Τι είναι ο ήχος;

Όταν βάζουμε ένα ωραίο κομμάτι, διαπιστώνουμε γρήγορα ότι το απολαμβάνουμε. Αυτό έχει να κάνει εξ ολοκλήρου με τη λειτουργία του ανθρώπινου αυτιού, το οποίο μετατρέπει τη λεγόμενη μηχανική ενέργεια των ηχητικών κυμάτων σε ηλεκτροχημικά σήματα. Μέσω της ακοής, ο εγκεφαλικός φλοιός μετατρέπει τον ήχο που λαμβάνει σε κάτι που μπορούμε να αντιληφθούμε. Κι όμως, αυτή δεν είναι ακόμη ολόκληρη η εξήγηση της ιστορίας. Για να κατανοήσουμε πραγματικά τη μουσική, πρέπει να ξέρουμε τι είναι ο ήχος, και μάλιστα προτού επεξεργαστεί από το σώμα μας.

Ορισμός του ήχου

Το μεγάλο λεξικό Van Dale περιγράφει τον ήχο ως δονήσεις στον αέρα που γίνονται αντιληπτές από το όργανο της ακοής. Διάφορα άλλα λεξικά υιοθετούν αυτόν τον ορισμό και θεμελιώνουν έτσι μια σύνδεση ανάμεσα στις δονήσεις ή σε μια μεταβολή της ατμοσφαιρικής πίεσης και στην αντίληψή της. Σύμφωνα με αυτά, ό,τι δεν μπορούμε να ακούσουμε δεν είναι ήχος. Λογικά, ένα δελφίνι, για παράδειγμα, θα βιώνει τον ήχο διαφορετικά από έναν άνθρωπο: ό,τι αποτελεί ήχο για ένα δελφίνι δεν είναι απαραίτητα ήχος και για τον άνθρωπο. Έτσι τουλάχιστον μπορούμε να περιγράψουμε τον ήχο στην πιο στενή του μορφή.

Από επιστημονική σκοπιά, μπορούμε επομένως να περιγράψουμε τον ήχο πολύ ευρύτερα. Εδώ εγκαταλείπουμε την εγωκεντρική οπτική του ανθρώπινου οργάνου της ακοής και αναφερόμαστε, με την ευρύτερη έννοια, στα ηχητικά κύματα ή στις δονήσεις που κινούνται μέσα στον αέρα και μπορούν να συλληφθούν από ένα όργανο ακοής. Σε μια ακόμη πιο ευρεία θεώρηση, τέλος, δεν περιοριζόμαστε στις μεταβολές της ατμοσφαιρικής πίεσης, αλλά μπορεί να πρόκειται και για ένα άλλο μέσο. Επιπλέον, ο όρος ήχος μπορεί να χρησιμοποιηθεί ακόμη κι όταν δεν πρόκειται πια για μια ακουστή μεταβολή. Έτσι, μιλάμε και για «υπερηχητικό ήχο».

Πώς δημιουργούνται αυτά τα ηχητικά κύματα;

Τα ηχητικά κύματα δημιουργούνται από δονήσεις του αέρα. Αυτό συμβαίνει επειδή αυτές οι λεπτές δονήσεις συμπιέζουν τοπικά τα σωματίδια του αέρα. Έτσι, η ατμοσφαιρική πίεση εκεί αυξάνεται, και στη συνέχεια τα συμπιεσμένα σωματίδια έρχονται σε επαφή με τα σωματίδια του περιβάλλοντος χώρου. Με αυτόν τον τρόπο δημιουργείται μια αλυσιδωτή αντίδραση, κατά την οποία η ενέργεια μεταδίδεται διαρκώς: ο ήχος μετακινείται έως ότου τελικά καταλαγιάσει ξανά. Αυτός είναι, παρεμπιπτόντως, και ο λόγος για τον οποίο ο ήχος είναι ένα γήινο φαινόμενο. Αν δύο δορυφόροι στο διάστημα συγκρουστούν μεταξύ τους και διαλυθούν σε χιλιάδες κομμάτια, δεν θα γίνει αντιληπτός κανένας απολύτως ήχος. Εδώ, άλλωστε, δεν υπάρχει αέρας ούτε κάποιο άλλο μέσο που να μπορεί να μεταδώσει τα κύματα, πόσο μάλλον να δημιουργηθούν ηχητικά κύματα…

Αυτό εξηγεί επίσης τη λειτουργία ενός ηχείου, το οποίο στην ουσία είναι απλώς ένα εξάρτημα που τίθεται σε δόνηση, έστω και με έναν έξυπνο τρόπο. Αυτές οι κινήσεις θα κάνουν και τον αέρα γύρω από το ηχείο να μπει σε κίνηση. Ίσως ο καλύτερος τρόπος να το συγκρίνετε είναι με ένα βότσαλο που πέφτει στο νερό: δημιουργούνται κυματάκια που απομακρύνονται από την πηγή. Καθώς αυτοί οι κύκλοι μεγαλώνουν, ολοένα και περισσότερα σωματίδια αέρα πρέπει να μοιραστούν την ενέργεια του προηγούμενου κύκλου, με αποτέλεσμα ο ήχος τελικά να σβήνει σιγά σιγά. Αυτό συμβαίνει βέβαια με ταχύτητα περίπου 300 m/s, ωστόσο δεν είναι παράλογο ότι ο ήχος εξασθενεί όσο απομακρύνεστε από την πηγή του. Αν σταθείτε αρκετά μακριά από την πηγή του ήχου, ο ήχος τελικά δεν θα είναι πια ακουστός. Δεν θα είναι ακουστός για τον άνθρωπο, διότι ορισμένα ζώα ακούν απλούστατα πολύ καλύτερα από εμάς.

Πώς μοιάζει ένα ηχητικό κύμα;

Δεν μπορούμε να δούμε τον ήχο. Τουλάχιστον όχι χωρίς τεχνικά βοηθήματα. Ωστόσο, όπως υποδηλώνει ήδη η ίδια η λέξη, ένα ηχητικό κύμα αποτελείται από ένα κύμα. Ένα τέτοιο κύμα έχει με τη σειρά του μήκος κύματος και πλάτος. Το πόσο συχνά διανύεται ένα τέτοιο κύμα ονομάζεται κατόπιν συχνότητα. Αυτή η συχνότητα δεν είναι ασήμαντη: η ανθρώπινη ακοή, για παράδειγμα, μπορεί να ακούσει μια ελάχιστη συχνότητα είκοσι και μια μέγιστη συχνότητα 20.000 Hertz. Το μήκος κύματος είναι εξάλλου αντιστρόφως ανάλογο με αυτήν: σε μια αύξηση της συχνότητας το μήκος κύματος μικραίνει (υψηλότερος τόνος) και αντίστροφα.

Το πλάτος, με τη σειρά του, είναι αποτέλεσμα της διαφοράς ανάμεσα στη μέση τιμή της πίεσης και στη μέγιστη τιμή της πίεσης. Την ένταση που προκύπτει από αυτό την ορίζουμε με τον πιο γνωστό όρο ντεσιμπέλ. Και αυτός ο όρος δεν είναι ασήμαντος: από τα 120 ντεσιμπέλ και πάνω, ακόμη και σε βραχείας διάρκειας έκθεση, θα προκληθεί βλάβη στην ακοή. Το όριο του πόνου, ωστόσο, βρίσκεται στα 134 ντεσιμπέλ: γεγονός που εξηγεί γιατί η βλάβη της ακοής μπορεί να προκύψει και χωρίς να το αντιληφθούμε.

Τέλος, αναφέραμε ήδη νωρίτερα ότι τα ηχητικά κύματα συμπεριφέρονται ακριβώς όπως τα κύματα του νερού. Έτσι, μπορούν να κάμπτονται γύρω από ένα αντικείμενο, να αντανακλώνται, να αλλάζουν κατεύθυνση ή να έρχονται σε επαφή με άλλα ηχητικά κύματα, οπότε είτε ενισχύονται είτε αλληλοαναιρούνται. Το τελευταίο είναι και ο τρόπος με τον οποίο λειτουργούν τα εξειδικευμένα ακουστικά: εκπέμπουν έναν ήχο για να εξουδετερώσουν άλλα ηχητικά κύματα.

Η ταχύτητα του ήχου δεν είναι σταθερή

Παραπάνω αναφέραμε ότι η ταχύτητα του ήχου ανέρχεται περίπου στα 300 m/s. Στην πραγματικότητα, αυτό δεν είναι εντελώς ακριβές. Ισχύει λίγο πολύ για τη διάδοση στον αέρα, όμως ο ήχος μπορεί να διαδίδεται και μέσα από στερεά και υγρά. Έτσι, η ταχύτητα του ήχου στο αλουμίνιο, για παράδειγμα, είναι 6.260 m/s στους 293 βαθμούς Κελβίνου (περίπου θερμοκρασία δωματίου) και 1.120 m/s στη μεθανόλη σε παρόμοια θερμοκρασία. Στο διοξείδιο του άνθρακα, από την άλλη, ο ήχος είναι αρκετά πιο αργός, με ταχύτητα 259 m/s στους 273 βαθμούς Κελβίνου (περίπου το σημείο πήξης).

Ακόμη και στον αέρα, ο ισχυρισμός ότι η ταχύτητα του ήχου ανέρχεται περίπου στα 300 m/s δεν είναι εντελώς ακριβής. Εδώ, άλλωστε, χρησιμοποιείται ένας πολύπλοκος τύπος για τον προσδιορισμό της ταχύτητας του ήχου.

Τύπος ταχύτητας του ήχου:**√[γ(RT/M)]

Μια εκτενή ανάλυση την παραλείπουμε, αλλά κρατήστε κυρίως ότι η θερμοκρασία και η υγρασία του αέρα παίζουν εδώ σημαντικό ρόλο. Σε θερμοκρασία 233 βαθμών Κελβίνου (περίπου –40 °C) ο ήχος θα ανέρχεται όντως περίπου στα 307 m/s, ενώ σε μια θερμότερη θερμοκρασία 313 βαθμών Κελβίνου (περίπου +40 °C) αυτή θα φτάνει ήδη σε μια πολύ υψηλότερη τιμή των 354 m/s. Στον αέρα, λοιπόν, ο ήχος θα διαδίδεται ταχύτερα όταν η θερμοκρασία είναι υψηλότερη. Στην πράξη, ωστόσο, ο ήχος διαδίδεται τόσο γρήγορα ώστε, μετά από ένα ατύχημα με χιονοστιβάδα, αυτό σίγουρα δεν χρειάζεται να είναι η μεγαλύτερή σας έγνοια.

Αν, τέλος, μιλήσουμε για την ταχύτητα του ήχου στο νερό, ο τύπος γίνεται ακόμη πιο πολύπλοκος. Εδώ, άλλωστε, δεν πρέπει να λάβουμε υπόψη μόνο τη θερμοκρασία, αλλά και την περιεκτικότητα σε άλατα και το βάθος του νερού.

Ο ήχος για τον άνθρωπο και τα ζώα

Για την ανθρώπινη ακοή, οι ηχητικές δονήσεις είναι αισθητές εντός ενός εύρους περίπου 20 έως 20.000 Hertz (20 kHz). Ωστόσο, τα πράγματα διαφέρουν από άτομο σε άτομο. Ιδίως οι ηλικιωμένοι θα αντιλαμβάνονται δυσκολότερα τις ηχητικές δονήσεις στις υψηλές συχνότητες.

Αναρωτιέστε μέχρι ποια συχνότητα μπορείτε εσείς να αντιληφθείτε; Αναπαραγάγετε το παρακάτω βιντεάκι και μάθετέ το.

Η σημασία της συχνότητας για τον άνθρωπο και τα ζώα

Το κατώτερο όριο ακοής των 20 Hz το γνωρίζουμε κυρίως ως το όριο με τον υπόηχο. Έναν τέτοιο υπόηχο δεν μπορούμε να τον ακούσουμε, αλλά ορισμένες φορές μπορούμε να νιώσουμε τις δονήσεις. Ο υπόηχος ωστόσο χρησιμοποιείται από ορισμένα ζώα. Τα βοηθάει, άλλωστε, να επικοινωνούν σε μεγάλη απόσταση. Μεταξύ άλλων, οι ελέφαντες, οι ρινόκεροι και οι καμηλοπαρδάλεις χρησιμοποιούν γι’ αυτόν τον λόγο τον υπόηχο. Κι όμως, μπορεί να εξυπηρετεί και έναν άλλο σκοπό. Ορισμένα είδη φαλαινών, άλλωστε, χρησιμοποιούν τον υπόηχο για να παραλύσουν τα θηράματά τους, κυρίως καλαμάρια.

Όταν ξεπεραστεί το ανώτερο όριο ακοής (20 kHz), μιλάμε για υπερηχητικό ήχο. Ορισμένα είδη ζώων κάνουν χρήση του υπερήχου για να προσανατολίζονται (π.χ. οι νυχτερίδες) ή για τον εντοπισμό θηραμάτων (π.χ. τα δελφίνια). Κι όμως, και ο άνθρωπος έχει επινοήσει ορισμένες εφαρμογές. Μια σημαντική εφαρμογή του υπερήχου είναι η υπερηχογραφία (η οπτικοποίηση των διαφορών ανάμεσα στους μαλακούς και τους σκληρούς ιστούς μέσω υπερήχων). Ένα άλλο παράδειγμα το βρίσκουμε στην οδοντιατρική (καθαρισμός οδοντοτεχνικών εργαλείων και αφαίρεση πέτρας από τα δόντια). Για μια άλλη εφαρμογή του υπερήχου, ωστόσο, πρέπει να ανατρέξουμε στο παρελθόν: τη δεκαετία του ‘70, για παράδειγμα, τον χρησιμοποιούσαμε για τον χειρισμό των τηλεοράσεων.

Τέλος, υπάρχει ακόμη μία τελευταία κατηγορία ήχου: ο υπερηχητικός ήχος υψηλής συχνότητας (hypersoon). Εδώ πρόκειται για ήχο με συχνότητες από 800 MHz και πάνω. Στην πραγματικότητα, η έννοια αυτή προέκυψε επειδή ο άνθρωπος για μεγάλο διάστημα δεν ήταν σε θέση να παράγει τέτοιες ηχητικές συχνότητες. Χάρη στο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο, αυτό σήμερα δεν αποτελεί πλέον εμπόδιο. Χρησιμοποιείται, μεταξύ άλλων, για τη μελέτη στερεών υλικών.

Η σημασία της στάθμης του ήχου για τον άνθρωπο και τα ζώα

Δεν παίζει ρόλο μόνο η συχνότητα του ήχου, αλλά και η στάθμη του ήχου (dB). Καταρχήν, ο άνθρωπος μπορεί επίσης να ακούσει μια στάθμη ήχου μεταξύ 0 και 130 dB, αλλά αυτό δεν ισχύει πάντα. Σε αυτήν την περίπτωση μιλάμε για βαρηκοΐα από θόρυβο. Σε μια απώλεια ακοής από τριάντα έως εξήντα dB, συνήθως θα χρησιμοποιεί κανείς ακουστικό βαρηκοΐας. Για σύγκριση: το θρόισμα των φύλλων έχει στάθμη ήχου περίπου 10 dB, ενώ μια τηλεόραση σε στάθμη καθιστικού (περίπου 1 μέτρο απόσταση) έχει στάθμη ήχου περίπου 60 dB.

Παράλληλα, πρέπει να λάβουμε υπόψη και τον δυσάρεστο χαρακτήρα των δυνατών ήχων. Από τα 90 dB και πάνω, άλλωστε, προκαλείται ήδη βλάβη στην ακοή σε παρατεταμένη έκθεση. Αυτή είναι περίπου η ένταση του ήχου που βιώνετε όταν στέκεστε δίπλα σε έναν αυτοκινητόδρομο. Μια ντισκοτέκ, από την άλλη, έχει στάθμες ήχου που φτάνουν έως τα 100 dB, παρόμοιες με τον ήχο ενός κομπρεσέρ σε απόσταση ενός μέτρου. Εδώ ξεπερνάμε το μέγιστο όριο ντεσιμπέλ για παρατεταμένη έκθεση: προσέξτε λοιπόν οπωσδήποτε με τα σαββατοκύριακα φεστιβάλ, όπου εκτίθεστε ασταμάτητα σε υψηλές στάθμες ήχου.

Από ένα μέγιστο όριο ντεσιμπέλ 120 dB και πάνω, προκαλείται με τη σειρά της βλάβη στην ακοή σε βραχείας διάρκειας έκθεση. Αυτός είναι περίπου ο ήχος ενός αεριωθούμενου κινητήρα σε απόσταση περίπου 100 μέτρων. Το όριο του πόνου, τέλος, βρίσκεται στα 134 dB, χαμηλότερα από τον ήχο που βιώνουμε σε έναν πυροβολισμό όπλου σε απόσταση ενός μέτρου. Σε τέτοιες περιπτώσεις, χωρίς μέσα προστασίας θα προκληθεί σχεδόν πάντα βλάβη στην ακοή.

Διάφορες εφαρμογές του ήχου

Ο ήχος δεν χρησιμοποιείται από τον άνθρωπο μόνο για να απολαμβάνει μουσική. Είναι, για παράδειγμα, πολύ σημαντικός και για την αμοιβαία επικοινωνία. Κι όμως, το πλήθος των (πιθανών) εφαρμογών είναι πολύ ευρύτερο από αυτό. Μεταξύ άλλων, η υπερηχογραφία που αναφέρθηκε νωρίτερα το αποδεικνύει. Αν γνωρίζουμε την ταχύτητα του ήχου ή άλλα χαρακτηριστικά, μπορούμε άλλωστε να προσδιορίσουμε πολλά. Νωρίτερα, για παράδειγμα, αναφέραμε ότι μπορούμε να υπολογίσουμε την ταχύτητα του ήχου στο νερό. Στέλνοντας έναν ηχητικό παλμό κάτω από το νερό και μετρώντας τον χρόνο μέχρι ο παλμός να αντανακλαστεί, μπορούμε άλλωστε να υπολογίσουμε την απόσταση μέχρι ένα αντικείμενο ή τον βυθό της θάλασσας. Με άλλα λόγια, ο ήχος είναι κάτι περισσότερο από ένα μουσικό δώρο, ένα μέσο επικοινωνίας ή ένα προειδοποιητικό σήμα: αποτελεί αναπόσπαστο μέρος των σύγχρονων τεχνικών μας γνώσεων.

Ο ακουστός χαρακτήρας του ήχου

Όλα αυτά μας οδηγούν τελικά ξανά πίσω σε εκείνα τα δύο μαγικά όρια: τα 20 Hz και τα 20 kHz. Ο ήχος ανάμεσα σε αυτά τα δύο όρια είναι, άλλωστε, η πιο «απτή» για εμάς μορφή ήχου. Είναι το κορνάρισμα του αυτοκινήτου, αλλά είναι και η Ένατη Συμφωνία σε ρε ελάσσονα. Είναι ο ήχος στην πιο στενή του μορφή: ήχος που είναι απλώς αντιληπτός από τον άνθρωπο. Μένει τελικά το ερώτημα πώς μπορούμε εμείς πλέον να αντιληφθούμε αυτόν τον ήχο.

Στην ουσία, είναι το πτερύγιο του αυτιού που συλλαμβάνει τις ηχητικές δονήσεις και τις μεταφέρει μέσω του ακουστικού πόρου στο τύμπανο. Στο τύμπανο, ο ήχος μεταβιβάζεται στα ακουστικά οστάρια (σφύρα, άκμονας και αναβολέας), τα οποία λειτουργούν ως ενισχυτής. Στη συνέχεια, το υγρό μέσα στον κοχλία θα κινηθεί, με αποτέλεσμα και τα τριχωτά κύτταρα να ακολουθήσουν αυτό το παράδειγμα. Αυτές οι κινήσεις τελικά ερεθίζουν τις νευρικές απολήξεις, οι οποίες συνδέονται με το εγκεφαλικό στέλεχος. Ο εγκέφαλος στη συνέχεια θα «μεταφράσει» τα εισερχόμενα ερεθίσματα και θα τα στείλει στον θάλαμο. Αυτό το τμήμα του εγκεφάλου επεξεργάζεται επίσης τις πληροφορίες από αυτά που βλέπουμε ή νιώθουμε και θα ερμηνεύσει τη «μεταφρασμένη πληροφορία». Αυτή η ερμηνεία τελικά μεταβιβάζεται στον εγκεφαλικό φλοιό.

Στον εγκεφαλικό φλοιό ο ακουστός ήχος φτάνει στο τέλος του ταξιδιού του. Εδώ αποκτά ένα νόημα. Τον συνδέει με τις αναμνήσεις μας. Μας βοηθάει να αναγνωρίζουμε ήχους: τη φωνή μιας μητέρας ή τον ήχο ενός τρένου που πλησιάζει. Αυτές οι αναμνήσεις μπορούν επίσης να ξυπνήσουν συναισθήματα. Το άκουσμα της φωνής ενός ανθρώπου που έχει πεθάνει, για παράδειγμα, μπορεί να γίνει αιτία μελαγχολίας ή ευτυχίας, ακόμη κι αν δεν αναγνωρίζουμε τη φωνή ή δεν το συνειδητοποιούμε. Όπως ο ήχος είναι θαυμαστός, το ίδιο ισχύει και για τον εγκέφαλό μας. Κι ακριβώς γι’ αυτόν τον λόγο αγαπάμε τόσο πολύ τον ήχο και οι διάσημοι μουσικοί μπορούν να ζουν μια πλούσια ζωή.

Το να δίνουμε περισσότερο νόημα στον ήχο είναι ένα από τα στοιχεία που κάνουν τους ανθρώπους ανθρώπους.