Krajobraz dźwiękowy – nowy kierunek badań w AGH – blog naukowy

Soundscape to dziedzina nauki, która od kilkunastu lat dynamicznie rozwija się w czołowych uniwersytetach na świecie. Jej angielską nazwę można tłumaczyć jako pejzaż dźwiękowy lub krajobraz dźwiękowy. Specjaliści z zakresu soundscape’u zajmują się wpływem naturalnych i cywilizacyjnych dźwięków środowiska na pojedynczego człowieka lub na grupę społeczną, na percepcję oraz na relacje między dźwiękiem a naszym bieżącym działaniem.

 

Tradycyjne badania na tym polu były dotychczas ukierunkowane na ograniczanie emisji hałasu oraz na analizę jego negatywnego oddziaływania na człowieka i środowisko naturalne. Aktualnie coraz częściej naukowcy wskazują na nowe sposoby takiego projektowania przestrzeni miejskiej, jakie będzie sprzyjało odpowiedniej gospodarce hałasem w metropoliach. Dodatkowo, dzięki możliwościom ambisonicznych mikrofonów, możliwa jest rejestracja i analiza dźwięków na potrzeby zadań ochronnych Europejskiej Sieci Ekologicznej Natura 2000. Tego typu badaniami zajmują się uczeni z Katedry Mechaniki i Wibroakustyki na Wydziale Inżynierii Mechanicznej i RobotykiAkademii Górniczo-Hutniczej. Na ich pracę składają się dwa typy działań: rejestracja krajobrazu dźwiękowego (soundscape) i jego realistyczne odtwarzanie w warunkach laboratoryjnych (auralizacja) oraz generowanie dźwięków danego środowiska w warunkach laboratoryjnych.

 

Dźwięki wokół nas

 

Naukowcy pracują nad projektem mającym na celu rejestrację pejzażu dźwiękowego i analizę zarejestrowanych dźwięków pod kątem zrozumienia ich ewolucji, funkcji i zmieniających się pod presją środowiska właściwości. Na aktualnie prowadzone badania soundscap’u składają się: rejestracja unikatowych dźwięków występujących w przyrodzie lub w danej grupie społecznej. W kręgu zainteresowań akustyków jest analiza tła akustycznego występującego w miastach oraz pozyskiwanie dźwięków na potrzeby programu ochrony przyrody „Natura 2000”.
„Wraz z rozwojem wielu dziedzin życia zanikają dźwięki, które są związane z bieżącą egzystencją danego miejsca. Przecież w Krakowie 100 lat temu ludziom towarzyszyły zupełnie inne dźwięki niż obecnie. Dlatego teraz powinniśmy archiwizować nagrania, aby w przyszłości ludzie mogli usłyszeć, jak ich miasto brzmiało dawno temu. Dźwięki przyporządkowane do danego miejsca cały czas ewoluują, co kilkadziesiąt lat zmieniają się nie tylko w przestrzeni, ale i w czasie, a niektóre zanikają” – tłumaczy prof. dr hab. inż. Jerzy Wiciak, kierownik Katedry Mechaniki i Wibroakustyki na Wydziale Inżynierii Mechanicznej i Robotyki. Naukowcy z Katedry Mechaniki i Wibroakustyki postanowili rozwijać swoje badania w kilku kierunkach. Po pierwsze rozpoczęto rejestrację unikatowych odgłosów występujących tylko w Polsce. Mówimy o najbardziej rozpoznawalnych dźwiękach takich jak melodia hejnału Mariackiego, bicie dzwonu Zygmunta, stukot kopyt końskich i skrzypienie dorożek wracających wieczorem z Rynku Krakowskiego. Oczywiście dla każdego regionu zestaw brzmień będzie zupełnie odmienny.
Po drugie – co jest związane z auralizacją – zespół prof. Wiciaka prowadzi działania związane z rejestracją oraz odtwarzaniem zróżnicowanych przestrzeni i zjawisk dźwiękowych. Nowoczesne techniki auralizacyjne umożliwiają umiejscawianie wyselekcjonowanych wcześniej dźwięków, w zarejestrowanych przestrzeniach o charakterystycznej akustyce. Możliwa jest też dźwiękowa symulacja pewnych zdarzeń np. efektu akustycznego jaki będzie osiągnięty poprzez instalację ekranów akustycznych. Suche liczby i profesjonalne wskaźniki (np. skuteczność ekranu w decybelach) nigdy nie przemawiają tak do wyobraźni, jak kryjące się za nimi dźwięki, gdy na własne uszy można poczuć, jak faktycznie zmniejszy się hałas. Trzecim celem jest wykazanie negatywnych skutków pewnych oddziaływań. Analiza sygnałów dźwiękowych pozwala określić, jak zmieni się środowisko naturalne na skutek budowy i działalności obiektów przemysłowych, nowych ciągów komunikacyjnych, czy rozbudowy portów lotniczych. Po czwarte: wierne odwzorowanie warunków akustycznych w różnych środowiskach umożliwia prowadzenie badań psychoakustycznych mówiących o wpływie różnego typu dźwięków na samopoczucie. Kolejna możliwość to budowanie nowoczesnych sal muzealnych, gdzie oprócz instalacji wizualnych można wprowadzić instalację akustyczną, która sprawi wrażenie, że dochodzące do nas dźwięki będą takie, jakbyśmy się znajdowali np. w środku puszczy, na Rynku Krakowskim lub na rynku targowym średniowiecznego miasta.

 

Projektowanie cichych miast

 

W wyniku badań nad soundscap’em naukowcy starają się wyłowić te dźwięki, które są dla nas tak miłe, że chcielibyśmy, aby znajdowały się w naszym otoczeniu. Takie podejście jest realizowane w wielu miejscach na świecie w formie „cichych miast”, gdzie nie patrzy się na hałas i wartość przekroczeń dopuszczalnych, ale raczej poszukuje dźwięków, które pomogą łagodzić, a nawet zamaskować hałas. Do takich dźwięków zalicza się np. szum fontanny, wodospadu czy przepływającej rzeki. Obecnie w miastach coraz częściej projektuje się tego typu instalacje, które wprowadzają dźwięki kojące i miłe dla ucha. Projekty akustyczne mają także inny cel – wprowadzenie odpowiednich stref ciszy.

„W projektowaniu cichych miast nie chodzi tylko o ograniczanie hałasu, a raczej o umiejętną gospodarkę dźwiękiem, bo hałas w metropoliach jest i będzie obecny, gdyż towarzyszy on ciągłym procesom cywilizacyjnym. Niemniej ważne jest, aby hałas odpowiednio dystrybuować i projektując miasta dodawać dźwięki, które – jak wynika z naukowych badań – są pozytywne.
Można tak połączyć elementy architektoniczne gospodarki przestrzennej i rozwiązania techniczne, aby percepcja dźwięków była jak najbardziej pozytywna. Aby to osiągnąć konieczne jest wykonywanie badań psychoakustycznych, w celu wyznaczenia interakcji pomiędzy bodźcami (dźwiękami) a odczuciami. Jest to bardzo istotny element naszych badań” – mówi dr inż. Paweł Małecki.
Istnieją jednak miasta, gdzie tendencje są odwrotne i hałas nieustannie narasta. Kolejne zakłady przemysłowe i rozwiązania komunikacyjne powodują zwiększenie hałasu, a zarządzający danym terenem nie uwzględniają rozwiązań, jakie niesie współczesna nauka. Nie chodzi tylko o wprowadzanie dźwięków kojących, ale o wykorzystanie roślinności, która mogłaby funkcjonować w krajobrazie ekranów akustycznych budowanych w mieście. Prawidłowo dobrana roślinność umożliwiałaby w najbliższym sąsiedztwie zarówno kształtowanie klimatu akustycznego jak i pochłanianie innych rodzajów zanieczyszczeń powietrza.

 

Ochrona enklaw ekologicznych

 

W czerwcu 2014 roku w Paryżu w Narodowym Muzeum Historii Naturalnej akustycy - ekolodzy z całego świata zebrali się na pierwszej europejskiej konferencji „Ecology and acoustics: emergent properties from community to landscape”, podczas której porównywali swoje naukowe doświadczenia. Z tego wynika, że ta bardzo nowoczesna gałąź wiedzy ma coraz szerszy zasięg i coraz więcej uczonych bierze udział w badaniach. Do roku 2020 Polska, jako kraj członkowski Unii Europejskiej jest zobowiązany do zatrzymania spadku różnorodności biologicznej i odtworzenia jej „tak dalece jak to wykonalne”. Czy się to uda, zważywszy na to, że rozwijająca się gospodarka pociąga za sobą nieuchronne zmiany w zagospodarowywaniu kolejnych przestrzeni? Inwestycje drogowe i kolejowe wprawdzie w naszym kraju idą wolno, ale jednak wymagają pozyskiwania nowych terenów. Wycinki lasów pod autostrady, estakady i drogi dojazdowe są niezbędne, aby wprowadzić nasz kraj na poziom rozwoju podobny innym krajom unijnym. Niestety, dzieje się to kosztem dzikich zwierząt, których przestrzeń życiowa systematycznie się kurczy. Mimo bardzo dobrze prowadzonej w wielu miejscach gospodarki leśnej raczej trudno o zrównoważony rozwój. Coraz więcej ścieżek dla migrujących zwierząt jest zamykanych przez różnego rodzaju inwestycje. „Nasze działania w początkowej fazie skupiały się właśnie na ochronie natury; chcieliśmy mieć naukowe badania, których wyniki będą jednoznacznie mówiły o sytuacji takich ekologicznych enklaw. Dlatego wybraliśmy Puszczę Niepołomicką. Niepołomice zafascynowały nas początkowo jako miejsce badań hałasu. Dopiero na miejscu w czasie pierwszych pomiarów, w pewien kwietniowy poranek 2014 roku wsłuchując się w śpiew godowy ptaków dotarło do nas, z jakim cudem natury mamy do czynienia. Tamtejsze natężenie dźwięku i jego rozmaitość to dla akustyka prawdziwy raj” – mówi dr inż. Agnieszka Ozga.
Poza dźwiękami samej natury słychać w lesie samochody jadące autostradą A4, która przebiega przy południowym brzegu puszczy. Słychać również pociągi, a obecnie także odgłosy modernizowanej trasy dla pendolino. W samym środku puszczy mieszkają ludzie i prowadzą działalność gospodarczą. Leśnicy i pracownicy tartaku zajmują się gospodarką leśną, a w słoneczny dzień po alejkach chodzą, biegają, jeżdżą na rolkach i rowerach okoliczni mieszkańcy. Z drugiej strony w Puszczy Niepołomickiej żyje 175 gatunków ptaków, w tym gatunki chronione: muchołówka białoszyja (Ficedula albicollis), puszczyk uralski (Strix uralensis), dzięcioł średni (Dendrocopos medius), dzięcioł zielonosiwy, dzięcioł czarny, brodziec samotny, cietrzew, czapla siwa i włochatka, zimorodek, derkacz, kania czarna, remiz, trzmielojad, orlik krzykliwy, błotniak zbożowy i łąkowy, rybołów, kobuz i bocian czarny. Puszcza jest domem dla dużych ssaków żyjących na wolności: saren, kozłów, jeleni, łań i dzików. Stado żubrów jest objęte ścisłą ochroną bez dostępu osób postronnych. Ostatni wilk został zastrzelony przez myśliwego na terenie puszczy 20 lat temu. Przyjeżdżają tam myśliwi, bo liczba dużej zwierzyny jest ogromna. Coraz więcej ludzi chce budować wokół puszczy domy.
W pierwszej fazie w badaniach na terenie Puszczy Niepołomickiej brali udział następujący pracownicy Katedry Mechaniki i Wibroakustyki: dr inż. Cezary Kasprzak, dr inż. Maciej Kłaczyński, dr inż. Dominik Mleczko, dr inż. Paweł Małecki, dr inż. Agnieszka Ozga, dr hab. inż. Janusz Piechowicz, dr inż. Jacek Wierzbicki i dr hab. inż. Tadeusz Wszołek. Prowadzenie sesji nagraniowych było możliwe dzięki uprzejmości Nadleśniczego mgr. inż. Michała Gosia i jego współpracowników.
Ale nauka ma to do siebie, że ewoluuje. Zachwyceni dźwiękami natury naukowcy postanowili poszukać bardzo cichych miejsc w Polsce i uznali, że należy zbadać najbardziej pierwotną puszczę, nie ograniczoną działalnością człowieka. I tak z Puszczy Niepołomickiej nasi uczeni trafili do Białowieskiego Parku Narodowego. W przyszłości planują nagrać dźwięki w polskich Karpatach. „Obecnie realizujemy projekt, który nazwaliśmy «Cztery pory roku w Puszczy Białowieskiej». Dotychczas zrealizowaliśmy nagrania latem i jesienią. Niestety, tegoroczna zima nie jest typowa, wygląda raczej na przedwiośnie. Najpiękniejsze i najbardziej urozmaicone dźwięki zapewne zdobędziemy na wiosnę, gdy odbywają się ptasie gody. Wtedy natężenie dźwięków ma wartość porównywalną do hałasu w mieście” – mówi prof. Jerzy Wiciak. Dzięki uprzejmości Dyrektora Białowieskiego Parku Narodowego dr. Mirosława Stepaniuka i jego pracowników, między innymi Łukasza Ławrysza, naukowcy mają dostęp w Białowieskim Parku Narodowym do miejsc, gdzie funkcjonują pierwotne prawa natury, a dźwięk ryczących jeleni, czy ptaków nawołujących swoich partnerów jest zakłócany tylko przez wszechobecne świerszcze. Wśród unikatowych dźwięków, które udało się naukowcom zarejestrować jest odgłos wydawany przez bardzo cichego i jednocześnie największego żyjącego ssaka Europy, władcy puszczy – żubra.

 

Proces pozyskiwania dźwięków

 

Naukowcy rejestrują dźwięki w wielu miejscach, które wybierają w zależności od rodzaju badań. Obecnie są oni w posiadaniu wielu dźwięków z różnych miejsc w mieście i z obszarów zalesionych. Przeciętnie sesja nagraniowa trwa do 10 godzin. Samo po zyskiwanie nagrań jest dość proste, ale kolejnym, znacznie trudniejszym krokiem, jest opisanie tego, co słyszymy. Dźwięki miejskie nie stanowią żadnego problemu, za to leśne są prawdziwym wyzwaniem, dlatego w tej części pracy niezbędna jest współpraca ze znawcami przyrody. W Puszczy Niepołomickiej i Białowieskim Parku Narodowym nasi uczeni nawiązali współpracę z pracownikami, którzy z kolei skierowali ich do ornitologów. „Jedni i drudzy pomagają nam zidentyfikować zarejestrowane odgłosy natury. Posiłkujemy się też wzorcami, które można znaleźć w internetowej bazie nagrań” – mówi dr inż. Paweł Małecki. W puszczy naukowcy rozpoczynają nagrania w środku nocy, bo ptaki pojawiają się na swoim terenie na godzinę przed świtem, rozpoczynając swoje śpiewy. „Naszym marzeniem jest zbadanie, jak gatunki ptaków zmieniają śpiew w zależności od tego, czy ich środowiskiem życia jest pierwotna puszcza, czy miejsce, gdzie hałas antropogeniczny jest wszechobecny. Na naszych oczach dzieje się ewolucja” – mówi dr Agnieszka Ozga. W 2003 roku na łamach Nature Hans Slabbekoorn i Margriet Peet opublikowali wyniki na temat badań sikorek, które zmieniają swój śpiew w taki sposób, że ich godowe piosenki nie są maskowane przez hałas niskiej częstotliwości. Podobnie jak w wielu europejskich ośrodkach, na AGH prowadzone są badania dotyczące zmian śpiewu ptaków na skutek wpływu środowiska. „W Polsce mamy do czynienia z dużą różnorodnością dzikich zwierząt żyjących na wolności, w tym wilków, których nie ma już w Niemczech czy w Anglii. W chwili, gdy i do nas dojdzie ten sam rozwój, być może również stracimy to bogactwo. Dlatego tak ważne są nasze obecne badania – mamy nadzieję, że pomogą one ochronić polskie ekologiczne enklawy przed wyginięciem” – mówi dr A. Ozga.

 

Projektowanie idealnej akustyki

 

Auralizacja jest tym dla dźwięku, czym wizualizacja dla obrazu. To dziedzina nauki, która ma pomóc między innymi w takim projektowaniu budynków i ich poszczególnych pomieszczeń, aby miały one prawidłową akustykę. Np. architekt pracujący nad projektem filharmonii może już na etapie opracowywania go, dzięki pomocy specjalistów zajmujących się akustyką, usłyszeć jak dźwięk będzie się w nim rozchodzić. Deweloper zamawiający projekt budynku mieszkalnego może zamówić prezentację dźwiękową, aby kupujący od niego mieszkanie usłyszeli, jaki hałas będzie generowała winda, a jak wyraźnie będzie słychać tramwaj przejeżdżający w pobliżu bloku.

 

Laboratorium auralizacji

 

Wyposażenie laboratorium składa się z szesnastokanałowego systemu odsłuchowego (szesnastu głośników). „Nasze rozwiązanie oparliśmy na planie geometrycznej sfery, składającej się z trzech warstw. Pierwsza to osiem głośników znajdujących się na ringu na wysokości uszu oraz po cztery nad i pod osią uszu” – mówi dr inż. Paweł Małecki. System pracuje na cyfrowo-analogowych przetwornikach połączonych optycznie i odpowiednich algorytmach opracowywanych przez naukowców z Katedry Mechaniki i Wibroakustyki. „Algorytmy te umożliwiają dekodowanie sygnału zarejestrowanego mikrofonem ambisonicznym pierwszego rzędu. Jest to czterokapsułowy mikrofon, który umożliwia zarejestrowanie sygnału w standardzie b-format, a którego zaletą jest możliwość konwersji przestrzennej. Rejestruje on przestrzenne cechy pola akustycznego – nie tylko ciśnienie akustyczne, ale też informację o kierunku dochodzenia fali. Jeśli chcemy odtworzyć zjawiska dźwiękowe występujące w naturze lub w pomieszczeniu, to najpierw należy je zarejestrować. Następnie przy pomocy operacji algebraicznych generuje się sygnał dla tych szesnastu głośników. Drugą opcją jest rejestracja wielokanałowej odpowiedzi impulsowej pomieszczenia, czyli takiego filtru, który później posłuży do symulacji dowolnego dźwięku nagranego w warunkach pola swobodnego, na przykład w komorze bezechowej, do odtworzenia go w danym pomieszczeniu” – wyjaśnia naukowiec z AGH.

 

Tekst: Ilona Trębacz