<
2016. november 8.

Szerző:
Szegedi Imre

A hangok világa

A hangokkal kapcsolatos, Magyarországon végzett kutatásaiért 1961-ben kapott orvosi Nobel-díjat Békésy György. Napjainkban a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem (BME) munkatársai azokat az akusztikai-fonetikai jellemzőket elemzik, amelyek a Parkinson-kór kialakulásának korai fázisában megváltoznak. Az Eötvös Loránd Tudományegyetem (ELTE) szakemberei a gravitációs hullámok kimutatását úgynevezett infrahangdetektor fejlesztésével segítették. A hangok világa jóval sokrétűbb annál, mint amit az emberek meghallanak.


Hangnak a rugalmas közegben fellépő mechanikai rezgéseket és hullámokat nevezik. A hang terjedési sebessége levegőben másodpercenként 330-340 méter, vízben körülbelül 1400, acélban másodpercenként nagyjából 5000 méter. Légüres térben ezek a mechanikai hullámok nem terjednek. (Emlékezhetünk a középiskolás kísérletre: a búra alá helyezett csengő hangját nem hallottuk, ha kiszivattyúzták a levegőt.) A hang két legfontosabb jellemzője a hangerősség és a hangmagasság. A hang magasságát a rezgésszáma határozza meg, azonos frekvencia esetén a nagyobb amplitúdójú hangrezgés hangerőssége a nagyobb. A frekvencia szerinti felosztás szerint a hallható hang frekvenciája 20 hertz és 20 kilohertz közé esik. A 20 hertznél kisebb frekvenciájú hangot infrahangnak, a 20 kilohertznél nagyobbat ultrahangnak nevezik.

Az 1899-ben született Békésy György 1961-ben „a belső fül csigájában létrejövő ingerületek fizikai mechanizmusának felfedezéséért” kapott orvosi-élettani Nobel-díjat – pedig nem volt orvos. A távközléssel foglalkozó mérnökök Békésyt az eddigi egyetlen Nobel-díjas postamérnökként tartják számon – pedig villamosmérnök se volt; diplomáját kémiából, doktori fokozatát fizikából szerezte. A budapesti Postakísérleti Állomás munkatársaként mérési módszereket dolgozott ki, illetve berendezéseket készített. Az 1928-ban átadott Magyar Rádió stúdiójának akusztikai tervei mellett a nagyzenekari előadásokra 1935-ben épített hatos stúdió akusztikai kialakítását is ő tervezte – utóbbit Dohnányi Ernő fő-zeneigazgató közreműködésével. A háború után kutatói ösztöndíjat kapott a svéd Karolinska Intézetbe, 1946 őszén utazott Stockholmba – soha többé nem tért vissza Budapestre. 1947 szeptemberében meghívták az Egyesült Államokba, a Harvard Egyetemre. „A Harvard Egyetem nagyszerűen felszerelt pszichoakusztikai laboratóriumában 17 évet töltöttem” – írta visszaemlékezéseiben Békésy. A Nobel-díj indoklása szerint a kutató állatkísérletekkel bizonyította be, hogy a hallószerv működése a halál beállta után is fennmarad bizonyos ideig, tehát egy felboncolt hallószerven is tanulmányozhatók a hang által kiváltott valóságos folyamatok. Kimutatta, hogy a belső fülben, a csigában lévő alaphártya ugyanúgy feszítetlen, ahogyan a középfület határoló dobhártya. Így a hangmagasság érzékelése nem történhet az alaphártya rezgésének rezonanciájával. Az emberi hallószerv működésére vonatkozó kutatások jelentős részét – amelyekért végül a Nobel-díjat kapta – Magyarországon végezte az 1930-as években és az 1940-es évek első felében.

Akusztikai stúdió

Békésy György elment, egyik tanítványa, Tarnóczy Tamás itthon maradt, s ha már maradt, felvirágoztatta a hazai akusztikát. Az Egyesült Izzó kutatólaboratóriumában végezte első beszédhangvizsgálatait, majd 1940-től Bay Zoltán tanársegéde lett a Műegyetemen. A külföldre távozott Békésy György félbehagyott akusztikai kutatásainak folytatására a KFKI Akusztikai és Ultrahang Kutatócsoport 1949-ben az ő vezetésével alakult meg. 1951-ben a Népstadion elektroakusztikai eszközeinek kimunkálásánál ő is jelen volt. Nevéhez fűződik az Erkel Színház háború utáni felújításának akusztikai tervezése. Az Erkel Színház korábban világviszonylatban az egyik legrosszabb akusztikájú színház volt. (Több világklasszis bukott meg színpadán.) Az átalakítás után sem lett akusztikailag kifogástalan, de lényegesen jobb volt, mint korábban.

A Hold-radarozás hetven éve
„A Holdat ott láttam elsétálni a torony mögött, s azt kérdeztem a felnőttektől: ha felmásznék a toronyra, meg tudnám-é tapogatni a Holdat?” – ezeket a szavakat Bay Zoltán mondta gyermekkorában, amikor alig néhány évesen felnézett égi kísérőnkre. Négy évtizeddel később, 1946-ban az egykori kíváncsi gyermek sikeres radarkísérletével, rádiójelekkel, azaz elektromágneses hullámokkal elérte a Hold felszínét. Az 1900-ban született Bay Zoltán nem tudta eldönteni, hogy művészi, társadalomtudományi vagy természettudományi pályára lépjen, végül példaképe, Eötvös Loránd a fizika felé terelte. Diplomája megszerzése után Berlinben kapott kutatói állást, onnan hazatérve a Budapesti Műszaki Egyetemen és a Tungsram Laboratóriumban dolgozott.
Magyarországon – mint a háború idején minden államban – azon gondolkoztak a tudósok, hogy miként lehetne a lehető legkorábban észlelni az ellenséges gépeket. Hazánkban 1942-ben létrehozták az úgynevezett Bay-csoportot, amelynek feladata egy radar kifejlesztése és a mikrohullámú hírközlés meghonosítása volt. A csapatban több neves kutató dolgozott, például a száz éve született Simonyi Károly fizikus is. A Bay-csoport 1944-re már olyan radart épített, amely több mint 60 kilométeres távolságból észlelte az ellenséges repülőgépeket, így a Budapest felé tartó gépeket akár már Székesfehérvár körzetében észrevehették. Bay Zoltán ezután újabb célt tűzött ki. Munkatársai elé állva a következőket mondta: „Meg fogjuk lokátorozni a Holdat!” 1946-ban véghezvitték ezt a bravúros kísérletet, és csupán pár héten múlt, hogy ma nem úgy emlegetjük a csoport kutatóit, mint, akiknek először sikerült ez a nem mindennapi mutatvány. (Az elsőség egy összehasonlíthatatlanul jobb körülmények között dolgozó amerikai csapaté.) A Bay-csoport 1946. február hatodikán mérte meg a Föld–Hold-távolságot.
A kutató későbbi tervei között szerepelt egy olyan óriási rádiótávcső kifejlesztése, amely nem állt volna másból, mint egy nagy, földbe ásott, fémmel burkolt katlanból. Megvalósítására azonban már nem került sor. Ez az ötlete nem felejtődött el, az arecibói (Puerto Rico) rádiótávcső, amely kategóriájábana legnagyobb, ezen az elven épült meg.

Napjainkban az akusztikai jellegű kutatások egyik hazai központja a BME Villamosmérnöki és Informatikai Karán működő Beszédakusztikai Laboratórium. Vicsi Klára, a kar Távköz­lési és Médiainformatikai Tanszék kutatójának vezetésével a hangképzőszervi kóros elváltozások, a stressz és a neurológiai betegségek jobb felismerését célzó beszédakusztikai kutatások folynak. Arra kíváncsiak például, hogy a beszéd akusztikai, fonetikai paraméterei változnak-e az érzelmek függvényében. Ha például ideges valaki, a hangszalagjait vezérlő izmok megfeszülnek, emiatt a hangszalagok másképpen rezegnek, és ezt mérni lehet. A szakemberek az alap­érzelmeket a mért akusztikai, fonetikai jellemzők alapján egészen jól elkülönítik. A kutatások kézzelfogható eredményeit alkalmazni lehet például telefonos ügyfélszolgálatoknál a betelefonálók lelkiállapotának mérésére. Céljaik között szerepel annak felismerése, hogy egy telefonos segélyhívó csak szomorú vagy súlyosan depressziós, hiszen mindkettő más típusú segítségre szorul.
E vizsgálódások bonyolultabb szintje a neurológiai elváltozások – mint például a depresszió – elkülönítése az átmeneti jellegű szomorúságtól. „Az ilyen típusú neurológiai kórképnél megváltozik az artikuláció idegi vezérlése is, amit mérésekkel kimutathatunk” – hangsúlyozta a szakember, aki az Európai Űrügynökségnél (European Space Agency, ESA) pályázott sikerrel. A nyertes program főként a hosszú időn keresztül izoláltan élő és dolgozó személyeket érő biológiai hatásokat kutatja, beleértve az átmeneti depresszió, valamint az oxigénhiányos állapot kimutathatóságát. A kutatáshoz szükséges adatokat a Déli-sarkon lévő Concordia sarkkutató állomás tudósai szolgáltatják. (Az ottani körülmények rendkívül szélsőségesek: a speciálisan kialakított épületekből csak védőöltözetben lehet kilépni a télen akár mínusz 80 fokos hidegbe, a nagy magasság miatt pedig a levegő oxigéntartalma lényegesen kevesebb, mint a tengerszinten.) A bázis lakói hetente hangos naplót vezetnek – a kutatók a használt kifejezésekből és ezek gyakoriságából következtetnek
a beszélő pszichés állapotára. Ha például valaki nagyon fáradt, alig mozgatja artikulációs szerveit, a száját, a nyelvét, ennek hatását mérni lehet. E vizsgálódások eredményei főként olyan speciális foglalkozások kapcsán hasznosulhatnak – ilyen az űrhajós, a sarkkutató, a világítótornyok és az olajfúró tornyok személyzete –, ahol hosszú időre elszigetelődik a munkát végző (lásd még Innotéka, 2016. augusztus–szeptember, 15. oldal).
„A Déli-sarkon, a Concordia kutatóállomáson tovább folynak az ott dolgozó kutatók fiziológiai, neurológiai állapotának, a sötétség és az elszigeteltség okozta esetleges káros hatások vizsgálatai. Sőt, az elemzéseket kiterjesztettük a Déli-sarkon lévő Halley, kizárólag angol kutatókat foglalkoztató állomásra is. Egyre pontosabb monitorozó rendszert fejlesztünk ki, amely figyelmeztetni tud az ott dolgozók pszichológiai állapotának a veszélyesség mértékét elérő romlására” – tájékoztatta magazinunkat Vicsi Klára. Az elmúlt években a depresszió kutatásában is lényeges előrehaladás történt, már 86 százalékos biztonsággal meg tudják ítélni a depresszió felléptét. Igen lényeges, hogy olyan rendszert dolgoztak ki, amely már több nyelv esetében képes meghatározni nemcsak a depresszió jelenlétét, hanem annak súlyosságát is a vizsgált személy beszédének jelfeldolgozása alapján.
A Beszédakusztikai Laboratórium újabb kutatása a Parkinson-kór korai stádiumának automatikus felismerése a páciens beszédének feldolgozása alapján. Ebben a vizsgálatban a budapesti Szent János Kórház Neurológiai Osztályával és a Semmelweis Orvostudományi Egyetem Pszichiátriai és Pszichoterápiás Klinikájával működnek együtt. A betegek összegyűjtött hangfelvételei alapján azt kutatják, hogy melyek azok az akusztikai-fonetikai értékek, amelyek a Parkinson-kór kialakulásának korai fázisában jellemzően meg­változnak. A kezdeti eredmények a kutatónő szerint igen ígéretesek.
A tudósok beszédpatológiai kutatásokat is folytatnak, amelyek célja egyes betegségek korai diagnosztizálása. „Ha a hangszalagon rákos daganat képződik, másképpen rezeg” – magyarázta Vicsi Klára. Reményeik szerint akusztikai vizsgálatokkal már nagyon korai stádiumban ki lehetne mutatni a rosszindulatú elváltozást. Azaz, a hangtan a gyógyításban is hasznos.

Bármilyen hihetetlen, a sebészetben is segíthet a hang. Egyedülálló módon, a legmodernebb és legkíméletesebb érzéstelenítést alkalmazzák a vállműtétek során a Semmelweis Egyetem Ortopédiai Klinikáján: ultrahangvezérelten, és kizárólag a vállat ellátó idegfonatba juttatnak fájdalomcsillapítót – nyilatkozta idén augusztusban az egyetemi honlapnak Skaliczki Gábor, a klinika ortopéd szakorvosa. Ez a megoldás kevésbé fájdalmas, mint a hagyományos eljárás, és kisebb a szövődmények kialakulásának a kockázata.
Az ultrahangvezérelt érzéstelenítés hatása akár 10-12 órán át kitart, ezzel jelentősen csökken a beteg fájdalma. (A külföldön elsajátított modern technika során célirányosan a vállat ellátó idegfonatba juttatják a fájdalomcsillapítót.) A beteg reggel megérkezik, és legkésőbb másnap reggel távozhat.

Ultrahangvezérelt érzéstelenítés

Az ultrahangos eljárások egészségügyi alkalmazása egyébként az 1940-es években kezdődött, felhasználási területük azóta folyamatosan bővül: magzatfejlődési rendellenességek, rákgócok felderítése, vese-, prosztatavizsgálatok, keringési és szívrendellenességek diagnózisa egyaránt lehetséges. A módszer hatalmas előnye, hogy a legkisebb kockázat mellett, „működés” közben láthatjuk az élő szervezet különböző részeit. Ebben az esetben a kibocsátott hang nem a szokásos, emberi füllel hallható tartományba, hanem sokkal magasabb (1–15 megahertz) frekvenciatartományba esik. A másik különbség, hogy a hangot vezető közeg nem levegő, hanem az emberi test. Az ultrahang bizonyos szöveteken áthatol, egyeseken elhajlik, míg másokról visszaverődik. A számítógép a kibocsátott és a visszavert hanghullámok sebességéből számolja az érzékelő és a visszaverő határfelület (szerv) távolságát. (Az első igazán jól használható televíziós távirányítók ugyancsak ultrahanggal működtek. A 2007-ben elhunyt Robert Adler konstruálta azt az ultrahangos távirányítót, amely 1956 júniusában került Amerikában kereskedelmi forgalomba.)
Egy másik különleges orvosi alkalmazás a koponyába implantált ultrahangforrás és a vérkeringésbe juttatott mikrobuborékok kombinációja, amely átjárhatóvá teheti a vér-agy gátat (blood-brain barrier; BBB) azon hatóanyagok számára, amelyeknél az agyba való eljutás a sikeres terápia kulcsa. A vér-agy gát – egyfajta védőmechanizmusként – a hatóanyagok agyhoz való eljutását akadályozza meg. Majdnem az összes gyógyszeres terápiában alkalmazott hatóanyagról elmondható – írta meg a pharmaonline.hu –, hogy azok nem képesek a vér-agy gát átlépésére. Némely esetekben azonban, így például agydaganatok vagy neurodegeneratív megbetegedések célzott terápiájában, hasznos lehet a gyógyszermolekulák átjutása. Korábban már számos módszerrel próbálkoztak, ám a kísérletek jelentős része a súlyos mellékhatások fellépésének az esélye, illetve az alkalmazott procedúrák következményeként fellépő komplikációk miatt kudarcba fulladt. A Science Translational Medicine magazinban megjelent közlemény egy olyan eljárásról számol be, amely a pulzáló ultrahangkezelés és mikrobuborékok kombinációjaként kínál megoldást. Az ultrahangot kibocsájtó mintegy 11 milliméter átmérőjű eszköz beültetése negyedórás eljárással, helyi érzéstelenítéssel történik. A keringésbe befecskendezett „mikrobuborékokat” az agyba emittált ultrahang „vibrálásban” tartja, így az a vér-agy gát mintegy hatórás, időleges megnyitásához vezet. Bár az ultrahang esszenciális agyi területeket, vagyis a beszéd- és a mozgási központokat is érte, ezzel kapcsolatba hozható szövődmények nem léptek fel.

Különleges akusztikai kutatásokat végeznek az ELTE etológusai. Idén ősszel publikált eredményük szerint a kutyák az átélt fenyegetettség mértékének függvényében manipulálják a testméretükről szóló hanginformációt. A rangos Animal Cognition szaklapban megjelent tanulmányukban a szerzők abból a sokak számára ismert tényből indultak ki, hogy a kutya morogni kezd, ha ijesztő, fenyegető helyzetbe kerül. A kutya morgása olyan akusztikai komponenseket tartalmaz, amelyek rendkívül pontosan utalnak a kutya testméretére ellenségeskedés, például egy csont őrzése közben. A testméret fontos tényező az agressziós interakciók kimenetele szempontjából, ezért előfordulhat, hogy a küzdő felek megpróbálják a saját testméretükről kommunikált információt manipulálni. Mivel azonban a hang fizikai paraméterei többé-kevésbé szorosan összefüggnek a hangképző szervek anatómiai jellemzőivel, a hangban kódolt testméret manipulációja nem könnyű, és nincs is rá sok ismert példa az állatvilágból. (Az egyik olyan faj, amelynél a vetélkedő felek akusztikailag „nagyítják” magukat, a nálunk is gyakori gímszarvas. A bikák bőgés közben a gégefő lefelé mozdításával érik el, hogy a kiadott hang a valódinál termetesebb példányra utaljon.)

A vetélkedő gímszarvasok akusztikailag nagyítják magukat

Az ELTE kutatócsapata a világon elsőként bizonyította, hogy a kutyák az átélt fenyegetettség mértékének függvényében képesek manipulálni a testméretükről szóló hanginformációt egy agresszióval terhelt találkozáskor. Az elemzésekből az is kiderült, hogy a kutya védekező reakciója nem a fenyegető személyek testméretétől, hanem inkább a közeledő ember nemétől függött. A morgó állat testméretéről árulkodó hangtani paraméterek – elsősorban a hang frekvenciája és formánseloszlása, vagyis öblössége, teltsége – férfi közeledése esetén „nagyobb” kutyára utaltak, mint egy fenyegető nő láttán, azaz egy férfi közeledésekor a kutyák inkább éltek a manipuláció lehetőségével.

Az idei év kétségkívül legnagyobb tudományos szenzációja egy különleges hullámmal és magyar fejlesztésű infrahangdetektorokkal kapcsolatos, amelyről márciusi számunkban már hírt adtunk. Amerikai kutatók ez év februárjában jelentették be, amit Albert Einstein már száz esztendeje megjósolt: a gravitációs hullámok léteznek, és – hála két egymással összeolvadó fekete lyuknak – először sikerült észlelni ezeket, méghozzá 2015. szeptember 14-én, magyar idő szerint a délelőtti órákban. Egy rövid idejű, alig két tizedmásodpercig tartó felvillanásról van szó, amelyet az Egyesült Államokban felépített LIGO (lézer interferométeres gravitációshullám-vizsgáló obszervatórium) detektorai érzékeltek. (Júniusban újabb gravitációs hullám észlelését jelentették be, amelyet szintén a LIGO livingstoni és hanfordi detektora észlelt. Ezúttal egy 14 és egy 8 naptömegnyi fekete lyuk olvadt össze. Az esemény 2015 karácsonyának második napján történt.)

Két egybeolvadó fekete lyuk gravitációs hullámokat kelt – számítógépes szimuláció

„Einstein elmélete alapján száz éve tudjuk, hogy a gravitációs hullámoknak létezniük kell, ennek ellenére a műszerek most érték el azt az érzékenységet, hogy egy erős gravitációs hullám látható legyen” – ismertette a felfedezés lényegét Frei Zsolt, az ELTE tanszékvezetője, az MTA–ELTE Lendület Asztrofizikai Kutatócsoport vezetője, aki nem mellesleg a LIGO üzemeltetését és adatainak kiértékelését végző LIGO Scientific Collaboration (LSC) tagja.
Kiderült, hogy a jel két egymás körül keringő és egymásba olvadó fekete lyuk páros alkotta rendszerből érkezett, amely a Földünktől 1,2 milliárd fényévre van. Ezek az objektumok évmilliókig keringenek egymás körül. Ha energiát veszítenek, egyre közelebb kerülnek egymáshoz. Amikor már nagyon közel vannak, rendkívül sok gravitációs hullámot bocsátanak ki, még több energiát veszítenek, végül összeolvadnak. Ennek a folyamatnak az utolsó kéttized másodpercét sikerült elcsípni. Azt is megállapították, hogy az egyik fekete lyuk 29, a másik 36 naptömegű volt, és körülbelül 200 kilométerre lehettek egymástól, amikor a sugaruk összeért, tehát összeolvadtak. A magyar csoport műszerépítéssel segítette a LIGO detektorok zajszintcsökkentését – infrahangmikrofonjukból három-három működik a két detektornál.
Minden környezetbeli, földi zavar – akár csak az, hogy elsétál valaki a detektor közelében – sokkal nagyobb rezgést okozhat ezen a rendszeren, mint a gravitációs hullámok. Ezeket olyan szintre kellene csökkenteni, hogy a keresett jel erőssége nagyobb legyen, mint a külső zavaroké. A magyarok úgynevezett infrahangdetektort készítettek, amellyel a levegőben terjedő alacsony frekvenciás hangokat tudták kiszűrni. Erre nagy szükség van, mert ezek a hullámok képesek behatolni az épületbe és megrezegtetni a falakat, berendezéseket. Legelőször az 1950-es években használtak ilyen mikrofonokat, még az atomrobbantási kísérletek tilalmának ellenőrzésére. Ha ugyanis a magaslégkörben felrobban egy atombomba, akkor az általa kibocsátott infrahang az alacsony légköri csillapítás miatt a Föld másik felén is „hallható”. Az emberi fül ugyan nem hallja ezeket a hullámokat, egy ilyen mikrofon segítségével azonban könnyen észlelhetőek.
Ahogy az eddigiekből kiderült, a hallható hangokkal szemben az infrahangok a közvetítő közegben (légkör, víz, talaj) kevésbé csillapodnak, akár több száz, optimális esetben sok ezer kilométerre is eljutnak. Az alacsony frekvenciának köszönhetően terjedésüket igen bonyolult megakadályozni, könnyen áthatolnak a szilárd építmények falain is. A természetben meglehetősen gyakran keletkeznek infrahangok, például gyenge földrengések és széllökések miatt is. A nagyon erős infrahang rosszullétet, emésztési zavarokat, pánikhangulatot okozhat.

Napjainkban már akusztikai elven működő fegyverek is készülnek – hiszen mindent felhasználnak, ami alkalmas az emberi élet kioltására –, de létezik sokkal hasznosabb akusztikus megoldás is. Erre példa az élelmiszeripar. A kakaóvaj kifogástalan kristályosodásának ellenőrzésére belga kutatók új és gyorsabb módszert fejlesztettek ki: az ultrahangos átvilágítással az édesipar nem kevés időt és pénzt takaríthat meg – írta az MTI. A folyékony csokoládé megszilárdulásakor a kakaóvaj, a csokoládéban lévő zsír kristályosodik. A folyamat során ötféle kristály képződhet, de közülük csak egy olyan minőségű, amely tökéletes csokoládét eredményez.

A csokoládé megfelelő kristályosodását transzverzális hullámokkal mérik

A Leuveni Katolikus Egyetem munkatársai felfedezték, hogy ultrahanghullámokkal észlelhetik a kristályosodási különbségeket. Az új technológia lényege, hogy transzverzális hullámokat – amelyek a haladás irányára merőlegesen keltenek rezgéseket a közegben – bocsátanak keresztül a kakaó­vajon. A kutatók megmérik ezeknek a hullámoknak a tükröződését: amikor a kakaóvaj folyékony, az ultrahanghullám teljes egészében tükröződik. Amint kristályosodik, az ultrahanghullám egy része áthatol a kakaóvajon, így a tükröződés mértéke méri a változásokat. Látható lesz, hogy miként tapadnak össze a különféle kristályok, ami fontos a csokoládé megfelelő minőségéhez.•

 
Archívum
 2011  2012  2013  2014  2015  2016  2017  2018  2019  2020
Címkék

Innotéka