fizyczne elementy dźwięku

nasza zdolność słyszenia jest kluczowa dla przekazywania informacji o otaczającym nas świecie. Dźwięk jest wytwarzany, gdy obiekt wibruje wokół siebie powietrze, a wibracja ta może być reprezentowana jako fala podróżująca przez przestrzeń. Na przykład, jeśli gałąź spada z drzewa i uderza w ziemię, ciśnienie powietrza wokół gałęzi zmienia się, gdy uderza w ziemię, w wyniku czego wibracje powietrza wytwarzają dźwięk pochodzący z kolizji. Jedną z rzeczy, których wielu ludzi nie zdaje sobie sprawy, jest to, że fale dźwiękowe mają właściwości fizyczne i dlatego są pod wpływem środowiska, w którym występują. Na przykład w próżni przestrzeni dźwięki nie mogą wystąpić, ponieważ w prawdziwej próżni nie ma nic do wibracji i wywołania fali dźwiękowej. Dwie najważniejsze cechy fizyczne dźwięku to częstotliwość i amplituda. Częstotliwość to prędkość, z jaką fala dźwiękowa wibruje i określa wysokość szumu. Dźwięki o wyższej częstotliwości mają wyższy ton, jak flet lub ćwierkanie ptaków, podczas gdy dźwięki o niższej częstotliwości mają niższy ton, jak tuba lub szczekanie dużego psa. Amplituda fali dźwiękowej może być uważana za siłę wibracji, gdy przemieszczają się w powietrzu, i określa postrzeganą głośność dźwięku. Jak widać na rysunku 1, gdy szczyt fali dźwiękowej jest mniejszy, dźwięk będzie postrzegany jako cichszy. Jeśli szczyt jest większy, dźwięk będzie wydawał się głośniejszy. To może nawet pomóc myśleć o falach dźwiękowych jak fale w oceanie. Jeśli staniesz w nieruchomej wodzie i upuścisz kamyk w pobliżu nóg, spowoduje to małe tętnienie (mała fala), które nie wpływa na Ciebie zbytnio. Ale jeśli stoisz w oceanie podczas sztormowej pogody, Duże przychodzące fale mogą być wystarczająco silne, aby cię powalić! Podobnie jak rozmiar i siła fal wodnych, rozmiar i siła fal dźwiękowych może mieć duży wpływ na to, co słyszysz.

fale dźwiękowe w fascynujący sposób oddziałują z otaczającym nas środowiskiem. Czy zauważyłeś kiedyś, jak syrena karetki brzmi inaczej, gdy znajduje się w oddali, w porównaniu z tym, gdy karetka zbliża się i mija Ciebie? Dzieje się tak dlatego, że potrzeba czasu, aby dźwięk przemieszczał się z jednego punktu do drugiego, a ruch źródła dźwięku współdziała z częstotliwością fal, gdy docierają one do osoby słyszącej. Gdy karetka jest daleko, częstotliwość syreny jest niska, ale częstotliwość wzrasta w miarę zbliżania się karetki, co jest zjawiskiem znanym jako efekt Dopplera (patrz rysunek 2).

na dźwięk wpływa jednak nie tylko odległość, ale także inne obiekty. Przypomnij sobie czasy, kiedy ktoś dzwonił do Ciebie z innego pokoju. Prawdopodobnie zauważyłeś, że trudniej było usłyszeć je z innego pokoju niż wtedy, gdy on lub ona była tuż obok ciebie. Odległość między tobą nie jest jedynym powodem, dla którego osoba jest trudniejsza do usłyszenia, gdy jest w innym pokoju. Osoba jest również trudniejsza do usłyszenia, ponieważ fale dźwiękowe są absorbowane przez obiekty w otoczeniu; im dalej jest osoba wzywająca, tym więcej obiektów znajduje się pomiędzy Wami, więc mniej fal dźwiękowych w końcu dociera do Waszych uszu. W rezultacie Dźwięki mogą wydawać się ciche i stłumione, nawet gdy osoba krzyczy głośno.

Budowa ucha

nasze uszy są złożonymi strukturami anatomicznymi, które są podzielone na trzy główne części, zwane uchem zewnętrznym, uchem środkowym i uchem wewnętrznym. Ucho zewnętrzne jest jedyną widoczną częścią ucha i służy głównie do odprowadzania dźwięku z otoczenia do kanału słuchowego. Stamtąd dźwięk dociera do ucha środkowego, gdzie wibruje błona bębenkowa i trzy maleńkie kości, zwane kosteczkami, które przekazują energię dźwięku do ucha wewnętrznego. Energia nadal podróżuje do ucha wewnętrznego, gdzie jest odbierana przez ślimak. Ślimak jest strukturą wewnątrz ucha, która ma kształt muszli ślimaka i zawiera narząd Corti, w którym obecne są zmysłowe „komórki włosowe”, które mogą wyczuwać energię dźwięku. Kiedy ślimak odbiera dźwięk, wzmacnia sygnał wykrywany przez te komórki włosowe i przesyła sygnał przez nerw słuchowy do mózgu.

dźwięk i mózg

podczas gdy uszy są odpowiedzialne za odbieranie dźwięku z otoczenia, to mózg postrzega i ma sens te dźwięki. Kora słuchowa mózgu znajduje się w obszarze zwanym płatem skroniowym i specjalizuje się w przetwarzaniu i interpretacji dźwięków (patrz rycina 3). Kora słuchowa pozwala ludziom przetwarzać i rozumieć mowę, a także inne dźwięki w środowisku. Co by się stało, gdyby sygnały z nerwu słuchowego nigdy nie dotarły do kory słuchowej? Kiedy kora słuchowa danej osoby jest uszkodzona z powodu uszkodzenia mózgu, osoba ta czasami staje się niezdolna do zrozumienia dźwięków; na przykład, może nie rozumieć znaczenia wypowiadanych słów lub może nie być w stanie odróżnić dwóch różnych instrumentów muzycznych. Ponieważ wiele innych obszarów mózgu jest również aktywnych podczas percepcji dźwięku, osoby z uszkodzeniem kory słuchowej często mogą nadal reagować na dźwięk. W takich przypadkach, nawet jeśli mózg przetwarza dźwięk, nie jest w stanie nadać znaczenia tym sygnałom.

słyszycie dźwięk stąd, czy stamtąd?

jedną z ważnych funkcji ludzkich uszu, jak również uszu innych zwierząt, jest ich zdolność do odprowadzania dźwięków z otoczenia do kanału słuchowego. Chociaż leje ucha zewnętrznego dźwięk do ucha, jest to najbardziej wydajne tylko wtedy, gdy dźwięk pochodzi z boku głowy (a nie bezpośrednio z przodu lub za nim). Słysząc dźwięk z nieznanego źródła, ludzie zwykle odwracają głowy, aby skierować ucho w stronę miejsca, w którym dźwięk może się znajdować. Ludzie często robią to nawet nie zdając sobie z tego sprawy, na przykład gdy jesteś w samochodzie i słyszysz karetkę, a następnie poruszasz głową, aby spróbować zlokalizować, skąd dochodzi syrena. Niektóre zwierzęta, takie jak psy, są skuteczniejsze w lokalizowaniu dźwięku niż ludzie. Czasami zwierzęta (takie jak niektóre psy i wiele kotów) mogą nawet fizycznie poruszać uszami w kierunku dźwięku!

ludzie używają dwóch ważnych wskazówek, aby pomóc określić, skąd dochodzi dźwięk. Są to: (1) w które ucho dźwięk uderza pierwszy (znane jako międzyuszne różnice czasowe), oraz (2) jak głośny jest dźwięk, gdy dociera do każdego ucha (znane jako międzyuszne różnice intensywności). Gdyby pies szczekał po prawej stronie ciała, nie miałbyś problemu z obracaniem się i patrzeniem w tym kierunku. Dzieje się tak, ponieważ fale dźwiękowe wytwarzane przez szczekanie uderzają w prawe ucho przed uderzeniem w lewe ucho, co powoduje, że dźwięk jest głośniejszy w prawym uchu. Dlaczego dźwięk jest głośniejszy w prawym uchu, gdy dźwięk pochodzi z prawego? Ponieważ, podobnie jak obiekty w Twoim domu, które blokują lub pochłaniają dźwięk kogoś, kto do ciebie dzwoni, twoja własna głowa jest solidnym obiektem, który blokuje fale dźwiękowe poruszające się w twoim kierunku. Kiedy dźwięk pochodzi z prawej strony, Głowa zablokuje niektóre fale dźwiękowe, zanim uderzą w lewe ucho. Powoduje to, że dźwięk jest odbierany jako głośniejszy z prawej strony, sygnalizując tym samym, że to stamtąd pochodzi dźwięk.

możesz to zbadać poprzez zabawę. Zamknij oczy i poproś rodzica lub przyjaciela, aby zadzwonił zestaw kluczy gdzieś wokół głowy. Zrób to kilka razy i za każdym razem spróbuj wskazać lokalizację kluczy, a następnie otwórz oczy i zobacz, jak dokładnie byłeś. Są szanse, że to dla ciebie łatwe. Teraz zakryj jedno ucho i spróbuj jeszcze raz. Mając dostępne tylko jedno ucho, może się okazać, że zadanie jest trudniejsze lub że jesteś mniej precyzyjny w wskazywaniu właściwej lokalizacji. Dzieje się tak dlatego, że stłumiłeś jedno z uszu, a tym samym osłabiłeś zdolność używania sygnałów o czasie lub intensywności dźwięków docierających do każdego ucha.

immersyjny dźwięk w grach i filmach

kiedy inżynierowie dźwięku tworzą dźwięk trójwymiarowy (3D audio), muszą wziąć pod uwagę wszystkie wskazówki, które pomagają nam zlokalizować dźwięk, i muszą użyć tych wskazówek, aby nakłonić nas do postrzegania dźwięku jako pochodzącego z określonego miejsca. Mimo że w przypadku 3D audio istnieje ograniczona liczba fizycznych źródeł dźwięku przesyłanych przez słuchawki i głośniki (na przykład tylko dwa ze słuchawkami), dźwięk może wydawać się, że pochodzi z wielu innych lokalizacji. Inżynierowie dźwięku 3D mogą to osiągnąć, biorąc pod uwagę sposób, w jaki docierają do ciebie fale dźwiękowe, w oparciu o kształt głowy i położenie uszu. Na przykład, jeśli inżynier dźwięku chce stworzyć dźwięk, który wydaje się, że dochodzi z przodu i nieco w prawo, inżynier starannie zaprojektuje dźwięk, aby najpierw zacząć grać w prawej słuchawce i być nieco głośniejszy w tej słuchawce w porównaniu z lewą.

gry wideo i filmy stają się bardziej wciągające i przypominają życie, gdy są połączone z tymi sztuczkami dźwięku 3D. Na przykład podczas oglądania filmu zestawy głośników w kinie mogą skupić się na kierunku dźwięku, aby umożliwić dopasowanie między tym, co widzisz, a tym, co słyszysz. Na przykład wyobraź sobie, że oglądasz film, a aktorka prowadzi rozmowę telefoniczną po prawej stronie ekranu. Jej mowa zaczyna grać głównie przez prawe głośniki, ale gdy porusza się po ekranie od prawej do lewej, dźwięk podąża za nią stopniowo i płynnie. Efekt ten jest wynikiem pracy wielu głośników w ciasnej synchronizacji, aby efekt 3D audio był możliwy.

Wirtualna rzeczywistość (VR) przenosi to wciągające doświadczenie na wyższy poziom, zmieniając kierunek dźwięku w zależności od tego, gdzie patrzysz lub jesteś umieszczony w wirtualnej przestrzeni. W rzeczywistości wirtualnej z definicji jesteś praktycznie umieszczony w scenie, a zarówno wrażenia wizualne, jak i słuchowe powinny odzwierciedlać twoje doświadczenie świata rzeczywistego. W udanej symulacji VR kierunek ruchów głowy i miejsce, w którym patrzysz, określają, skąd odbierasz dźwięk jako pochodzący. Spójrz bezpośrednio na statek kosmiczny i dźwięk jego silników pochodzi prosto przed tobą, ale skręć w lewo, a teraz dźwięk przychodzi na Ciebie z prawej. Przesuń się za dużym obiektem, a teraz wirtualne fale dźwiękowe uderzają w obiekt bezpośrednio i uderzają pośrednio, tłumiąc dźwięk i czyniąc go bardziej tłumionym i cichszym.

podsumowanie

naukowcy i specjaliści z branży filmowej i gier wideo wykorzystali symulowane dźwięki, aby dowiedzieć się więcej o słuchu i poprawić jakość naszej rozrywki. Niektórzy naukowcy koncentrują się na tym, jak mózg przetwarza dźwięki, podczas gdy inni analizują fizyczne właściwości samych fal dźwiękowych, takie jak ich odbijanie lub inne zakłócenia. Niektórzy badają nawet, jak inne zwierzęta słyszą i porównują swoje zdolności z naszymi. Z kolei specjaliści z branży filmowej i gier wideo wykorzystali te badania, aby sprawić, że wrażenia widzów filmowych i graczy będą bardziej wciągające. W środowiskach wirtualnych projektanci mogą sprawić, że wirtualne fale dźwiękowe zachowują się tak, jak fale dźwiękowe w prawdziwym życiu. Kiedy grasz w grę wideo lub oglądasz film, łatwo jest wziąć za pewnik badania i czas, który wszedł w tworzenie tego doświadczenia. Być może następny postęp w technologii dźwięku immersyjnego rozpocznie się od Ciebie i Twojej własnej ciekawości na temat fal dźwiękowych i tego, jak działa układ słuchowy!

Słowniczek

Amplituda: wielkość fali dźwiękowej; atrybut dźwięku, który wpływa na postrzeganą głośność tego dźwięku.

Pitch: jakość dźwięku, która jest odczuwana jako funkcja częstotliwości lub prędkości wibracji; postrzegany stopień wysokości lub niskiego poziomu tonu lub dźwięku.

efekt Dopplera: wzrost lub spadek częstotliwości fali dźwiękowej, gdy źródło hałasu I Obserwator poruszają się w kierunku lub z dala od siebie.

ślimak: (w większości) wydrążona rurka w uchu wewnętrznym, Zwykle zwinięta jak muszla ślimaka i zawierająca narządy zmysłów słuchu.

kora słuchowa: obszar mózgu zlokalizowany w płacie skroniowym, który przetwarza informacje otrzymane przez słuch.

Różnica Czasu Międzyusznego: Różnica w czasie przybycia dźwięku odbieranego przez dwoje uszu.

Międzyuszna różnica intensywności: różnica w głośności i Częstotliwości Dźwięku odbieranego przez dwoje uszu.

dźwięk trójwymiarowy: Grupa efektów dźwiękowych, które są używane do manipulowania tym, co jest produkowane przez głośniki stereo lub słuchawki, obejmujące postrzegane rozmieszczenie źródeł dźwięku w dowolnym miejscu w trójwymiarowej przestrzeni.

Oświadczenie o konflikcie interesów

autorzy oświadczają, że badanie zostało przeprowadzone przy braku jakichkolwiek relacji handlowych lub finansowych, które mogłyby być interpretowane jako potencjalny konflikt interesów.