Fizyka w krzywym zwierciadle, czyli o przesunięciach czasowych w kablach słuchawkowych słów kilka

Przesunięcia czasowe w domenie audio to zjawisko fizyczne, które rzeczywiście istnieje. Tym gorzej dla zjawiska. W świecie audiofilskim granica między fizyką a metafizyką jest bowiem często mniejsza niż dystans pomiędzy szczytem przyjemności, a obrzydzeniem, jak mawiał Cycero.

Ostatnio miałem przyjemność poruszać tematykę wadliwie w moim odczuciu zaprojektowanych słuchawek Hifiman Edition XV. Recenzja spotkała się z wysoce pozytywnymi reakcjami ze względu na jej rzeczowy i informacyjny charakter. Oczywiście były też i zdania odrębne, delikatnie mówiąc. Jedna z wypowiedzi w całym tym szumie okazała się jednak tak kuriozalna, że aż interesująca. Cyt.:

Według osoby postującej (tak się chyba teraz mówi?), kable słuchawkowe wprowadzają słyszalne przesunięcia czasowe między niskimi a wysokimi tonami. Ma to bezpośrednio kreować „scenę”, mimo braku zmian na wykresie pasma przenoszenia (FR). Jak również, że tej tematyki nie poruszam z obawy o negatywny odbiór u swojej społeczności.

Uczyńmy więc zadość prośbom tym pokornym i poruszmy sobie tą tematykę. Ale zamiast wdawać się w czcze dyskusje na forach, na których i tak nie mam możliwości zabrania głosu, omówmy sobie wyłuskane z tej wypowiedzi konkretne zagadnienia:

• Czy przesunięcia czasowe w domenie audio w kablach w ogóle zachodzą?
• Czy słuch ludzki jest w stanie to wychwycić?
• Kiedy aparatura pomiarowa jest w stanie to pokazać i w jaki sposób?
• Jak może to wpłynąć na scenę dźwiękową i czym ona w ogóle jest?

Zapowiada się ciekawie tym bardziej, że od dłuższego czasu planowałem się poruszyć te tematy. Przy czym postaram się wyjaśnić wszystko możliwie jak najkrócej i najprościej, mimo operowania na nudnej wiedzy fizycznej i liczbach.

Prędkość fali kontra nasza biologia czyli fundament absurdu

Zacznijmy od podstaw, o których autor wypowiedzi o „porządkowaniu czasu” nie wspomina.

Sygnał elektryczny w miedzianym przewodniku porusza się z prędkością propagacji wynoszącą zazwyczaj od 60% do 95% prędkości światła (c ≈ 300 000 000 m/s). Przyjmijmy bezpieczne 0,7c. Oznacza to, że sygnał, przykładowo w moim 3-metrowym kablu od Audio-Technica AD900X, pokonuje drogę od wzmacniacza do przetwornika w czasie około 14 nanosekund. Matematycznie wygląda to tak:

t = 3 m ÷ (0,7 ∙ 300 000 000 m/s) ≈ 14 ns

Aby poprawnie tą wartość zinterpretować, potrzebujemy kontekstu. I tu pojawia się zasadniczy problem w praktycznie każdej dyskusji audiofilskiej: kompletna niewiedza na temat kontekstu, w jakim się poruszamy. Innymi słowy, osoby z którymi rozmawiamy nie mają pojęcia co są w stanie usłyszeć, a co nie i do ilu dB/Hz.

Stwórzmy go sobie w tym momencie.

Ludzki mózg i mechanizm lokalizacji dźwięku (w skrócie ITD – o nim za moment opowiem więcej) operuje na różnicach rzędu 10 mikrosekund wzwyż. Jak łatwo policzyć, jedna mikrosekunda (μs) to 1000 nanosekund (ns). Aby kabel słuchawkowy mógł wprowadzić rzeczywiście słyszalne przez nas przesunięcie czasowe, które mózg miałby szansę w ogóle zarejestrować, ten musiałby mieć kilka kilometrów długości. Alternatywa? Fizyka prądu zmiennego musiałaby przestać istnieć w paśmie audio 20 Hz – 20 kHz. Ale gdy sprawdzałem dziś rano, ta wciąż obowiązywała.

Twierdzenie więc, że 2-metrowy, 3-metrowy, ileś tam metrowy kabel słuchawkowy „rozjeżdża czasowo” bas względem sopranu, to jak powiedzieć, że spóźniliśmy się do pracy, bo światło w przedpokoju miało „opóźnienie” względem tego w kuchni, gdy szliśmy zrobić sobie śniadanie.

Scena bez zmian na wykresie? Audiofile mówią „tak”, matematyka mówi „nie”

Cytowana teoria zakłada również, że „wykres się nie zmienia”, ale „scena się poprawia przez czas”. W rzeczywistości, w systemach liniowych domeny czasu i częstotliwości są ze sobą nierozerwalnie powiązane. A kabel pasywny jest przypomnę takim systemem. Jeśli ten faktycznie wprowadzałby przesunięcie czasowe dla konkretnych częstotliwości, musiałoby to być widoczne m.in. w pomiarze fazy (PHASE) oraz w odpowiedzi impulsowej (IMP). A każda zmiana w tych polach, która byłaby na tyle duża, by wpłynąć na psychoakustykę, nieuchronnie odbiłaby się na odpowiedzi częstotliwościowej (FR), choćby przez interferencje.

Z tego powodu nie musiałem ich wrzucać w artykuły o kablach – po prostu nie było takiej potrzeby. Tu nadarza się ku temu okazja, toteż bez problemu mogę zaprezentować dane fazowe i impulsowe.

Prześledźmy sobie więc ponownie trzy dobrze znane kable słuchawkowe:

• AF Audionum,
• Divaldi Tonalium,
• Audeos Deluxe Hybrid 8.

Słuchawkami cały czas są LCD-XC. Powód jest prosty – planary mają na ogół świetną odpowiedź impulsową. Szybkie i precyzyjne przetworniki są więc najlepsze do takich eksperymentów.

Wykresy fazowe, bez kompensacji:

Linia nawet nie drgnęła. Więc jeśli „wykres się nie zmienia”, to sygnał na wyjściu kabla jest identyczny z sygnałem na wejściu. Koniec kropka.

Wykresy impulsowe:

Dopiero tutaj można zauważyć bardzo minimalne fluktuacje, ale nie zmieniające strukturalnie wykresu i mieszczące się cały czas w granicach błędu pomiarowego. Ten wynikać będzie zawsze z powtarzalności osadzenia słuchawek na fantomie oraz analogowej natury samego pomiaru: z zachowania mechanicznego przetwornika, rezonansów membrany oraz akustyki komory wewnątrz słuchawek (odbicia od padów, dyfuzorów).

Gdyby kabel rzeczywiście wpływał na fazę i czas, widzielibyśmy wyraźne różnice na wykresie fazowym oraz przesunięcie samego początku impulsu (tzw. leading edge) lub drastyczną zmianę kształtu wybicia głównego na wykresie impulsowym. Skoro impuls startuje w tym samym punkcie i ma ten sam przebieg bez względu na kabel, teza o słyszalnych przesunięciach czasowych wprowadzanych przez kabel jest zwyczajnie nieprawdziwa.

Czy aparatura pomiarowa w ogóle jest w stanie to pokazać?

Akurat w cytowanym poście nie pada to bezpośrednio, ale między wierszami można dojść do wniosku, że pomiarami w audio rzeczywiście nie jesteśmy w stanie zmierzyć wszystkiego ponad ludzkim słuchem. Innymi słowy: wykresy powyżej są bezwartościowe, bo nie ujmują mierzonego zjawiska, ale da się to usłyszeć. To może zrodzić wątpliwości, czy aby na pewno pokazywana jest przeze mnie cała prawda? Czy może tylko kurczowe trzymanie się najwygodniejszej części prawd?

Jako człowiek, który od lat mierzy słuchawki i analizuje ich konstrukcję, muszę powiedzieć wprost: prawda jest tylko jedna i jest nią prawda faktów oraz liczb. W tym wypadku: fizyki i matematyki.

Stwórzmy sobie po raz kolejny kontekst naszych rozważań.

Czułość mojego urządzenia pomiarowego wynosi przynajmniej 0,1 dB. Jest to wartość absolutnie komfortowa do poważniejszej pracy z sygnałem analogowym. Przede wszystkim jednak, jest to fakt, który zwie się „specyfikacją techniczną”. W przypadku ludzkiego słuchu, takowa nie istnieje. Słuch jest uwarunkowany wieloma czynnikami, w tym wiekiem, narażeniem na hałas w miejscu pracy itd.

Uśredniając, o granicy ludzkiej percepcji można mówić tu w sposób optymistyczny przy wartościach 0,5-1 dB. Aby nasz mózg w ogóle zaczął cokolwiek rejestrować na poważnie, potrzebujemy ok. 1-2 dB różnicy. A żeby zaczął to robić w sposób całkowicie pewny i niepodważalny, różnica ta winna być na poziomie ok. 2-3 dB. Taką oto czułością charakteryzuje się nasz ośrodek słuchu.

Ponieważ operujemy tu na skali logarytmicznej, różnica czułości między 0,1 dB a 2-3 dB wynosi 20-30x na niekorzyść ucha ludzkiego. Sugerowanie więc, obojętnie wprost czy między wierszami, że użytkownik jakoby słyszy to, czego pomiar nie wykrywa, jest myśleniem wyłącznie życzeniowym.

Czym naprawdę jest scena i dlaczego to nie kabel ją tworzy?

Na tym etapie wiemy już, że:

• nasz słuch nie jest w stanie usłyszeć przesunięcia czasowego w domenie audio w kablu słuchawkowym, gdyż jest to fizycznie (i biologicznie) niemożliwe,
• ludzki słuch jest znacznie gorszy pod względem czułości od aparatury pomiarowej,
• przesunięcia fazowe i impulsowe w przypadku zmiany okablowania nie zostały odnotowane.

Skoro tak, to pytanie czym w ogóle jest scena słuchawkowa i jak ją słyszymy?

Scena w słuchawkach to, niestety zdradzę to od razu, czysta ułuda. Nasze uszy nie słyszą przestrzeni – one słyszą fale dźwiękowe, które mózg interpretuje jako przestrzeń.

Odbywa się to na podstawie trzech filarów:

• ITD (Interaural Time Difference) – opisywana już przeze mnie wcześniej różnica czasu, w jakim dźwięk dociera do lewego i prawego ucha. W słuchawkach jest ona narzucona przez realizację nagrania, a nie przez kabel.
• ILD (Interaural Level Difference) – różnica głośności między uszami (może to być dla wielu zaskoczeniem, ale każde nasze ucho ma własną, osobną izofonę).
• HRTF (Head-Related Transfer Function) – to jest w tym momencie element kluczowy. Nasz mózg interpretuje dystans w przestrzeni tak, że jeśli dźwięk ma osłabioną wyższą średnicę (okolice 3-4 kHz) i specyficznie podbite pasmo powyżej 10 kHz, to znajduje się on „dalej” lub „za nami”.

Słuchawki „grają scenicznie”, bo ich budowa modyfikuje pasmo przenoszenia w sposób, który oszukuje nasz osobisty DSP, czyli mózg. Kąt nachylenia przetworników względem uszu, głębokość padów, dyfrakcja na krawędziach obudowy – wszystko to ma znaczenie. Jedynie nad naszym DSP nie mamy żadnej kontroli, a on sam jest ustawiony na stałe w tryb AUTO.

Ponieważ zajmuję się audio zawodowo, w każdej recenzji zmagam się z nim i muszę przezwyciężać jego wpływ na odsłuch. Niemniej, dlatego o każdej recenzji pozbawionej pomiarów można mówić jedynie w kategoriach subiektywnych. Dopiero dane obiektywne są z samej definicji takowego „niekontrolowanego” wpływu DSP pozbawione. Stąd często ich rola jest wręcz demaskatorska, tak jak tutaj.

Słuchawki to nie „małe kolumny”

Osobiście podejrzewam, że większość teorii o „porządkowaniu domeny czasu” w kablach to pokłosie źle zrozumianej techniki głośnikowej. W świecie dużego stereo wyrównanie czasowe jest rzeczywiście realnym wyzwaniem. Inżynierowie i projektanci walczą o to, by dźwięk np. z ciężkiego głośnika basowego dotarł do słuchacza w tym samym momencie co impuls z lekkiej kopułki wysokotonowej. Wymaga to precyzyjnego projektowania zwrotnic i świadomego rozmieszczania przetworników na obudowie.

Typowy audiofilski błąd polega natomiast na bezmyślnej transplantacji tego problemu na grunt słuchawkowy. Słuchawki w ogromnej większości posiadają po jednym przetworniku szerokopasmowym. Nie ma tu zwrotnicy dzielącej pasmo w domenie elektrycznej. Chyba, że mówimy o IEMach, choć nawet i tam ewentualne przesunięcia fazowe wynikają z konstrukcji zwrotnicy i samych przetworników. Nie ma tu też fizycznego oddalenia źródeł tonów niskich od wysokich. Całe pasmo rodzi się w jednym punkcie.

Szukanie „przesunięć czasowych” w kablu, by wytłumaczyć lepszą scenę, to jak szukanie w lesie larw pajechu tylko dlatego, że zaklinał się na nie Grabarz w Księciu i Tchórzu. Scena kolumnowa budowana jest na fali odbitej od ścian, na interakcji dźwięku z głową, ramionami i klatką piersiową. Słuchawki to z kolei środowisko izolowane. Tu „scena” jest wyłącznie psychoakustyczną interpretacją tonalną. Tak też powinna być zawsze postrzegana w ramach każdej recenzji pisanej, zwłaszcza nie posiadającej pomiarów. Próba argumentowania, że kabel słuchawkowy „emuluje” zachowanie znane z kolumn poprzez manipulację nanosekundami w miedzi, jest nie tylko karkołomna – jest wprost idiotyczna.

Podsumowanie

Scena w słuchawkach to fascynujący teatr psychoakustyczny oparty na tonacji, odbiciach wewnątrz muszli, jakości oraz strojeniu samych przetworników. Słyszenie rzekomych „przesunięć czasowych” w kablu słuchawkowym to nie dowód wysokiej wrażliwości słuchu. To fundamentalny brak wiedzy na temat skali zjawisk fizycznych oraz możliwości (i ułomności) własnego organizmu. W konsekwencji budując fałszywe przeświadczenie o wpływie różnych komponentów na konkretne aspekty dźwiękowe.

Dlatego próbom tłumaczenia magii za pomocą nauki (tu połączonym z wywoływaniem do tablicy), postanowiłem powiedzieć „sprawdzam”. Nie w formie marnowania czasu na kłótnie po forach branżowych, a kompleksowego artykułu pisanego całkowicie poważnie. Zatem jeśli rzeczywiście chcemy rozmawiać o audio poważnie, to albo przestańmy operować na magii, albo czytać fora, na których słyszy się nanosekundowe opóźnienia w kablach.