äänen Fysikaaliset elementit

kuulokykymme on ratkaisevaa, jotta saamme tietoa ympäröivästä maailmasta. Ääni syntyy, kun kappale värähtelee ilmaa ympärillään, ja tämä värähtely voidaan esittää aaltona, joka kulkee avaruudessa. Jos esimerkiksi oksa putoaa puusta ja osuu maahan, oksan ympärillä oleva Ilmanpaine muuttuu sen osuessa maahan, minkä seurauksena ilman värähtely tuottaa törmäyksestä lähtevän äänen. Monet ihmiset eivät ymmärrä, että ääniaalloilla on fysikaalisia ominaisuuksia, ja siksi niihin vaikuttaa ympäristö, jossa ne tapahtuvat. Esimerkiksi avaruuden tyhjiössä ääniä ei voi esiintyä, koska todellisessa tyhjiössä ei ole mitään, mikä värähtelisi ja aiheuttaisi ääniaallon. Äänen kaksi tärkeintä fysikaalista ominaisuutta ovat taajuus ja amplitudi. Taajuus on nopeus, jolla ääniaalto värähtelee, ja se määrittää äänenkorkeuden. Korkeamman taajuuden äänillä on korkeampi sävelkorkeus, kuten huilulla tai linnun sirityksellä, kun taas matalamman taajuuden äänillä on matalampi sävelkorkeus, kuten tuuballa tai isolla koiralla. Ääniaallon amplitudi voidaan ajatella värähtelyjen voimakkuutena niiden kulkiessa ilman läpi, ja se määrittää äänen koetun voimakkuuden. Kuten kuvassa 1 näkyy, kun ääniaallon huippu on pienempi, ääni koetaan hiljaisemmaksi. Jos huippu on suurempi, ääni tuntuu kovemmalta. Voisi jopa auttaa ajatella ääniaaltoja kuin aaltoja meressä. Jos seisot tyynessä vedessä ja pudotat pikkukiven lähelle jalkojasi, se aiheuttaa pienen aaltoaallon, joka ei vaikuta sinuun paljon. Mutta jos seisot meressä myrskyisellä säällä, tulevat suuret aallot voivat olla niin voimakkaita, että ne kaatavat sinut maahan! Aivan kuten vesiaaltojen koko ja voimakkuus, ääniaaltojen koko ja voimakkuus voivat vaikuttaa suuresti siihen, mitä kuulet.

ääniaallot vaikuttavat kiehtovasti ympäröivään ympäristöön. Oletko koskaan huomannut, miten ambulanssin sireeni kuulostaa erilaiselta, kun se on kaukana verrattuna siihen, kun ambulanssi lähestyy ja ohittaa sinut? Tämä johtuu siitä, että äänen kulkeminen pisteestä toiseen vie aikaa, ja äänilähteen liike on vuorovaikutuksessa aaltojen taajuuden kanssa, kun ne saavuttavat sen kuulevan henkilön. Kun ambulanssi on kaukana, sireenin taajuus on alhainen, mutta taajuus kasvaa ambulanssin lähestyessä sinua, mikä on ilmiö, joka tunnetaan Doppler-ilmiönä (KS.kuva 2).

ääni ei kuitenkaan vaikuta ainoastaan etäisyyteen, vaan myös muihin kappaleisiin. Muistele aikaa, jolloin joku kutsui sinua toisesta huoneesta. Olet luultavasti huomannut, että oli vaikeampaa kuulla niitä toisesta huoneesta kuin silloin, kun hän oli aivan vieressäsi. Välimatka ei ole ainoa syy siihen, miksi toista on vaikeampi kuulla, kun hän on toisessa huoneessa. Henkilö on myös vaikeampi kuulla, koska ääniaallot imeytyvät ympäristön esineisiin; mitä kauempana soittaja on, sitä enemmän esineitä on välissänne, joten vähemmän ääniaaltoja päätyy lopulta korviisi. Tämän seurauksena äänet saattavat vaikuttaa hiljaisilta ja vaimeilta, vaikka ihminen huutaisi kovaa.

korvan rakenne

korvamme ovat monimutkaisia anatomisia rakenteita, jotka on erotettu kolmeen pääosaan, joita kutsutaan ulkokorvaksi, välikorvaksi ja sisäkorvaksi. Ulkokorva on korvan ainoa näkyvä osa ja sitä käytetään pääasiassa äänen johtamiseen ympäristöstä korvakäytävään. Sieltä ääni kulkeutuu välikorvaan, jossa se värähtelee tärykalvoa ja kolmea pientä luuta, joita kutsutaan kuuloluuiksi, jotka välittävät äänienergiaa sisäkorvaan. Energia jatkaa matkaansa sisäkorvaan, jossa simpukka vastaanottaa sen. Simpukka on korvan sisällä oleva etanan kuoren muotoinen rakenne, ja se sisältää Cortin elimen, jossa on äänienergiaa aistivia aistinvaraisia ”karvasoluja”. Kun simpukka vastaanottaa äänen, se vahvistaa näiden karvasolujen havaitsemaa signaalia ja välittää signaalin kuulohermon kautta aivoihin.

ääni ja aivot

vaikka korvat ovat vastuussa äänen vastaanottamisesta ympäristöstä, aivot havaitsevat ja ymmärtävät nämä äänet. Aivojen kuuloaivokuori sijaitsee ohimolohkoksi kutsutulla alueella ja on erikoistunut äänten käsittelyyn ja tulkintaan (KS.kuva 3). Kuuloaivokuoren avulla ihminen voi käsitellä ja ymmärtää puhetta sekä muita ääniä ympäristössä. Mitä tapahtuisi, jos kuulohermon signaalit eivät koskaan pääsisi kuuloaivokuoreen? Kun ihmisen kuuloaivokuori vaurioituu aivovamman vuoksi, hän ei joskus kykene ymmärtämään ääniä; hän ei esimerkiksi välttämättä ymmärrä puhuttujen sanojen merkitystä tai hän ei pysty erottamaan kahta eri soitinta toisistaan. Koska myös monet muut aivojen alueet ovat aktiivisia äänihavainnon aikana, kuuloaivokuoren vaurioittamat yksilöt voivat usein vielä reagoida ääneen. Näissä tapauksissa, vaikka aivot käsittelevät ääntä, se ei pysty tekemään merkitystä näistä signaaleista.

Kuuletko ääniä täältä vai tuolta?

ihmiskorvien ja muiden eläinten korvien yksi tärkeä tehtävä on niiden kyky kanavoida ympäristöstä tulevia ääniä korvakäytävään. Vaikka ulkokorvan suppilot soivat korvaan, tämä on tehokkainta vain silloin, kun ääni tulee pään puolelta (eikä suoraan edestä tai takaa). Kun ihmiset kuulevat tuntemattomasta lähteestä tulevan äänen, he yleensä kääntävät päänsä osoittaakseen korvansa siihen, missä ääni voisi sijaita. Ihmiset tekevät tämän usein edes tajuamatta sitä, kuten Kun olet autossa ja kuulet ambulanssin, siirrä sitten päätäsi yrittääksesi paikantaa, mistä sireeni tulee. Jotkin eläimet, kuten koirat, paikantavat äänen tehokkaammin kuin ihmiset. Joskus eläimet (kuten jotkut koirat ja monet kissat) voivat jopa fyysisesti siirtää korviaan äänen suuntaan!

ihmiset käyttävät kahta tärkeää vihjettä selvittääkseen, mistä ääni tulee. Nämä vihjeet ovat: (1) Mihin korvaan ääni osuu ensin (tunnetaan nimellä interaural time differences), ja (2) Kuinka kova ääni on, kun se saavuttaa kunkin korvan (tunnetaan interaural intensity differences). Jos koira haukkuisi kehosi oikealla puolella, sinulla ei olisi mitään ongelmaa kääntyä ja katsoa siihen suuntaan. Tämä johtuu siitä, että haukkumisen tuottamat ääniaallot osuvat oikeaan korvaan ennen kuin osuvat vasempaan korvaan, jolloin ääni on kovempi oikeassa korvassa. Miksi ääni on äänekkäämpi oikeassa korvassasi, kun ääni tulee oikealta? Koska kuten esineet talossasi, jotka estävät tai imevät äänen, kun joku kutsuu sinua, oma pääsi on kiinteä esine, joka estää sinua kohti kulkevia ääniaaltoja. Kun ääni tulee oikealta puolelta, pääsi estää osan ääniaalloista ennen kuin ne osuvat vasempaan korvaasi. Tämä johtaa siihen, että ääni koetaan äänekkäämmäksi oikealta, mikä merkitsee, että ääni on peräisin tuolta.

tähän voi tutustua hauskan toiminnan kautta. Sulje silmäsi ja pyydä vanhempaa tai ystävää kilistelemään avaimia jonnekin pääsi ympärille. Tee tämä useita kertoja, ja joka kerta, yrittää osoittaa sijainnin avaimet, avaa silmäsi ja nähdä, kuinka tarkka olit. Tämä on sinulle helppoa. Peitä toinen korva ja yritä uudelleen. Vain yksi korva käytettävissä, saatat huomata, että tehtävä on vaikeampi, tai että olet vähemmän tarkka osoittaa oikeaan paikkaan. Tämä johtuu siitä, että olet vaimentanut yhden korvistasi ja siksi heikentänyt kykyäsi käyttää signaaleja kunkin korvan äänien ajoituksesta tai voimakkuudesta.

Immersive Audio in Games and Movies

kun audioinsinöörit luovat kolmiulotteista ääntä (3D-ääntä), heidän on otettava huomioon kaikki vihjeet, jotka auttavat meitä paikantamaan äänen, ja heidän on käytettävä näitä vihjeitä huijatakseen meidät havaitsemaan äänen tulevan tietystä paikasta. Vaikka 3D-äänessä on rajallinen määrä kuulokkeiden ja kaiuttimien kautta välittäviä fyysisiä äänilähteitä (esimerkiksi kuulokkeilla vain kaksi), ääni voi vaikuttaa siltä, että se tulee monesta muustakin paikasta. 3D audio insinöörit voivat saavuttaa tämän feat huomioon, miten ääniaallot tavoittaa sinut, joka perustuu muoto pään ja sijainti korvat. Jos esimerkiksi ääniteknikko haluaa luoda äänen, joka näyttää siltä, että se tulee eteesi ja hieman oikealle, insinööri suunnittelee huolellisesti äänen, jotta se alkaa ensin soittaa oikeassa kuulokkeessa ja on hieman kovempi tässä kuulokkeessa verrattuna vasempaan.

videopeleistä ja elokuvista tulee mukaansatempaavampia ja elämänmakuisempia, kun ne yhdistetään näihin 3D-äänen temppuihin. Kun katsot elokuvaa, esimerkiksi, kaiuttimet sisällä Elokuvateatteri voi keskittyä äänen suuntaan, jotta ottelu mitä näet ja mitä kuulet. Kuvittele esimerkiksi, että katsot elokuvaa ja näyttelijä käy puhelinkeskustelua näytön oikealla puolella. Hänen puheensa alkaa soida enimmäkseen oikeiden kaiuttimien kautta, mutta kun hän liikkuu ruudulla oikealta vasemmalle, ääni seuraa häntä vähitellen ja sujuvasti. Tämä vaikutus on seurausta lukuisista kaiuttimista, jotka työskentelevät tiiviissä synkroniassa, jotta 3D-äänitehoste olisi mahdollinen.

virtuaalitodellisuus (VR) vie tämän immersiivisen kokemuksen korkeammalle tasolle muuttamalla äänen suuntaa sen mukaan, mihin katselet tai missä olet virtuaalitilassa. VR: ssä sinut sijoitetaan virtuaalisesti kohtaukseen, ja sekä visuaalisten että auditiivisten kokemusten pitäisi heijastaa kokemustasi todellisesta maailmasta. Onnistuneessa VR-simulaatiossa pään liikkeiden suunta ja etsimäsi paikka määrittävät, mistä havaitset äänen olevan peräisin. Katso suoraan avaruusalusta ja sen moottoreiden ääni tulee suoraan edestäsi, mutta käänny vasemmalle ja nyt ääni tulee sinua kohti oikealta. Siirry ison esineen taakse ja nyt virtuaaliset ääniaallot osuvat kohteeseen suoraan ja osuvat sinuun epäsuorasti, vaimentaen ääntä ja tehden siitä vaimeamman ja hiljaisemman.

johtopäätös

elokuva-ja videopelialan tutkijat ja ammattilaiset ovat käyttäneet simuloituja ääniä oppiakseen lisää kuulosta ja parantaakseen viihdekokemuksiamme. Jotkut tutkijat keskittyvät siihen, miten aivot käsittelevät ääniä, kun taas toiset analysoivat itse ääniaaltojen fysikaalisia ominaisuuksia, kuten sitä, miten ne pomppivat tai häiriintyvät muuten. Jotkut jopa tutkivat, miten muut eläimet kuulevat ja vertaavat kykyjään omiimme. Elokuva-ja videopelialan ammattilaiset ovat puolestaan hyödyntäneet tätä tutkimusta auttaakseen tekemään elokuvien kävijöiden ja pelaajien kokemuksista mukaansatempaavampia. Virtuaaliympäristöissä suunnittelijat voivat saada virtuaaliset ääniaallot käyttäytymään kuten ääniaallot tekevät oikeassa elämässä. Kun pelaat videopeliä tai katsot elokuvaa, on helppo pitää itsestäänselvyytenä tutkimusta ja aikaa, joka meni tämän kokemuksen luomiseen. Ehkä seuraava edistysaskel immersiivisessä äänitekniikassa alkaa sinusta ja omasta uteliaisuudestasi ääniaaltoja ja kuulojärjestelmän toimintaa kohtaan!

Sanasto

Amplitudi: ääniaallon koko; äänen ominaisuus, joka vaikuttaa kyseisen äänen koettuun voimakkuuteen.

sävelkorkeus: äänenlaatu, joka koetaan värähtelytaajuuden tai-nopeuden funktiona; havaittua äänen tai äänen korkeutta tai mataluutta.

Doppler-ilmiö: ääniaallon taajuuden kasvu tai väheneminen kohinan lähteen ja havaitsijan liikkuessa toisiaan kohti tai poispäin.

simpukka: sisäkorvassa oleva (useimmiten) ontto putki, joka on tavallisesti kotilonkuoren tapaan kiertynyt ja joka sisältää kuuloelimet.

Kuuloaivokuori: ohimolohkossa sijaitseva aivojen alue, joka käsittelee kuulon kautta saatua tietoa.

Interauraalinen Aikaero: Ero kahden korvan vastaanottaman äänen saapumisajassa.

Interaural Intensity Difference: ero kahden korvan vastaanottaman äänen voimakkuudessa ja taajuudessa.

kolmiulotteinen ääni: ryhmä ääniefektejä, joita käytetään stereokaiuttimien tai-kuulokkeiden tuottamien äänien manipulointiin siten, että äänilähteet koetaan sijoitettavan mihin tahansa kolmiulotteiseen tilaan.

Eturistiriitalausunto

kirjoittajat toteavat, että tutkimus tehtiin ilman kaupallisia tai taloudellisia suhteita, joita voitaisiin pitää mahdollisena eturistiriitana.