרבים לערך הרזולוציה הזמנית

   
   
4. 

הערה: בדיוק כפי שהיכולת שלנו לשמוע תדרים גבוהים יורדת ככל שאנו מתבגרים, הרזולוציה הזמנית שלנו תפחת גם כן, אך במידה פחותה - במילים אחרות אנו שומרים על יכולתנו להבחין בתזמון הצליל גם לאחר שנאבד את היכולת לשמוע תדרים גבוהים.

זהו לבינתיים. הפוסט הזה ממש טכני, אז אעצור כאן. בפוסט הבא נצלול עוד טיפה ונבין למה מימד הזמן כל כך חשוב לאיכות הסאונד שאני שומעים.