Szum wokół… szumu
Kilka miesięcy temu w Internecie pojawiły się pogłoski, jakoby słuchanie muzyki zapisanej w formacie MP3 miało prowadzić do zaburzeń słyszenia. Przyczyną tego schorzenia miała być specyficzna struktura skompresowanego dźwięku, inna niż w przypadku naturalnych odgłosów czy sygnałów cyfrowych zapisanych bez dodatkowej obróbki.
Autor tej niepokojącej tezy, niemiecki student Christian Windler, codziennie słucha skompresowanej muzyki w bardzo dużych ilościach. Po pewnym czasie pojawiło się u niego dokuczliwe szumienie w uszach, które wydaje się mieć z tym zwiazek. Windler zgłębił zagadnienie – co przyszło mu o tyle łatwo, że jego kierunek studiów ma ścisły związek z percepcją bodźców przez ludzki mózg – i opublikował artykuł, który narobił już sporo zamieszania w komputerowym światku. Zanim jednak w trosce o zdrowie skasujemy z dysku naszą ulubioną muzykę, spróbujmy zgłębić temat.
W głąb ucha
Jeśli przyjrzymy się przekrojowi narządu słuchu, zobaczymy, że fala dźwiękowa pada na błonę bębenkową, a stamtąd za pośrednictwem trzech kosteczek słuchowych dociera do tzw. ślimaka. Jest to, jak nietrudno zgadnąć, spiralnie zwinięta rurka o stopniowo malejącym przekroju, wypełniona płynem. Wzdłuż niej ciągnie się błona podstawowa, a na niej rozpięty jest narząd Cortiego, czyli szereg komórek wyczuwających drgania płynu. Kiedy błona bębenkowa zadrży jak membrana mikrofonu, drgania te wywołują w ślimaku szereg fal mechanicznych. Fale te mają swoje maksima i minima ciśnienia, przy czym im niższa częstotliwość, tym dalej od wlotu ślimaka znajdzie się maksimum fali. Wszystko rozgrywa się na mniej więcej 4 centymetrach długości ślimaka.
Oczywiście taki “biologiczny mikrofon” jest bardzo niedoskonały, jeśli idzie o własności akustyczne. Każda silniejsza fala powoduje powstawanie dodatkowych rezonansów i odbić od końca ślimaka, jak również fal harmonicznych, czyli mających częstotliwość równą wielokrotności częstotliwości fali padającej. Łatwo się o tym przekonać, kiedy znajdziemy się blisko przejeżdżającej karetki pogotowia. Usłyszymy sporo dodatkowych dźwięków, nie zawsze zgodnych z tonem syreny auta – to produkty “przesterowanego” ślimaka w naszym uchu. Na szczęście ewolucja zdaje sobie sprawę z tego, jak kiepskim “mikrofonem” zmuszeni jesteśmy się posługiwać, i wyposażyła mózg w mechanizmy korekcji sygnału. Poza kilkoma ekstremalnymi sytuacjami radzi on sobie całkiem dobrze.
| Co się dzieje z muzyką skompresowaną koderem MP3 |
| Przyjrzawszy się wykresom obok łatwo zrozumieć, na czym polega maskowanie dźwięków wykorzystywane w kompresorze MP3. Do testu użyjemy tzw. szumu różowego – zawiera on wszystkie możliwe częstotliwości, ale niższe pasmo jest nieco “podbite”, jak na wykresie 1. Jeśli taki sygnał poddamy kompresji MP3, to po wykonaniu transformaty Fouriera zobaczymy to, co na wykresie 2. Wszystkie wyższe częstotliwości powyżej pewnej umownej granicy (zaznaczona jest czerwoną linią) zostaną obcięte – głównie wskutek maskowania, choć również podczas wstępnej obróbki pasma. Jeśli jednak w sygnale osłabimy niższe częstotliwości, to koder “zauważy” ich brak i “będzie wiedział”, że teraz niczego już one nie maskują w naszym uchu. Nie można zatem usuwać niczego z sygnału, bo każda ingerencja będzie widoczna jak na dłoni. Spójrzmy na wykres 3. Z szumu różowego odfiltrowane zostały częstotliwości mniej więcej do niebieskiej linii – trochę tak jakbyśmy skręcili na minimum gałkę basów we wzmacniaczu. To one maskują wyższe tony. Koder MP3 nie narusza teraz wyższej części pasma i powyżej czerwonej linii wygląda ono prawie jak w oryginalnym sygnale z rysunku 1. Model ten jest oczywiście bardzo uproszczony. |
