Nyquista White

Słyszymy, gdzie to jest? Lokalizacja źródeł dźwięku

25 maja, 2021
Fale akustyczne są odbierane przez ludzkie ucho. To skomplikowany mechanizm, który jednak można przedstawić dość prosto. Prawdziwe komplikacje zaczynają się jednak, kiedy rozpatrujemy sposób przetwarzania sygnałów akustycznych przez nasz mózg.

Słyszymy, gdzie to jest? Lokalizacja źródeł dźwięku

25 maja, 2021

Fale akustyczne są odbierane przez ludzkie ucho. To skomplikowany mechanizm, który jednak można przedstawić dość prosto. Prawdziwe komplikacje zaczynają się jednak, kiedy rozpatrujemy sposób przetwarzania sygnałów akustycznych przez nasz mózg, między innymi w celu lokalizacji źródła dźwięku.

Fala akustyczna pobudza do drgań błonę bębenkową, ta przekazuje drgania na układ kostek słuchowych – młoteczek, kowadełko, strzemiączko, które wzmacniają drgania i pobudzają do drgań płyn wewnątrz ślimaka. Płyn z kolei przekazuje drgania do komórek włosowatych w ślimaku. Te pobudzenia w narządzie Cortiego zamieniają się w impulsy nerwowe, przekazywane przez nerw słuchowy do mózgu. Tam rozpoczyna się proces przetwarzania sygnałów akustycznych i sprawa się nieco komplikuje.

Dziedzina nauki zajmująca się stykiem psychologii i akustyki to psychoakustyka. Psychoakustycy zajmują się sposobem odbierania dźwięku przez człowieka, jak też przetwarzaniem informacji akustycznej w mózgu. Cała akustyka odnosi się do tego, jak człowiek odbiera dźwięki, np. poziom ciśnienia akustycznego odnosi się do progu słyszenia (więcej na temat poziomu ciśnienia w artykule). Nie da się więc dobrze zrozumieć akustyki bez zapoznania się z tematem psychoakustyki Patrząc z punktu widzenia przystosowań ewolucyjnych, w przetwarzaniu dźwięku najbardziej znaczące są dwie informacje: co to za dźwięk i skąd dochodzi. Skupmy się na drugiej kwestii, czyli sposobach, na które mózg lokalizuje źródła dźwięku na podstawie informacji z dwojga naszych uszu.
Dwa podstawowe mechanizmy lokalizacji źródeł to międzyuszna różnica czasu i międzyuszna różnica natężenia. Jak przedstawiono na rysunku, droga od źródła dźwięku do jednego i drugiego ucha może mieć różną długość. Skutkuje to różnym czasem dotarcia dźwięku do lewego i prawego ucha. Mózg przetwarza te informacje, tworząc obraz źródła dźwięku przesuniętego w stronę tego ucha, z którego sygnał dociera wcześniej. Mechanizm ten dominuje przy lokalizowaniu źródeł dźwięków o niskiej częstotliwości.
Międzyuszna różnica natężeń zachodzi, kiedy głowa tworzy cień akustyczny dla jednego ucha, niczym ekran akustyczny. Wtedy w uchu znajdującym się w cieniu akustycznym poziom natężenia dźwięku będzie niższy niż w drugim. Mózg przetworzy te informacje, uzyskując obraz źródła dźwięku przesuniętego w tę stronę, z której sygnał jest głośniejszy. W ten sposób lokalizowane są źródła dźwięków o wyższych częstotliwościach. Podstawowe sposoby lokalizacji źródeł dźwięków są wrażliwe na obecność hałasu. Kiedy w pomieszczeniu jest duży pogłos i występuje wiele odbić, do naszych uszu docierają odbicia z wielu stron. Chociaż wrażenie, że dźwięk dociera do nas z każdej strony bywa pożądane, to jednak na stanowisku pracy konieczna jest dobra lokalizacja źródeł, żeby wiedzieć na przykład który telefon dzwoni. Jeżeli w pomieszczeniu ciężko jest zlokalizować źródło dźwięku, pomoże adaptacja akustyczna, materiały pochłaniające ograniczą odbicia powodujące hałas pogłosowy, a ekrany nabiurkowe zredukują propagację dźwięku poza stanowisko pracy. Wiedza o sposobach lokalizacji źródeł dźwięku jest też wykorzystywana podczas miksu utworów, aby uzyskać odpowiedni obraz sceny w utworze. Wierne odtworzenie utworu, czego oczekujemy od sprzętu audio wysokiej klasy, obejmuje również kreację sceny dźwiękowej. Niestety obecność zbyt dużej liczby odbić może zniszczyć ten efekt. W pomieszczeniu odsłuchowym bez adaptacji akustycznej zazwyczaj wierne odtworzenie sceny dźwiękowej jest niemożliwe.
Opisane powyżej metody pozwalają na lokalizację dźwięków tylko w kierunku od lewej do prawej. Ich ograniczeniem jest też rozdzielczość czasowa słuchu (możliwość rozróżnienia dwóch dźwięków) i najmniejsza zauważalna zmiana głośności, różna w zależności od poziomu dźwięku. Bardziej precyzyjnym sposobem lokalizacji źródła dźwięku jest funkcja przejścia głowy (ang. HRTF – head-related transfer function), określająca w jaki sposób obecność naszej głowy wpływa na falę akustyczną. Funkcja przejścia głowy jest indywidualna dla każdego człowieka i zależy od wielkości głowy, kształtu uszu i innych anatomicznych szczegółów. Poszczególne elementy ciała mogą odbijać, pochłaniać lub rozpraszać dźwięki o określonych częstotliwościach i dochodzących z określonych kierunków, wpływając w ten sposób na to, co słyszymy. Dzięki niej możliwe jest określenie nie tylko, czy dźwięk dociera do słuchacza z lewej czy z prawej strony, lecz także czy dociera z przodu czy z tyłu. Odległość od źródła dźwięku jest określana przez udział wysokich częstotliwości, a także przez ocenę udziału dźwięków odbitych i bezpośrednich w sygnale. Kiedy rozumiemy, jak funkcjonuje słuch i przetwarzanie dźwięku w mózgu, zauważamy, jak ważna jest adaptacja akustyczna przestrzeni. Dzięki niej możliwe jest sprawne odnajdowanie źródeł dźwięku w przestrzeni, jak i uzyskanie zgodnego obrazu tego, co słyszymy z tym, co widzimy.