W dyskusjach o audiofilskich akcesoriach regularnie dochodzi do fascynującego zjawiska, które w metodologii naukowej określa się mianem cargo cult science. Polega ono na zapożyczaniu z fizyki i elektrotechniki realnych, skomplikowanie brzmiących terminów (takich jak czas narastania sygnału, odpowiedź impulsowa, tłumienie przetwornika czy zjawisko naskórkowości). Następnie łączy się je w logiczne potworki, które mają z góry uzasadnić subiektywne wrażenia odsłuchowe. Podobno jest to czysta fizyka.
W rzeczywistości jest to fizyka w krzywym zwierciadle i tak też zatytułowany jest niniejszy artykuł. Jest on kontynuacją serii pod tym samym tytułem, gdzie poprzednio rozprawialiśmy się z tematem opóźnień czasowych w kablach. Udowodniliśmy tam wspomnianą już czystą fizyką, że coś takiego nie zachodzi. A jak to będzie tym razem?
Twierdzenie Artoriasa
Wszystkie rzeczy mają gdzieś swój początek. Ostatnio w sieci pojawiła się teza sugerująca, że (cyt.):
„Przewody, gdzie sygnał rozdziela się na setki nitek, mają inną charakterystykę niż solid-core. Plecionki napowietrzają scenę i rozciągają ją na boki z łagodniejszym konturem, podczas gdy zaletą drutu jednolitego jest błyskawiczna odpowiedź impulsowa i czas narastania sygnału, co pozwala błyskawicznie pobudzić i wygasić przetwornik dynamiczny. To czysta fizyka. (…)”
Dla porządku, ale też aby oddać na swój sposób autorstwo pomysłodawcy tej śmiałej teorii, niech będzie ona znana odtąd jako Twierdzenie Artoriasa.
Niestety nie zawierało ono żadnych dowodów ani pomiarów. Toteż jak zwykle okrutny ciężar tegoż procesu spada na dostatecznie już zmęczone barki nasze. Ale cóż, również i to udźwigniemy. Skoro wywołano fizykę do tablicy, sprawdzimy, co na ten temat mówią twarde wzory, fizyka i elektrotechnika. Bo przecież skoro to czysta fizyka, to przecież nic nie powinno stać na przeszkodzie, aby móc to zmierzyć i obliczyć, prawda?
„Rozdzielanie się sygnału na nitki” a pasmo akustyczne
Głównym motywem Twierdzenia Artoriasa jest przekonanie, że prąd płynący przez wiązkę cienkich drucików (czyli wspomnianą linkę, tudzież plecionkę) zachowuje się fundamentalnie inaczej niż w pojedynczym drucie o tej samej sumarycznej masie miedzi (solid-core).
W pasmie akustycznym 20 Hz – 20 kHz i przy typowych długościach kabli słuchawkowych od 1,25 do 3,0 m przewód nie stanowi linii długiej w rozumieniu falowym. Z punktu widzenia sygnału audio przewód to skupiony obwód RLC (Rezystancja, Indukcyjność, Pojemność).
Co ze zjawiskiem naskórkowości (skin effect)?
Audiofile często powołują się na to, że prąd zmienny wypychany jest ku powierzchni przewodnika. Głębokość wnikania pola ẟ w czystej miedzi opisuje równanie:
Dla najwyższej słyszalnej przez człowieka częstotliwości (ƒ = 20 kHz) głębokość wnikania wynosi około 0,46 mm. Oznacza to, że pojedynczy drut miedziany musiałby mieć średnicę grubo przekraczającą 0,92 mm (czyli przekrój ponad 0,66 mm2), aby zjawisko naskórkowości zaczęło w ogóle jakkolwiek dotykać jego rdzenia. I to na samym skraju pasma słyszalnego przez człowieka.
W typowych kablach słuchawkowych przekroje pojedynczych żył są znacznie mniejsze. W pasmie słyszalnym gęstość prądu w całym przekroju przewodu jest jednorodna. Sygnał nie wie, czy płynie jedną grubszą żyłą, czy trzydziestoma splecionymi drucikami. Dlatego wypadkowa rezystancja stałoprądowa (Rdc) dla obu wariantów o tym samym przekroju jest identyczna.
Twierdzenie Artoriasa jest więc w tym zakresie fałszywe już na etapie obowiązującej wiedzy o zjawisku, na które się ono powołuje.
„Czas narastania sygnału” kontra szybkość drutu
Idziemy dalej. Twierdzenie Artoriasa mówi, że kabel solid-core ma „błyskawiczną odpowiedź impulsową”, która zauważalnie szybciej pobudza membranę słuchawek. Zatem zakłada istnienie jakiegoś mechanicznego opóźnienia w samym przewodniku.
Kable audio nie mają własnej „bezwładności” w skali słyszalnej dla ucha. Prędkość propagacji fali elektromagnetycznej w dielektryku kabla (współczynnik skrócenia ʋ) wynosi typowo:
Czas potrzebny na przebycie standardowego, dwumetrowego odcinka przewodu wynosi:
Dla porównania: okres jednej fali przy częstotliwości 20 kHz to 50 000 ns. Opóźnienie wprowadzane przez kabel jest o cztery rzędy wielkości mniejsze niż okres najwyższego słyszalnego dźwięku. Żaden przetwornik na świecie – elektrostatyczny, magnetostatyczny, a tym bardziej dynamiczny z membraną o masie liczonej w miligramach – nie jest w stanie zareagować na różnice w skali ułamków nanosekund.
Znów więc Twierdzenie Artoriasa nie znajduje pokrycia w obowiązującej matematyce i fizyce. Pozwolę sobie zauważyć, że nawet nie dotknęliśmy jeszcze tematu eksperymentów pomiarowych. Cały czas operujemy tylko na „czystej fizyce”.
Wygaszanie przetwornika (współczynnik tłumienia)
Przejdźmy do kolejnego aspektu Twierdzenia Artoriasa, czyli zdolności drutu jednolitego do „błyskawicznego wygaszania przetwornika dynamicznego”.
Wygaszanie drgań membrany przetwornika dynamicznego po zaniku sygnału to proces wynikający z:
- Tłumienia mechanicznego zawieszenia (Qms).
- Tłumienia elektrycznego (Qes), które opiera się na sile elektromotorycznej generowanej przez cewkę poruszającą się w polu magnetycznym.
Tłumienie elektryczne zależy od całkowitej rezystancji zamkniętego obwodu:
Rcałkowita = Rcewki + Rwzmacniacza + Rkabla
Typowa cewka współczesnych słuchawek dynamicznych ma rezystancję nominalną od kilkunastu do kilkuset omów (na ogół 16 – 300 Ω). Rezystancja dobrze wykonanego kabla słuchawkowego (zarówno plecionki, jak i solid-core) to zazwyczaj rząd 0,1 – 0,3 Ω.
Jeżeli przewód solid-core i plecionka mają identyczną rezystancję sumaryczną, siła tłumiąca cewkę jest w obu przypadkach co do ułamka procenta taka sama. Drut nie posiada żadnej ukrytej zmiennej tłumiącej poza rezystancją, indukcyjnością i pojemnością.
Znów więc wartości realne nie pokrywają się nam z tym, co znajduje się w twierdzeniu.
Czysta fizyka czy słyszenie za mało?
Choć wspomniana czysta fizyka została bezpośrednio przywołana w treści Twierdzenia, w swojej delikatnie rozszerzonej wersji zwrócono uwagę na zupełnie inny problem – słyszenie za mało. Czyli aby Twierdzenie funkcjonowało prawidłowo, trzeba odpowiednio dużo słyszeć? Zachodzi tu swoisty dysonans, bo albo operujemy na czystej fizyce, albo zaczynamy zaprzęgać do pracy empiryzm.
To by zresztą tłumaczyło, dlaczego w opiniach odsłuchowych regularnie powtarza się dokładnie ten sam schemat:
- Plecionka (miękka, wiotka, luźno spleciona) → „gra przestrzennie, napowietrza scenę, łagodzi kontury”.
- Solid-core (sztywny, twardy drut, zwarty przekrój) → „gra twardo, zwarcie, z szybkim impulsem i konturem”.
Jest to klasyczny przykład autosugestii synestetycznej – ludzki mózg podświadomie mapuje wrażenia dotykowe i wzrokowe na percepcję słuchową. Gdy wiemy, że podłączyliśmy sztywny, masywny drut, podświadomość dopowiada „sztywny, zwarty bas”. Gdy wpinamy puszystą plecionkę, mózg interpretuje to jako „napowietrzenie sceny”.
| Typ przewodu | Cechy fizyczne | Przypisywane cechy brzmienia | Rzeczywistość pomiarowa czystej fizyki |
| Plecionka lub linka | Miękka, elastyczna, wielożyłowa | „Zwiewność”, „rozciągnięcie sceny”, „łagodne krawędzie” | Czysty obwód RLC; brak wpływu na pasmo akustyczne |
| Solid-core | Sztywny, jednolity drut | „Twardy bas”, „błyskawiczny impuls”, „wygaszanie przetwornika” | Identyczna odpowiedź impulsowa przy tej samej rezystancji |
Czyli nie jest to „czysta fizyka”, a po prostu czysta autosugestia. Albo mówiąc wprost: „słyszenie za dużo”. I tu jest cały problem.
Podsumowanie
Coraz częściej skłaniam się ku poglądowi, że twierdzenia głoszone w naszym światku audio nie powinny być anonimowe. Trzeba bowiem sporej pomysłowości, uporu, a czasami może też i odwagi, aby publicznie je wygłaszać. Nie mówiąc o tym, że bronić lub traktować jako oręż w dyskusjach. Stąd chyba warto zacząć nazywać je od ich autorów, oddając Cezarowi to, co cesarskie. Niestety, w tym wypadku sformułowane Twierdzenie Artoriasa okazało się w trzech swoich kluczowych aspektach chybione.
Fizyka rządząca przepływem prądu w przewodnikach dla częstotliwości do 20 kHz jest od dawna precyzyjnie opisana. Docenić można pomysłowość inwencji „rozdzielania się prądu na nitki” czy „szybszych elektronów w drucie jednolitym”. Ale jak pokazała „czysta fizyka”, jak również przeprowadzone wcześniej doświadczenia pomiarowe z różnymi kablami, różnice między poprawnie wykonanymi kablami słuchawkowymi o zbliżonej geometrii i przekroju leżą w:
- Ergonomii i elastyczności.
- Odporności na uszkodzenia mechaniczne i utlenianie.
- Jakości wtyków i lutów.
- Trwałości ekranowania i izolacji.
Wszystko ponad to – doszukiwanie się w geometrii splotu wpływu na czas narastania zbocza sygnału czy selektywne wygaszanie drgań membrany – to życzeniowy bełkot pseudonaukowy, który umiera już na etapie starcia z wzorami fizycznymi. Dokładnie tak samo jak wcześniej umarła teoria o przesunięciach czasowych w kablach.
Poezja ubrana w przeinaczone pojęcia elektrotechniki nie staje się rzeczywistością tylko dlatego, że takie jest nasze życzenie. Kabel ma po prostu przewodzić sygnał z jak najmniejszymi stratami omowymi. Resztę dopowiada już wyłącznie nasza psychika, tudzież chęć trollowania innych. Bo choć wydaje się to zabawne, są ludzie, którzy potrafią w to uwierzyć, więc może jednak troszkę więcej odpowiedzialności za słowo pisane nie zaszkodzi.
