Abstract
Haben Sie sich jemals gefragt, wie wir mit nur zwei Ohren Geräusche aus unserer Umgebung lokalisieren können? Oder, wenn Sie ein Videospiel spielen, warum scheint es, als ob eine Explosion direkt hinter Ihnen kam, obwohl Sie sich in der Sicherheit Ihres eigenen Zuhauses befanden? Unser Verstand bestimmt, woher der Ton kommt, indem er mehrere Hinweise verwendet. Zwei dieser Hinweise sind (1) welches Ohr der Ton zuerst trifft und (2) wie laut der Ton ist, wenn er jedes Ohr erreicht. Wenn der Ton beispielsweise zuerst auf Ihr rechtes Ohr trifft, stammt er wahrscheinlich rechts von Ihrem Körper. Wenn es beide Ohren gleichzeitig trifft, ist es wahrscheinlich direkt vor oder hinter Ihnen entstanden. Schöpfer von Filmen und Videospielen verwenden diese Hinweise, um unseren Verstand auszutricksen – das heißt, um uns die Illusion zu geben, dass bestimmte Geräusche aus bestimmten Richtungen kommen. In diesem Artikel werden wir untersuchen, wie Ihr Gehirn Informationen aus Ihren Ohren sammelt und diese Informationen verwendet, um festzustellen, woher ein Ton kommt.
Die physikalischen Elemente des Klangs
Unsere Fähigkeit zu hören ist entscheidend für die Bereitstellung von Informationen über die Welt um uns herum. Schall wird erzeugt, wenn ein Objekt die Luft um es herum vibriert, und diese Vibration kann als eine Welle dargestellt werden, die sich durch den Raum bewegt. Wenn beispielsweise ein Ast von einem Baum fällt und auf den Boden trifft, ändert sich der Luftdruck um den Ast herum, wenn er auf die Erde trifft, und infolgedessen erzeugt die Vibration der Luft ein Geräusch, das von der Kollision herrührt. Eine Sache, die viele Menschen nicht erkennen, ist, dass Schallwellen physikalische Eigenschaften haben und daher von der Umgebung beeinflusst werden, in der sie auftreten. Im Vakuum des Raumes zum Beispiel können Geräusche nicht auftreten, weil in einem echten Vakuum nichts vibriert und eine Schallwelle verursacht. Die beiden wichtigsten physikalischen Eigenschaften von Schall sind Frequenz und Amplitude. Die Frequenz ist die Geschwindigkeit, mit der eine Schallwelle vibriert, und bestimmt die Tonhöhe eines Geräusches. Höherfrequente Töne haben eine höhere Tonhöhe, wie eine Flöte oder ein Vogelgezwitscher, während niederfrequente Töne eine niedrigere Tonhöhe haben, wie eine Tuba oder ein großer Hund bellt. Die Amplitude einer Schallwelle kann als die Stärke der Schwingungen angesehen werden, wenn sie sich durch die Luft bewegen, und sie bestimmt die wahrgenommene Lautstärke des Schalls. Wie Sie in Abbildung 1 sehen können, wird der Ton als leiser wahrgenommen, wenn die Spitze der Schallwelle kleiner ist. Wenn die Spitze größer ist, erscheint der Ton lauter. Es könnte sogar hilfreich sein, an Schallwellen wie Wellen in einem Ozean zu denken. Wenn Sie in stillem Wasser stehen und einen Kieselstein in die Nähe Ihrer Beine fallen lassen, verursacht dies eine kleine Welligkeit (eine winzige Welle), die Sie nicht stark beeinträchtigt. Aber wenn Sie bei stürmischem Wetter im Meer stehen, können die großen ankommenden Wellen stark genug sein, um Sie niederzuschlagen! Genau wie die Größe und Stärke von Wasserwellen kann die Größe und Stärke von Schallwellen einen großen Einfluss auf das haben, was Sie hören.
- Abbildung 1 – Amplitude und Frequenz als Wellen dargestellt.
- (A) Amplitude ist die Stärke der Schwingungen, die sich durch die Luft bewegen; Je größer die Amplitude, desto lauter wird der Schall vom Beobachter wahrgenommen. (B) Frequenz ist die Geschwindigkeit, mit der eine Schallwelle vibriert, die die wahrgenommene Tonhöhe des Geräusches bestimmt; Je größer die Frequenz, desto höher die Tonhöhe des Klangs.
Schallwellen interagieren auf faszinierende Weise mit der Umwelt um uns herum. Haben Sie jemals bemerkt, wie die Sirene eines Krankenwagens in der Ferne anders klingt als wenn sich der Krankenwagen nähert und an Ihnen vorbeigeht? Dies liegt daran, dass es einige Zeit dauert, bis sich der Schall von einem Punkt zum anderen bewegt, und die Bewegung der Schallquelle mit der Frequenz der Wellen interagiert, wenn sie die Person erreichen, die sie hört. Wenn der Krankenwagen weit weg ist, ist die Frequenz der Sirene niedrig, aber die Frequenz steigt, wenn sich der Krankenwagen Ihnen nähert, was ein Phänomen ist, das als Dopplereffekt bekannt ist (siehe Abbildung 2).
- Abbildung 2 – Wie Schallwellenfrequenzen beeinflusst (und wahrgenommen) werden, wenn sich eine Sirene nähert oder sich von einer Person entfernt.
- Wenn sich der Krankenwagen einer Person nähert, nimmt die Frequenz des Schalls zu und wird daher als höher empfunden. Wenn sich der Krankenwagen weiter von einer Person entfernt, nimmt die Frequenz ab, wodurch der Ton als niedriger wahrgenommen wird.
Schall wird jedoch nicht nur von der Entfernung beeinflusst, sondern auch von anderen Objekten. Denken Sie an eine Zeit zurück, als jemand aus einem anderen Raum nach Ihnen rief. Sie haben wahrscheinlich bemerkt, dass es schwieriger war, sie aus einem anderen Raum zu hören, als wenn er oder sie direkt neben Ihnen war. Der Abstand zwischen Ihnen ist nicht der einzige Grund, warum eine Person schwerer zu hören ist, wenn sie sich in einem anderen Raum befindet. Die Person ist auch schwerer zu hören, weil die Schallwellen von Objekten in der Umgebung absorbiert werden; Je weiter die Person, die Sie anruft, entfernt ist, Desto mehr Objekte befinden sich zwischen Ihnen beiden, sodass schließlich weniger Schallwellen Ihre Ohren erreichen. Infolgedessen können die Geräusche ruhig und gedämpft erscheinen, selbst wenn die Person laut schreit.
Struktur des Ohrs
Unsere Ohren sind komplexe anatomische Strukturen, die in drei Hauptteile unterteilt sind, die als Außenohr, Mittelohr und Innenohr bezeichnet werden. Das Außenohr ist der einzige sichtbare Teil des Ohrs und dient hauptsächlich dazu, Schall aus der Umgebung in den Gehörgang zu leiten. Von dort gelangt der Schall in das Mittelohr, wo er das Trommelfell und drei winzige Knochen, die sogenannten Gehörknöchelchen, vibriert, die Schallenergie an das Innenohr übertragen. Die Energie wandert weiter zum Innenohr, wo sie von der Cochlea empfangen wird. Die Cochlea ist eine Struktur im Ohr, die wie ein Schneckenhaus geformt ist, und enthält das Corti-Organ, in dem sensorische „Haarzellen“ vorhanden sind, die die Schallenergie wahrnehmen können. Wenn die Cochlea den Schall empfängt, verstärkt sie das von diesen Haarzellen erkannte Signal und überträgt das Signal über den Hörnerv an das Gehirn.
Klang und Gehirn
Während die Ohren für den Empfang von Schall aus der Umgebung verantwortlich sind, nimmt das Gehirn diese Geräusche wahr und macht sie sinnvoll. Der auditorische Kortex des Gehirns befindet sich in einer Region namens Temporallappen und ist auf die Verarbeitung und Interpretation von Geräuschen spezialisiert (siehe Abbildung 3). Der auditorische Kortex ermöglicht es dem Menschen, Sprache sowie andere Geräusche in der Umgebung zu verarbeiten und zu verstehen. Was würde passieren, wenn Signale vom Hörnerv niemals den Hörkortex erreichen würden? Wenn der auditorische Kortex einer Person aufgrund einer Hirnverletzung beschädigt wird, wird die Person manchmal nicht in der Lage, Geräusche zu verstehen; Zum Beispiel können sie die Bedeutung der gesprochenen Wörter nicht verstehen, oder sie können nicht in der Lage sein, zwei verschiedene Musikinstrumente voneinander zu unterscheiden. Da viele andere Bereiche des Gehirns auch während der Wahrnehmung von Schall aktiv sind, können Personen mit einer Schädigung des auditorischen Kortex oft noch auf Schall reagieren. In diesen Fällen, obwohl das Gehirn den Ton verarbeitet, ist es nicht in der Lage, aus diesen Signalen eine Bedeutung zu machen.
- Abbildung 3 – Diagramm einer Schallquelle, die durch den Gehörgang wandert und sich in neuronale Signale verwandelt, die den auditorischen Kortex erreichen.
- Der Schall wird vom Außenohr in den Gehörgang geleitet und später von der Cochlea in neuronale Signale umgewandelt. Dieses Signal wird dann an den auditorischen Kortex übertragen, wo dem Klang eine Bedeutung zugewiesen wird.
Hörst du Geräusche von hier oder von dort?
Eine wichtige Funktion der menschlichen Ohren sowie der Ohren anderer Tiere ist ihre Fähigkeit, Geräusche aus der Umgebung in den Gehörgang zu leiten. Obwohl das Außenohr Schall in das Ohr leitet, ist dies nur dann am effizientesten, wenn der Schall von der Seite des Kopfes kommt (und nicht direkt davor oder dahinter). Wenn Sie einen Ton von einer unbekannten Quelle hören, drehen Menschen normalerweise ihren Kopf, um ihr Ohr darauf zu richten, wo sich der Ton befinden könnte. Die Leute tun dies oft, ohne es zu merken, wie wenn Sie in einem Auto sind und einen Krankenwagen hören, dann bewegen Sie Ihren Kopf herum, um zu versuchen zu lokalisieren, woher die Sirene kommt. Einige Tiere, wie Hunde, können Geräusche effizienter lokalisieren als Menschen. Manchmal können Tiere (wie einige Hunde und viele Katzen) ihre Ohren sogar physisch in Richtung des Geräusches bewegen!
Menschen verwenden zwei wichtige Hinweise, um festzustellen, woher ein Geräusch kommt. Diese Cues sind: (1) welches Ohr der Schall zuerst trifft (bekannt als interaurale Zeitunterschiede) und (2) wie laut der Schall ist, wenn er jedes Ohr erreicht (bekannt als interaurale Intensitätsunterschiede). Wenn ein Hund auf der rechten Seite Ihres Körpers bellen würde, hätten Sie kein Problem damit, sich umzudrehen und in diese Richtung zu schauen. Dies liegt daran, dass die durch das Bellen erzeugten Schallwellen Ihr rechtes Ohr treffen, bevor Sie Ihr linkes Ohr treffen, was dazu führt, dass der Ton in Ihrem rechten Ohr lauter wird. Warum ist der Ton in Ihrem rechten Ohr lauter, wenn der Ton von rechts kommt? Denn wie Objekte in Ihrem Haus, die den Klang eines Anrufers blockieren oder absorbieren, ist Ihr eigener Kopf ein festes Objekt, das Schallwellen blockiert, die auf Sie zulaufen. Wenn der Ton von der rechten Seite kommt, blockiert Ihr Kopf einige der Schallwellen, bevor sie Ihr linkes Ohr treffen. Dies führt dazu, dass der Ton von rechts als lauter wahrgenommen wird, wodurch signalisiert wird, dass der Ton von dort stammt.
Sie können dies durch eine lustige Aktivität erkunden. Schließen Sie die Augen und bitten Sie einen Elternteil oder Freund, irgendwo um Ihren Kopf herum einen Schlüssel zu klingeln. Tun Sie dies mehrmals und versuchen Sie jedes Mal, auf die Position der Schlüssel zu zeigen, öffnen Sie dann Ihre Augen und sehen Sie, wie genau Sie waren. Die Chancen stehen gut, das ist einfach für Sie. Decken Sie nun ein Ohr ab und versuchen Sie es erneut. Wenn nur ein Ohr zur Verfügung steht, können Sie feststellen, dass die Aufgabe schwieriger ist oder dass Sie weniger genau auf die richtige Stelle zeigen. Dies liegt daran, dass Sie eines Ihrer Ohren gedämpft haben und daher Ihre Fähigkeit geschwächt haben, Signale über den Zeitpunkt oder die Intensität der Geräusche zu verwenden, die jedes Ohr erreichen.
Immersives Audio in Spielen und Filmen
Wenn Toningenieure dreidimensionales Audio (3D-Audio) erstellen, müssen sie alle Hinweise berücksichtigen, die uns helfen, Ton zu lokalisieren, und sie müssen diese Hinweise verwenden, um uns dazu zu bringen, Ton als von einem bestimmten Ort kommend wahrzunehmen. Obwohl es bei 3D-Audio eine begrenzte Anzahl physischer Klangquellen gibt, die über Kopfhörer und Lautsprecher übertragen werden (z. B. nur zwei mit Kopfhörern), kann das Audio so aussehen, als käme es von viel mehr Orten. 3D-Audioingenieure können dieses Kunststück vollbringen, indem sie berücksichtigen, wie Schallwellen Sie erreichen, basierend auf der Form Ihres Kopfes und der Position Ihrer Ohren. Wenn ein Toningenieur beispielsweise einen Ton erzeugen möchte, der so aussieht, als käme er von Ihnen und leicht nach rechts, wird der Ton sorgfältig so gestaltet, dass er zuerst im rechten Kopfhörer abgespielt wird und in diesem Kopfhörer etwas lauter ist als im linken.
Videospiele und Filme werden immersiver und lebensechter, wenn sie mit diesen Tricks von 3D-Audio kombiniert werden. Wenn Sie beispielsweise einen Film ansehen, können Lautsprechersätze im Kino die Tonrichtung fokussieren, um eine Übereinstimmung zwischen dem, was Sie sehen und dem, was Sie hören, zu ermöglichen. Stellen Sie sich beispielsweise vor, Sie sehen einen Film und eine Schauspielerin führt ein Telefongespräch auf der rechten Seite des Bildschirms. Ihre Rede beginnt hauptsächlich über die rechten Lautsprecher zu spielen, aber wenn sie sich auf dem Bildschirm von rechts nach links bewegt, folgt der Ton ihr allmählich und reibungslos. Dieser Effekt ist das Ergebnis zahlreicher Lautsprecher, die eng synchron arbeiten, um den 3D-Audioeffekt zu ermöglichen.
Virtual Reality (VR) hebt dieses immersive Erlebnis auf ein höheres Niveau, indem die Richtung des Klangs geändert wird, je nachdem, wohin Sie schauen oder wo Sie sich im virtuellen Raum befinden. In VR sind Sie per Definition virtuell in einer Szene platziert, und sowohl die visuellen als auch die auditiven Erfahrungen sollten Ihre Erfahrung der realen Welt widerspiegeln. In einer erfolgreichen VR-Simulation bestimmen die Richtung Ihrer Kopfbewegungen und der Ort, an dem Sie hinschauen, wo Sie den Ton als Ursprung wahrnehmen. Schauen Sie direkt auf ein Raumschiff und das Geräusch seiner Motoren kommt direkt vor Ihnen, aber biegen Sie nach links ab und jetzt kommt das Geräusch von rechts auf Sie zu. Bewegen Sie sich hinter ein großes Objekt und jetzt treffen die virtuellen Schallwellen das Objekt direkt und indirekt, dämpfen den Schall und lassen ihn gedämpft und leiser erscheinen.
Fazit
Wissenschaftler und Fachleute aus der Film- und Videospielbranche haben simulierte Geräusche verwendet, um mehr über das Hören zu erfahren und unser Unterhaltungserlebnis zu verbessern. Einige Wissenschaftler konzentrieren sich darauf, wie das Gehirn Geräusche verarbeitet, während andere die physikalischen Eigenschaften von Schallwellen selbst analysieren, z. B. wie sie abprallen oder anderweitig gestört werden. Einige untersuchen sogar, wie andere Tiere hören und vergleichen ihre Fähigkeiten mit unseren eigenen. Im Gegenzug haben Fachleute in der Film- und Videospielindustrie diese Forschung genutzt, um die Erfahrung von Kinobesuchern und Spielern immersiver zu machen. In virtuellen Umgebungen können Designer virtuelle Schallwellen so verhalten lassen, wie es Schallwellen im wirklichen Leben tun. Wenn Sie ein Videospiel spielen oder einen Film ansehen, ist es leicht, die Forschung und Zeit, die in die Schaffung dieser Erfahrung investiert wurde, als selbstverständlich zu betrachten. Vielleicht beginnt der nächste Fortschritt in der immersiven Soundtechnologie mit Ihnen und Ihrer eigenen Neugier auf Schallwellen und die Funktionsweise des Hörsystems!
Glossar
Amplitude: Die Größe der Schallwelle; das Attribut eines Tons, das die wahrgenommene Lautstärke dieses Tons beeinflusst.
Tonhöhe: Die Klangqualität, die als Funktion der Frequenz oder Geschwindigkeit der Schwingungen wahrgenommen wird; der wahrgenommene Grad der Hoheit oder Niedrigkeit eines Tons oder Tons.
Doppler-Effekt: Eine Zunahme oder Abnahme der Frequenz einer Schallwelle, wenn sich die Geräuschquelle und der Beobachter aufeinander zu oder voneinander weg bewegen.
Cochlea: Eine (meist) hohle Röhre im Innenohr, die meist wie ein Schneckenhaus gewickelt ist und die Sinnesorgane des Hörens enthält.
Auditorischer Kortex: Der Bereich des Gehirns im Temporallappen, der durch das Hören empfangene Informationen verarbeitet.
Interaurale Zeitdifferenz: Der Unterschied in der Ankunftszeit des von den beiden Ohren empfangenen Tons.
Interaurale Intensitätsdifferenz: Der Unterschied in der Lautstärke und Frequenz eines von den beiden Ohren empfangenen Tons.
Dreidimensionales Audio: Eine Gruppe von Soundeffekten, die verwendet werden, um das zu manipulieren, was von Stereolautsprechern oder Kopfhörern erzeugt wird, wobei die wahrgenommene Platzierung von Schallquellen an einer beliebigen Stelle in einem dreidimensionalen Raum erfolgt.
Interessenkonflikterklärung
Die Autoren erklären, dass die Forschung in Abwesenheit von kommerziellen oder finanziellen Beziehungen durchgeführt wurde, die als potenzieller Interessenkonflikt ausgelegt werden könnten.