Abstract
heeft u zich ooit afgevraagd hoe we met slechts twee oren geluiden kunnen lokaliseren die van overal om ons heen komen? Of, als je een videospelletje speelt, waarom het lijkt alsof er een explosie vlak achter je vandaan kwam, ook al was je in de veiligheid van je eigen huis? Onze geest bepaalt waar geluid vandaan komt met behulp van meerdere signalen. Twee van deze aanwijzingen zijn (1) Welk oor het geluid het eerst raakt, en (2) Hoe hard het geluid is wanneer het elk oor bereikt. Als het geluid bijvoorbeeld eerst je rechteroor raakt, is het waarschijnlijk rechts van je lichaam ontstaan. Als het beide oren op hetzelfde moment raakt, is het waarschijnlijk direct voor of achter je vandaan gekomen. Makers van films en videogames gebruiken deze aanwijzingen om onze geest te misleiden—dat wil zeggen, om ons de illusie te geven dat bepaalde geluiden uit specifieke richtingen komen. In dit artikel zullen we onderzoeken hoe je hersenen informatie uit je oren verzamelen en die informatie gebruiken om te bepalen waar een geluid vandaan komt.
de fysische elementen van geluid
ons vermogen om te horen is cruciaal voor het verstrekken van informatie over de wereld om ons heen. Geluid wordt geproduceerd wanneer een object de lucht eromheen trilt, en deze vibratie kan worden weergegeven als een golf die door de ruimte reist. Als bijvoorbeeld een tak van een boom valt en de grond raakt, verandert de luchtdruk rond de tak wanneer hij de aarde raakt en als gevolg daarvan produceert de trillingen van de lucht een geluid dat afkomstig is van de botsing. Een ding dat veel mensen niet beseffen is dat geluidsgolven fysieke eigenschappen hebben en daarom worden beïnvloed door de omgeving waarin ze voorkomen. In het vacuüm van de ruimte kunnen geluiden bijvoorbeeld niet voorkomen omdat er in een echt vacuüm niets te trillen is en een geluidsgolf veroorzaakt. De twee belangrijkste fysieke kwaliteiten van geluid zijn frequentie en amplitude. Frequentie is de snelheid waarmee een geluidsgolf trilt, en het bepaalt de toonhoogte van een geluid. Hogere frequentie geluiden hebben een hogere toonhoogte, zoals een fluit of een vogel tjilpen, terwijl lagere frequentie geluiden hebben een lagere toonhoogte, zoals een tuba of een grote hond blaffen. De amplitude van een geluidsgolf kan worden gezien als de kracht van de trillingen als ze door de lucht reizen, en het bepaalt de waargenomen luidheid van het geluid. Zoals je kunt zien in Figuur 1, wanneer de piek van de geluidsgolf kleiner is, zal het geluid als stiller worden ervaren. Als de piek groter is, dan zal het geluid harder lijken. Het zou zelfs helpen om te denken aan geluidsgolven als golven in een oceaan. Als je in stilstaand water staat en een kiezelsteen in de buurt van je benen laat vallen, zal het een kleine rimpel (een kleine golf) veroorzaken die je niet veel beïnvloedt. Maar als je in de oceaan staat tijdens stormachtig weer, kunnen de grote inkomende golven sterk genoeg zijn om je neer te slaan! Net zoals de grootte en sterkte van watergolven, kunnen de grootte en sterkte van geluidsgolven een groot effect hebben op wat je hoort.
- figuur 1-Amplitude en frequentie weergegeven als golven.(A) Amplitude is de sterkte van de trillingen die door de lucht reizen; hoe groter de amplitude, hoe luider het geluid door de waarnemer wordt waargenomen. (B) frequentie is de snelheid waarmee een geluidsgolf trilt, die de waargenomen toonhoogte van het geluid bepaalt; hoe groter de frequentie, hoe hoger de toonhoogte van het geluid.
geluidsgolven interageren op fascinerende manieren met de omgeving om ons heen. Is het je ooit opgevallen hoe de sirene van een ambulance anders klinkt wanneer deze in de verte ligt in vergelijking met wanneer de ambulance u nadert en passeert? Dit komt omdat het tijd kost om geluid van het ene punt naar het andere te verplaatsen, en de beweging van de geluidsbron interageert met de frequentie van de golven wanneer ze de persoon bereiken die het hoort. Wanneer de ambulance ver weg is, is de frequentie van de sirene laag, maar de frequentie neemt toe naarmate de ambulance u nadert, wat een fenomeen is dat bekend staat als het Doppler-effect (zie Figuur 2).
- Figuur 2 – Hoe geluidsgolf frequenties worden beïnvloed (en waargenomen) als een sirene nadert of reist weg van een individu.
- als de ambulance een individu nadert, neemt de frequentie van het geluid toe en wordt daarom waargenomen als een hogere toonhoogte. Als de ambulance verder van een individu wegrijdt, neemt de frequentie af, waardoor het geluid wordt waargenomen als een lagere toonhoogte.
geluid wordt echter niet alleen beïnvloed door afstand, maar ook door andere objecten. Denk terug aan een tijd dat iemand je belde vanuit een andere kamer. Je hebt waarschijnlijk gemerkt dat het moeilijker was om ze te horen vanuit een andere kamer dan toen hij of zij naast je was. De afstand tussen jullie is niet de enige reden dat een persoon moeilijker te horen is als hij of zij in een andere kamer is. De persoon is ook moeilijker te horen omdat de geluidsgolven worden geabsorbeerd door objecten in de omgeving; hoe verder weg de persoon die je roept is, hoe meer objecten er tussen jullie twee zijn, dus minder van de geluidsgolven uiteindelijk je oren bereiken. Als gevolg hiervan kunnen de geluiden stil en gedempt lijken, zelfs wanneer de persoon luid schreeuwt.
structuur van het oor
onze oren zijn complexe anatomische structuren die zijn onderverdeeld in drie hoofddelen, het buitenoor, het middenoor en het binnenoor. Het buitenste oor is het enige zichtbare deel van het oor en wordt voornamelijk gebruikt voor het geleiden van geluid uit de omgeving in de gehoorgang. Van daaruit reist geluid naar het middenoor, waar het het trommelvlies trilt en drie kleine botjes, de ossicles, die geluidsenergie overbrengen naar het binnenoor. De energie blijft naar het binnenoor reizen, waar het wordt ontvangen door het slakkenhuis. Het slakkenhuis is een structuur in het oor die de vorm heeft van een slakkenhuis, en het bevat het orgaan van Corti, waar zintuiglijke “haarcellen” aanwezig zijn die de geluidsenergie kunnen voelen. Wanneer het slakkenhuis het geluid ontvangt, versterkt het het signaal gedetecteerd door deze haarcellen en zendt het signaal door de gehoorzenuw naar de hersenen.
geluid en de hersenen
terwijl de oren verantwoordelijk zijn voor het ontvangen van geluid uit de omgeving, zijn het de hersenen die deze geluiden waarnemen en begrijpen. De auditieve cortex van de hersenen bevindt zich in een gebied genaamd de temporale kwab en is gespecialiseerd voor het verwerken en interpreteren van geluiden (zie Figuur 3). De auditieve cortex staat mensen toe om spraak, evenals andere geluiden in de omgeving te verwerken en te begrijpen. Wat zou er gebeuren als signalen van de gehoorzenuw nooit de auditieve cortex bereiken? Wanneer de auditieve cortex van een persoon wordt beschadigd als gevolg van een hersenletsel, de persoon wordt soms niet in staat om geluiden te begrijpen; bijvoorbeeld, ze kunnen niet begrijpen de Betekenis van woorden die worden gesproken, of ze kunnen niet in staat zijn om twee verschillende muziekinstrumenten uit elkaar te onderscheiden. Aangezien veel andere gebieden van de hersenen ook actief zijn tijdens de waarneming van geluid, kunnen individuen met schade aan de auditieve cortex vaak nog reageren op geluid. In deze gevallen, hoewel de hersenen het geluid verwerkt, is het niet in staat om Betekenis te maken van deze signalen.
- Figuur 3-Diagram van een geluidsbron reizen door de gehoorgang en draaien in neurale signalen die de auditieve cortex bereiken.
- het geluid wordt door het oor naar de gehoorgang geleid en wordt later door het slakkenhuis omgezet in neurale signalen. Dit signaal wordt vervolgens overgebracht naar de auditieve cortex, waar betekenis wordt toegekend aan het geluid.
hoor je geluid van hier of daar?
een belangrijke functie van menselijke oren, evenals de oren van andere dieren, is hun vermogen om geluiden uit de omgeving naar de gehoorgang te leiden. Hoewel de buitenste oor trechter geluid in het oor, dit is het meest efficiënt alleen wanneer geluid komt van de zijkant van het hoofd (in plaats van direct voor of achter het). Bij het horen van een geluid van een onbekende bron, mensen meestal draaien hun hoofd om hun oor te wijzen naar waar het geluid zou kunnen worden gelokaliseerd. Mensen doen dit vaak zonder het te beseffen, zoals wanneer je in een auto zit en een ambulance hoort, beweeg dan je hoofd rond om te proberen te lokaliseren waar de sirene vandaan komt. Sommige dieren, zoals honden, zijn efficiënter in het lokaliseren van geluid dan mensen. Soms kunnen dieren (zoals sommige honden en veel katten) zelfs fysiek hun oren in de richting van het geluid bewegen!
mensen gebruiken twee belangrijke aanwijzingen om te helpen bepalen waar een geluid vandaan komt. Deze aanwijzingen zijn: (1) Welk oor het geluid het eerst raakt (bekend als interaurale tijdsverschillen), en (2) Hoe hard het geluid is wanneer het elk oor bereikt (bekend als interaurale intensiteitsverschillen). Als een hond aan de rechterkant van je lichaam zou blaffen, zou je geen probleem hebben om in die richting te kijken. Dit komt omdat de geluidsgolven geproduceerd door het blaffen sloeg je rechteroor voordat het raken van uw linker oor, wat resulteert in het geluid luider in je rechteroor. Waarom is het geluid luider in je rechteroor als het geluid van rechts komt? Want, zoals objecten in je huis die het geluid blokkeren of absorberen van iemand die je roept, is je eigen hoofd een solide object dat geluidsgolven blokkeert die naar je toe reizen. Wanneer geluid van de rechterkant komt, zal je hoofd een aantal van de geluidsgolven blokkeren voordat ze je linkeroor raken. Hierdoor wordt het geluid van rechts als luider waargenomen, waardoor wordt aangegeven dat het daar vandaan komt.
u kunt dit verkennen door middel van een leuke activiteit. Sluit je ogen en vraag een ouder of vriend om een set sleutels ergens rond je hoofd te jingle. Doe dit meerdere keren en probeer elke keer naar de locatie van sleutels te wijzen, open dan je ogen en zie hoe nauwkeurig je was. De kans is groot dat dit makkelijk voor je is. Bedek nu één oor en probeer het opnieuw. Met slechts één oor beschikbaar, kunt u merken dat de taak moeilijker is, of dat u minder nauwkeurig bent in het wijzen naar de juiste locatie. Dit komt omdat je een van je oren gedempt hebt, en daarom je vermogen verzwakt om signalen te gebruiken over de timing of intensiteit van de geluiden die elk oor bereiken.
Immersive Audio in Games en films
wanneer audiotechnici driedimensionale audio (3D-audio) maken, moeten ze rekening houden met alle aanwijzingen die ons helpen geluid te lokaliseren, en ze moeten deze aanwijzingen gebruiken om ons te misleiden om geluid te waarnemen als afkomstig van een bepaalde locatie. Hoewel er bij 3D-audio een beperkt aantal fysieke geluidsbronnen zijn die via hoofdtelefoons en luidsprekers worden verzonden (bijvoorbeeld slechts twee met een hoofdtelefoon), kan het geluid lijken alsof het van veel meer locaties komt. 3D audio engineers kunnen dit bereiken door rekening te houden met hoe geluidsgolven je bereiken, op basis van de vorm van je hoofd en de locatie van je oren. Bijvoorbeeld, als een audio engineer een geluid wil maken dat lijkt alsof het van voor je komt en iets naar rechts, zal de engineer zorgvuldig het geluid ontwerpen om eerst te beginnen met spelen in de rechter hoofdtelefoon en om iets luider te zijn in deze hoofdtelefoon in vergelijking met de linker.
Videospellen en films worden meer meeslepend en levensecht wanneer ze worden gecombineerd met deze trucs van 3D-audio. Bij het bekijken van een film, bijvoorbeeld, sets van luidsprekers in de bioscoop kan de geluid richting te richten om een match tussen wat je ziet en wat je hoort. Stel je bijvoorbeeld voor dat je naar een film kijkt en dat een actrice een telefoongesprek heeft aan de rechterkant van het scherm. Haar spraak begint meestal te spelen door de rechter speakers, maar als ze beweegt op het scherm van rechts naar links, het geluid volgt haar geleidelijk en soepel. Dit effect is het resultaat van tal van luidsprekers werken in strakke synchronie, om het 3D audio-effect mogelijk te maken.
Virtual reality (VR) tilt deze meeslepende ervaring naar een hoger niveau door de richting van het geluid te veranderen op basis van waar u kijkt of zich bevindt in de virtuele ruimte. In VR ben je per definitie vrijwel in een scène geplaatst, en zowel de visuele als auditieve ervaringen moeten je ervaring van de echte wereld weerspiegelen. In een succesvolle VR-simulatie bepalen de richting van je hoofdbewegingen en waar je op zoek bent waar je de audio vandaan waarneemt. Kijk direct naar een ruimteschip en het geluid van de motoren komt van recht voor je, maar draai naar links en nu komt het geluid van rechts naar je toe. Beweeg achter een groot object en nu de virtuele geluidsgolven raken het object direct en raken u indirect, dempen het geluid en waardoor het meer gedempt en stiller lijken.
conclusie
onderzoekers en professionals in de film-en videospelindustrie hebben gesimuleerde geluiden gebruikt om meer te leren over horen en om onze entertainmentervaring te verbeteren. Sommige wetenschappers richten zich op hoe de hersenen geluiden verwerken, terwijl anderen de fysieke eigenschappen van geluidsgolven zelf analyseren, zoals hoe ze stuiteren of anderszins worden verstoord. Sommigen onderzoeken zelfs hoe andere dieren hun vaardigheden horen en vergelijken met die van ons. Op hun beurt hebben professionals in de film-en videospelindustrie dit onderzoek gebruikt om de ervaring van filmgangers en gamers meeslepend te maken. In virtuele omgevingen, ontwerpers kunnen virtuele geluidsgolven gedragen zoals geluidsgolven doen in het echte leven. Wanneer u het spelen van een video game of het kijken naar een film, is het gemakkelijk om voor lief te nemen het onderzoek en de tijd die ging in het creëren van deze ervaring. Misschien zal de volgende vooruitgang in meeslepende geluidstechnologie beginnen met u en uw eigen nieuwsgierigheid naar geluidsgolven en hoe het auditieve systeem werkt!
Woordenlijst
Amplitude: de grootte van de geluidsgolf; het attribuut van een geluid dat de waargenomen luidheid van dat geluid beïnvloedt.
toonhoogte: de geluidskwaliteit die wordt ervaren als functie van de frequentie of snelheid van de trillingen; de waargenomen mate van Hoogheid of laagheid van een toon of geluid.
Dopplereffect: een toename of afname van de frequentie van een geluidsgolf als de bron van het geluid en de waarnemer bewegen naar of weg van elkaar.Slakkenhuis: een (meestal) holle buis in het binnenoor, meestal opgerold als een slakkenhuis, die de zintuigen van het gehoor bevat.
auditieve Cortex: het gebied van de hersenen gelegen in de temporale kwab dat informatie verwerkt ontvangen door middel van gehoor.
Interauraal Tijdsverschil: Het verschil in de aankomsttijd van het geluid ontvangen door de twee oren.
Interauraal Intensiteitsverschil: het verschil in luidheid en frequentie van een geluid dat door de twee oren wordt ontvangen.
driedimensionale Audio: een groep geluidseffecten die worden gebruikt om te manipuleren wat door stereoluidsprekers of hoofdtelefoons wordt geproduceerd, waarbij geluidsbronnen overal in een driedimensionale ruimte worden waargenomen.
verklaring inzake belangenconflicten
de auteurs verklaren dat het onderzoek werd uitgevoerd zonder enige commerciële of financiële relatie die als een potentieel belangenconflict kon worden opgevat.