Percepcja przestrzenności dźwięku

Drugorzędowa reprezentacja słuchowa różnicuje i porównuje wysokości i natężenia poszczególnych tonów [72].

2.2.2 Percepcja przestrzenności dźwięku

Dźwięki otoczenia generowane przez poszczególne źródła docierają do peryfe-ryjnych warstw narządu słuchowego jako złożone pole dźwiękowe, nie zaś jako nieza-leżne bodźce dźwiękowe. Wielu badaczy uważa, że procesy określania i determinacji źródeł dźwięków stanowią najważniejszy aspekt percepcji dźwięku. Złożone pole dźwiękowe w pierwszej kolejności podlega kodowaniu wynikającemu z geometrii gło-wy i małżowiny usznej. Zakodowany dwugło-wymiarogło-wy (czasowo-częstotliwościogło-wy) opis fizyczny zjawisk akustycznych zachodzących w otoczeniu przybiera formę pewnej reprezentacji impulsacji słuchowej, percypowanej przez człowieka jako odpowiednie wrażenie słuchowe [22] [28].

Dwuuszna lokalizacja źródła dźwięku

Fala akustyczna docierająca do uszu słuchacza podlega odbiciom i ugięciom, wy-nikającym z geometrii głowy. Te zjawiska fizyczne decydują o powstaniu międzyusznej różnicy czasów (ang. Interaural Time Difference – ITD) oraz międzyusznej różnicy natę-żeń (ang. Interaural Intensity Difference – IID) – znanych międzyusznych czynników kodu-jących informację o lokalizacji źródła dźwięku. Międzyuszna różnica czasów – ITD, występuje ze względu na fakt, że impulsy nerwowe z narządu Cortiego ucha znajdują-cego się bliżej źródła dźwięku, docierają do kory słuchowej wcześniej niż po stronie przeciwnej. Natomiast główną przyczyną powstawania IID jest lokalizacja uszu po przeciwnych stronach głowy. Sygnał dochodzący do jednego ucha może być stłumiony w stosunku do sygnału odbieranego przez drugie ucho. W tym przypadku mówi się o występowaniu zjawiska cienia akustycznego [98].

Parametr ITD można wyznaczyć zgodnie z formułą 2.1, przy założeniu, że głowa ma kształt idealnej kuli. ITD stosuje się dla niskich częstotliwości.

23 (2.1) gdzie: a – promień głowy, c – prędkość dźwięku, – kąt określający

położenie źródła (przy czym kąt 0^o oznacza kierunek na wprost głowy słuchacza)

Dla częstotliwości wysokich i średnich dominującym czynnikiem służącym do określenia kierunku dźwięku w płaszczyźnie poziomej jest parametr IID. Można go wyrazić wzorem 2.2.

(2.2) gdzie: P_L i P_R oznaczają wartości ciśnienia akustycznego odpowiednio

w lewym i prawym uchu.

Warto zaznaczyć, że w paśmie 1500 do 3000 Hz częstotliwość jest zbyt wysoka, aby ITD mogło być czynnikiem dominującym, z drugiej zaś strony – jest zbyt niska, żeby zapewnić odpowiednie wartości IID. Z tego powodu we wspomnianym zakresie częstotliwości lokalizacja źródła dźwięku jest trudniejsza i mniej efektywna [98].

Należy dodać, że w przestrzeni otaczającej słuchacza istnieje wiele punktów, w których wartości ITD i IID są równe. Punkty te leżą na powierzchni tak zwanego stoż-ka niepewności, jak postoż-kazano na rys. 2.11. Takie same wartości różnicy dróg i czasów dojścia dźwięku do lewego i prawego ucha występują dla źródeł położonych na pod-stawie tego stożka. Jednym ze sposobów zlokalizowania źródła dźwięku leżącego na stożku niepewności jest wykonanie ruchu głową.

Rys. 2.11 Stożek niepewności dla ustalonej międzyusznej różnicy czasów (przy założeniu, że głowa jest sferą) [98]

24

Poza czynnikami międzyusznej różnicy czasów i natężeń, informacja o kierunku źródła dźwięku jest również zakodowana w różnicy faz sygnałów (niskie i średnie czę-stotliwości). W przypadku, gdy źródło dźwięku znajduje się dokładnie w płaszczyźnie symetrii głowy, różnica faz sygnałów jest równa zero. Zmiana kierunku słyszenia jest odczuwalna, gdy źródło dźwięku przesunie się zaledwie o 3 stopnie w lewo lub prawo od tej płaszczyzny. Detekcja kierunku na podstawie różnicy faz jest bardziej precyzyjna dla kierunków zbliżonych do płaszczyzny symetrii głowy, aniżeli dla kierunków bocz-nych [55] [72] [121] [181].

W procesie wyznaczania kierunku źródła dźwięku znaczenie mają nie tylko czyn-niki, w których zakodowana jest informacja o położeniu źródła, ale także przetwarza-nie informacji na wyższych piętrach drogi słuchowej. Badania przeprowadzone przez Zimmera i Macaluso [147] z wykorzystaniem fMRI wykazały, że lokalizacja na podsta-wie ITD jest możliwa tylko wtedy, gdy wejściowe sygnały akustyczne dla lewego i pra-wego ucha mają podobne profile czasowo-częstotliwościowe. Duża koherencja dwu-uszna zapewnia wysoką skuteczność lokalizacji źródła dźwięku. Zaobserwowano, że w przypadku dużej koherencji aktywność kory słuchowej jest większa niż w przypadku mniejszej koherencji dwuusznej.

Warto w tym miejscu wspomnieć również o tak zwanej „charakterystyce przeno-szenia głowy” (ang. Head Related Transfer Function – HRTF), która określa wpływ m.in.

małżowiny usznej i kształtu głowy na rozkład poziomów w funkcji częstotliwości dla różnych położeń źródła fali akustycznej [145] [148]. Funkcja HRTF zawiera wszystkie informacje na temat sferycznego środowiska dźwiękowego (we wszystkich kierunkach), w tym również wartości parametrów ITD i IID. Funkcja HRTF umożliwia regulowanie położenia pozornych źródeł dźwięku w wielokanałowej panoramie stereofonicznej oraz modelowanie dźwięku w słuchawkach stereofonicznych w celu jego wirtualizacji.

Ostatni wątek badawczy jest intensywnie rozwijany w Katedrze Akustyki Politechniki Wrocławskiej [36] [108] [109] [110].

Rozdzielczość czasowa słuchu

Rozdzielczość czasowa słuchu jest zdecydowanie wyższa niż rozdzielczość cza-sowa wzroku. Znaczna część elementów wchodzących w skład narządu słuchu jest

25 wyspecjalizowana w pomiarze czasu. Jednak główny wpływ na wysoką rozdzielczość czasową słuchu ma budowa narządu odbierającego dźwięki. W przypadku narządu wzroku, światło padające na siatkówkę oka jest przekształcane na impulsy elektryczne w stosunkowo powolnym procesie elektrochemicznym, zachodzącym w czopkach i pręcikach. W przypadku narządu słuchu natomiast dźwięk jest transformowany na im-pulsy nerwowe poprzez szybką drogę mechaniczną i bioelektryczną. Można zatem wy-snuć wniosek, że w procesie percepcji bodźców wzrokowo-słuchowych narząd wzroku jest odpowiedzialny za lokalizację bodźca w przestrzeni, zaś narząd słuchu – za lokali-zację bodźca w czasie. O funkcjonalności poszczególnych zmysłów w kontekście per-cepcji wspomniano w podrozdziale 2.3.

Zjawisko Haasa

Rozdzielczość narządu słuchu ma bezpośredni związek ze zjawiskiem Haasa, zgodnie z którym opóźnienie fali docierającej do obserwatora ma znacznie większy wpływ na lokalizację pozornego źródła dźwięku (ang. virtual sound source) niż różnica poziomów dźwięków emitowanych przez źródła oddalone od siebie w przestrzeni. W przypadku dwóch identycznych źródeł, emitujących dźwięk o tym samym natężeniu, odbiorca lokalizuje pozorne źródło dźwięku dokładnie pośrodku tych źródeł (dźwięki ze źródeł GL i GP dochodzą do uszu jednocześnie). Przypadek taki przedstawiono na rys. 2.12.

Rys. 2.12 Lokalizacja pozornego źródła dźwięku w przypadku, gdy źródła G_L i G_P emitują dźwięk o tym samym natężeniu jednocześnie

Zwiększanie opóźnienia jednego z sygnałów powyżej 1 ms powoduje stopniowe przesunięcie percypowanego położenia pozornego źródła dźwięku w stronę głośnika emitującego sygnał bezpośredni. Zatem zgodnie z teorią Haasa w rozproszonym polu

26

akustycznym o lokalizacji pozornego źródła dźwięku decyduje pierwsza fala dźwiękowa docierająca do słuchacza [21] [50].