Abstrakt
Přemýšleli jste někdy, jak jsme s pouhými dvěma ušima schopni lokalizovat zvuky přicházející z celého světa? Nebo, když hrajete videohru, proč to vypadá, že výbuch přišel hned za vámi, i když jste byli v bezpečí svého domova? Naše mysl určuje, odkud pochází zvuk pomocí více podnětů. Dva z těchto podnětů jsou (1), které ucho zvuk zasáhne jako první, a (2) Jak hlasitý je zvuk, když dosáhne každého ucha. Například, pokud zvuk zasáhne vaše pravé ucho jako první, pravděpodobně vznikl napravo od vašeho těla. Pokud zasáhne obě uši současně, pravděpodobně pochází přímo před nebo za Vámi. Tvůrci filmů a videoher používají tyto narážky k tomu, aby oklamali naši mysl—to znamená, aby nám dali iluzi, že určité zvuky přicházejí ze specifických směrů. V tomto článku prozkoumáme, jak váš mozek shromažďuje informace z vašich uší a používá tyto informace k určení, odkud zvuk pochází.
fyzické prvky zvuku
naše schopnost slyšet je zásadní pro poskytování informací o světě kolem nás. Zvuk se vytváří, když objekt vibruje vzduch kolem něj a tato vibrace může být reprezentována jako vlna, která prochází prostorem. Pokud například větev spadne ze stromu a dopadne na zem, tlak vzduchu kolem větve se změní, když dopadne na zemi, a v důsledku toho vibrace vzduchu vytvoří zvuk pocházející ze srážky. Jedna věc, kterou si mnoho lidí neuvědomuje, je, že zvukové vlny mají fyzikální vlastnosti, a proto jsou ovlivněny prostředím, ve kterém se vyskytují. Například ve vakuu prostoru nemohou nastat zvuky, protože ve skutečném vakuu není nic, co by vibrovalo a způsobovalo zvukovou vlnu. Dvě nejdůležitější fyzikální vlastnosti zvuku jsou frekvence a amplituda. Frekvence je rychlost, při které zvuková vlna vibruje, a určuje výšku šumu. Zvuky s vyšší frekvencí mají vyšší výšku tónu, jako flétna nebo cvrlikání ptáků, zatímco zvuky s nižší frekvencí mají nižší výšku, jako tuba nebo štěkání velkého psa. Amplituda zvukové vlny může být považována za sílu vibrací, když cestují vzduchem, a určuje vnímanou hlasitost zvuku. Jak vidíte na obrázku 1, když je vrchol zvukové vlny menší, zvuk bude vnímán jako tišší. Pokud je vrchol větší, zvuk se bude zdát hlasitější. Mohlo by to dokonce pomoci myslet na zvukové vlny jako vlny v oceánu. Pokud stojíte v klidné vodě a pustíte oblázky u nohou, způsobí to malé zvlnění (malá vlna), které vás příliš neovlivní. Ale pokud stojíte v oceánu během bouřlivého počasí, velké příchozí vlny mohou být dostatečně silné,aby vás srazily! Stejně jako velikost a síla vodních vln, velikost a síla zvukových vln může mít velký vliv na to, co slyšíte.
- Obrázek 1-amplituda a frekvence reprezentované jako vlny.
- (A) amplituda je síla vibrací při cestování vzduchem; čím větší je amplituda, tím hlasitější je zvuk vnímán pozorovatelem. (B) frekvence je rychlost, při které zvuková vlna vibruje, což určuje vnímanou výšku šumu; čím větší je frekvence, tím vyšší je výška zvuku.
zvukové vlny interagují fascinujícím způsobem s prostředím kolem nás. Všimli jste si někdy, jak siréna sanitky zní jinak, když je v dálce ve srovnání s tím, kdy se sanitka blíží a předává vás? Je to proto, že zvuk potřebuje čas, aby cestoval z jednoho bodu do druhého, a pohyb zdroje zvuku interaguje s frekvencí vln, jakmile dosáhnou osoby, která ho slyší. Když je sanitka daleko, frekvence sirény je nízká, ale frekvence se zvyšuje, jak se sanitka blíží k vám, což je jev známý jako Dopplerův efekt (viz Obrázek 2).
- Obrázek 2 – Jak jsou frekvence zvukových vln ovlivněny (a vnímány), když se siréna blíží nebo cestuje od jednotlivce.
- jak se sanitka blíží k jednotlivci, frekvence zvuku se zvyšuje, a proto je vnímána jako vyšší stoupání. Jak sanitka jede dále od jednotlivce, frekvence klesá, což způsobuje, že zvuk je vnímán jako nižší stoupání.
zvuk však není ovlivněn pouze vzdáleností, ale také jinými objekty. Vzpomeňte si na dobu, kdy vás někdo volal z jiné místnosti. Pravděpodobně jste si všimli, že je těžší je slyšet z jiné místnosti, než když byl hned vedle vás. Vzdálenost mezi vámi není jediným důvodem, proč je člověk těžší slyšet, když je v jiné místnosti. Osoba je také těžší slyšet, protože zvukové vlny jsou absorbovány objekty v prostředí; čím dál je osoba, která vás volá, tím více objektů je mezi vámi dvěma, takže méně zvukových vln nakonec dosáhne vašich uší. V důsledku toho se zvuky mohou zdát tiché a tlumené, i když osoba hlasitě křičí.
struktura ucha
naše uši jsou složité anatomické struktury, které jsou rozděleny do tří hlavních částí, nazývaných vnější ucho, střední ucho a vnitřní ucho. Vnější ucho je jedinou viditelnou částí ucha a používá se především pro nálevku zvuku z prostředí do zvukovodu. Odtud zvuk putuje do středního ucha, kde vibruje ušní bubínek a tři malé kosti, nazývané ossicles, které přenášejí zvukovou energii do vnitřního ucha. Energie pokračuje v cestě do vnitřního ucha, kde je přijímána kochle. Kochle je struktura v uchu, která je tvarována jako Šneková skořápka, a obsahuje orgán Corti, kde jsou přítomny smyslové „vlasové buňky“, které mohou cítit zvukovou energii. Když kochle přijímá zvuk, zesiluje signál detekovaný těmito vlasovými buňkami a přenáší signál přes sluchový nerv do mozku.
zvuk a mozek
zatímco uši jsou zodpovědné za příjem zvuku z prostředí, je to mozek, který tyto zvuky vnímá a dává smysl. Sluchová kůra mozku se nachází v oblasti zvané temporální lalok a je specializována na zpracování a interpretaci zvuků (viz obrázek 3). Sluchová kůra umožňuje lidem zpracovávat a porozumět řeči, stejně jako dalším zvukům v prostředí. Co by se stalo, kdyby signály ze sluchového nervu nikdy nedosáhly sluchové kůry? Když je sluchová kůra člověka poškozena v důsledku poranění mozku, člověk někdy není schopen porozumět zvukům; například, nemusí rozumět významu mluvených slov,nebo nemusí být schopni rozeznat dva různé hudební nástroje od sebe. Vzhledem k tomu, že mnoho dalších oblastí mozku je také aktivní během vnímání zvuku, jedinci s poškozením sluchové kůry mohou často stále reagovat na zvuk. V těchto případech, i když mozek zpracovává zvuk, není schopen z těchto signálů učinit význam.
- obrázek 3-Schéma zdroje zvuku procházejícího zvukovodem a přeměňujícího se na nervové signály, které se dostanou do sluchové kůry.
- zvuk je směrován do zvukovodu vnějším uchem a později je přeměněn na nervové signály kochleou. Tento signál je pak přenášen do sluchové kůry, kde je zvuku přiřazen význam.
slyšíte zvuk odtamtud, nebo támhle?
jednou z důležitých funkcí lidských uší, stejně jako uší jiných zvířat, je jejich schopnost přenášet zvuky z prostředí do zvukovodu. Ačkoli vnější ušní nálevky zní do ucha, je to nejúčinnější pouze tehdy, když zvuk přichází ze strany hlavy (spíše než přímo před nebo za ním). Když slyší zvuk z neznámého zdroje, lidé obvykle otočí hlavu a nasměrují ucho k místu, kde by se zvuk mohl nacházet. Lidé to často dělají, aniž by si to uvědomovali, jako když jste v autě a slyšíte sanitku, pak pohněte hlavou a pokuste se zjistit, odkud siréna přichází. Některá zvířata, jako psi, jsou efektivnější při lokalizaci zvuku než lidé. Někdy zvířata (například někteří psi a mnoho koček) mohou dokonce fyzicky pohybovat ušima ve směru zvuku!
lidé používají dvě důležité podněty, které pomáhají určit, odkud zvuk pochází. Tyto narážky jsou: (1) které ucho zvuk zasáhne jako první (známé jako interaurální časové rozdíly) a (2) Jak hlasitý je zvuk, když dosáhne každého ucha (známé jako rozdíly intenzity interaural). Pokud by pes štěkal na pravé straně těla, neměli byste problém se otočit a dívat se tímto směrem. Je to proto, že zvukové vlny produkované štěkáním zasáhly pravé ucho před zasažením levého ucha, což má za následek hlasitější zvuk v pravém uchu. Proč je zvuk hlasitější v pravém uchu, když zvuk přichází zprava? Protože stejně jako objekty ve vašem domě, které blokují nebo absorbují zvuk někoho, kdo vám volá, je vaše vlastní hlava pevným objektem, který blokuje zvukové vlny směřující k vám. Když zvuk přichází z pravé strany, vaše hlava zablokuje některé zvukové vlny dříve, než narazí na levé ucho. To má za následek, že zvuk je vnímán jako hlasitější zprava, což signalizuje, že odtud pochází zvuk.
můžete to prozkoumat zábavnou aktivitou. Zavřete oči a požádejte rodiče nebo přítele, aby někde kolem hlavy zazvonil sadu klíčů. Udělejte to několikrát a pokaždé se pokuste ukázat na umístění klíčů, pak otevřete oči a uvidíte, jak přesné jste byli. Šance jsou, je to pro vás snadné. Nyní zakryjte jedno ucho a zkuste to znovu. Pokud je k dispozici pouze jedno ucho, možná zjistíte, že úkol je těžší, nebo že jste méně přesní v ukazování na správné místo. Je to proto, že jste tlumili jedno z vašich uší, a proto jste oslabili schopnost používat signály o načasování nebo intenzitě zvuků dosahujících každého ucha.
pohlcující zvuk ve hrách a filmech
když zvukoví inženýři vytvářejí trojrozměrný zvuk (3D zvuk), musí vzít v úvahu všechny podněty, které nám pomáhají lokalizovat zvuk, a musí tyto podněty použít k tomu, aby nás přiměli vnímat zvuk jako pocházející z určitého místa. I když u 3D zvuku existuje omezený počet fyzických zdrojů zvuku vysílaných přes sluchátka a reproduktory (například Pouze dva se sluchátky), zvuk se může zdát, že pochází z mnoha dalších míst. 3D audio inženýři mohou dosáhnout tohoto výkonu účtováním o tom, jak se k vám zvukové vlny dostanou, na základě tvaru hlavy a umístění uší. Například, pokud chce zvukový inženýr vytvořit zvuk, který vypadá, jako by přicházel zepředu a mírně doprava, inženýr pečlivě navrhne zvuk, aby nejprve začal hrát v pravém sluchátku a aby byl v tomto sluchátku mírně hlasitější ve srovnání s levým.
videohry a filmy se stávají pohlcujícími a životními, když jsou spárovány s těmito triky 3D zvuku. Například při sledování filmu mohou sady reproduktorů v kině zaměřit směr zvuku, aby umožnily shodu mezi tím, co vidíte, a tím, co slyšíte. Představte si například, že sledujete film a herečka má telefonní rozhovor na pravé straně obrazovky. Její řeč začíná hrát většinou přes pravé reproduktory, ale jak se pohybuje po obrazovce zprava doleva, zvuk ji sleduje postupně a plynule. Tento efekt je výsledkem mnoha reproduktorů pracujících v těsné synchronizaci, aby byl možný 3D zvukový efekt.
virtuální realita (VR) posouvá tento pohlcující zážitek na vyšší úroveň změnou směru zvuku podle toho, kde hledáte nebo jsou umístěny ve virtuálním prostoru. Ve VR jste podle definice prakticky umístěni do scény a vizuální i sluchové zážitky by měly odrážet Vaši zkušenost se skutečným světem. V úspěšné simulaci VR určuje směr vašich pohybů hlavy a místo, kde hledáte, odkud vnímáte zvuk jako pocházející. Podívejte se přímo na vesmírnou loď a zvuk jejích motorů přichází přímo před vámi, ale otočte se doleva a nyní zvuk přichází na vás zprava. Přesuňte se za velký objekt a nyní virtuální zvukové vlny zasáhly objekt přímo a zasáhly vás nepřímo, tlumily zvuk a působily více tlumeně a tišeji.
závěr
výzkumní vědci a odborníci ve filmovém a videoherním průmyslu použili simulované zvuky, aby se dozvěděli více o sluchu a vylepšili naše zážitky ze zábavy. Někteří vědci se zaměřují na to, jak mozek zpracovává zvuky, zatímco jiní analyzují fyzikální vlastnosti samotných zvukových vln, například jak se odrazí nebo jsou jinak narušeny. Někteří dokonce zkoumají, jak ostatní zvířata slyší a porovnávají své schopnosti s našimi vlastními. Na druhé straně odborníci ve filmovém a videoherním průmyslu použili tento výzkum, aby pomohli zpříjemnit zážitek diváků a hráčů. Ve virtuálních prostředích mohou návrháři přimět virtuální zvukové vlny, aby se chovaly jako zvukové vlny v reálném životě. Když hrajete videohru nebo sledujete film, je snadné považovat za samozřejmost výzkum a čas, který šel do vytvoření této zkušenosti. Možná, že další pokrok v pohlcující zvukové technologii začne s vámi a vaší vlastní zvědavostí na zvukové vlny a jak funguje sluchový systém!
Glosář
amplituda: velikost zvukové vlny; atribut zvuku, který ovlivňuje vnímanou hlasitost tohoto zvuku.
Pitch: kvalita zvuku, která se projevuje jako funkce frekvence nebo rychlosti vibrací; vnímaný stupeň výsosti nebo nízkosti tónu nebo zvuku.
Dopplerův efekt: zvýšení nebo snížení frekvence zvukové vlny, protože zdroj hluku a pozorovatel se pohybují směrem k sobě nebo od sebe.
Cochlea: (většinou) dutá trubice ve vnitřním uchu, která je obvykle stočena jako Šneková skořápka a která obsahuje smyslové orgány sluchu.
sluchová kůra: oblast mozku umístěná ve spánkovém laloku, která zpracovává informace získané sluchem.
Interaurální Časový Rozdíl: Rozdíl v době příjezdu zvuku přijatého oběma ušima.
rozdíl Interaurální intenzity: rozdíl v hlasitosti a frekvenci zvuku přijímaného oběma ušima.
trojrozměrný zvuk: skupina zvukových efektů, které se používají k manipulaci s tím, co je produkováno stereofonními reproduktory nebo sluchátky, zahrnující vnímané umístění zdrojů zvuku kdekoli v trojrozměrném prostoru.
Prohlášení o střetu zájmů
autoři prohlašují, že výzkum byl proveden bez jakýchkoli obchodních nebo finančních vztahů, které by mohly být vykládány jako potenciální střet zájmů.