de fysiska elementen i ljud

vår förmåga att höra är avgörande för att ge information om världen omkring oss. Ljud produceras när ett objekt vibrerar luften runt det, och denna vibration kan representeras som en våg som färdas genom rymden. Till exempel, om en gren faller av ett träd och träffar marken, ändras lufttrycket runt grenen när det träffar jorden och som ett resultat ger luftens vibrationer ett ljud som härrör från kollisionen. En sak som många inte inser är att ljudvågor har fysiska egenskaper och därför påverkas av miljön där de förekommer. I rymdens vakuum kan till exempel ljud inte uppstå eftersom det i ett verkligt vakuum inte finns något att vibrera och orsaka en ljudvåg. De två viktigaste fysiska egenskaperna hos ljud är frekvens och amplitud. Frekvens är den hastighet med vilken en ljudvåg vibrerar, och den bestämmer tonhöjden för ett ljud. Högre frekvensljud har en högre tonhöjd, som en flöjt eller en fågelkvitter, medan lägre frekvensljud har en lägre tonhöjd, som en tuba eller en stor hund som skäller. Amplituden hos en ljudvåg kan betraktas som styrkan hos vibrationerna när de färdas genom luften, och det bestämmer ljudets upplevda ljudstyrka. Som du kan se i Figur 1, när toppen av ljudvågen är mindre, kommer ljudet att uppfattas som tystare. Om toppen är större kommer ljudet att verka högre. Det kan till och med hjälpa till att tänka på ljudvågor som vågor i ett hav. Om du står i stillvatten och släpper en sten nära dina ben, kommer det att orsaka en liten krusning (en liten våg) som inte påverkar dig mycket. Men om du står i havet under stormigt väder kan de stora inkommande vågorna vara tillräckligt starka för att slå dig ner! Precis som storleken och styrkan hos vattenvågor kan storleken och styrkan hos ljudvågor ha stor effekt på det du hör.

ljudvågor interagerar på fascinerande sätt med miljön omkring oss. Har du någonsin märkt hur en ambulansens siren låter annorlunda när den är på avstånd jämfört med när ambulansen närmar sig och passerar dig? Detta beror på att det tar tid för ljudet att resa från en punkt till en annan, och ljudkällans rörelse interagerar med vågfrekvensen när de når den person som hör den. När ambulansen är långt borta är sirenens frekvens låg, men frekvensen ökar när ambulansen närmar sig dig, vilket är ett fenomen som kallas Doppler-effekten (se Figur 2).

ljud påverkas inte bara av avstånd, men också av andra föremål. Tänk tillbaka på en tid då någon ringde efter dig från ett annat rum. Du märkte förmodligen att det var svårare att höra dem från ett annat rum än när han eller hon var bredvid dig. Avståndet mellan dig är inte den enda anledningen till att en person är svårare att höra när han eller hon är i ett annat rum. Personen är också svårare att höra eftersom ljudvågorna absorberas av föremål i miljön; ju längre bort personen som ringer dig är, desto fler föremål finns det mellan er två, så mindre av ljudvågorna når så småningom dina öron. Som ett resultat kan ljuden tyckas vara tysta och dämpade, även när personen skriker högt.

struktur av örat

våra öron är komplexa anatomiska strukturer som är uppdelade i tre huvuddelar, kallade yttre örat, mellanörat och inre örat. Ytterörat är den enda synliga delen av örat och används främst för att kanalisera ljud från omgivningen in i hörselgången. Därifrån färdas ljudet in i mellanörat, där det vibrerar trumhinnan och tre små ben, kallade benbenen, som överför ljudenergi till innerörat. Energin fortsätter att resa till innerörat, där den tas emot av snäckan. Cochlea är en struktur i örat som är formad som ett snigelskal, och det innehåller Cortis Organ, där sensoriska ”hårceller” är närvarande som kan känna av ljudenergin. När cochlea tar emot ljudet förstärker den signalen som detekteras av dessa hårceller och sänder signalen genom hörselnerven till hjärnan.

ljud och hjärnan

medan öronen är ansvariga för att ta emot ljud från miljön är det hjärnan som uppfattar och förstår dessa ljud. Hjärnans hörselbark ligger inom en region som kallas den temporala loben och är specialiserad för bearbetning och tolkning av ljud (Se figur 3). Den auditiva cortexen tillåter människor att bearbeta och förstå tal, liksom andra ljud i miljön. Vad skulle hända om signaler från hörselnerven aldrig nådde hörselbarken? När en persons hörselbark skadas på grund av en hjärnskada, blir personen ibland oförmögen att förstå ljud; till exempel kanske de inte förstår betydelsen av ord som talas, eller de kanske inte kan skilja två olika musikinstrument från varandra. Eftersom många andra områden i hjärnan också är aktiva under uppfattningen av ljud, kan individer med skada på hörselbarken ofta fortfarande reagera på ljud. I dessa fall, även om hjärnan bearbetar ljudet, kan den inte göra mening från dessa signaler.

hör du ljud Härifrån eller där borta?

en viktig funktion hos mänskliga öron, liksom öronen hos andra djur, är deras förmåga att trampa ljud från miljön in i hörselgången. Även om det yttre örat trattar ljud i örat, är detta mest effektivt endast när ljudet kommer från sidan av huvudet (snarare än direkt framför eller bakom det). När man hör ett ljud från en okänd källa, vänder människor vanligtvis huvudet för att peka örat mot var ljudet kan vara beläget. Människor gör det ofta utan att ens inse det, som när du är i en bil och hör en ambulans, flytta sedan huvudet för att försöka hitta var sirenen kommer ifrån. Vissa djur, som hundar, är mer effektiva på att hitta ljud än människor är. Ibland kan djur (som vissa hundar och många katter) till och med fysiskt flytta öronen i riktning mot ljudet!

människor använder två viktiga signaler för att avgöra var ett ljud kommer ifrån. Dessa ledtrådar är: (1) vilket öra ljudet träffar först (känt som interaurala tidsskillnader) och (2) Hur högt ljudet är när det når varje öra (känt som interaurala intensitetsskillnader). Om en hund skulle skälla på höger sida av din kropp, skulle du inte ha några problem att vända och titta i den riktningen. Detta beror på att ljudvågorna som produceras av skällningen träffar ditt högra öra innan du träffar ditt vänstra öra, vilket resulterar i att ljudet blir högre i ditt högra öra. Varför är det så att ljudet är högre i ditt högra öra när ljudet kommer från höger? För, som föremål i ditt hus som blockerar eller absorberar ljudet från någon som ringer dig, är ditt eget huvud ett fast föremål som blockerar ljudvågor som reser mot dig. När ljudet kommer från höger sida kommer ditt huvud att blockera några av ljudvågorna innan de träffar ditt vänstra öra. Detta resulterar i att ljudet uppfattas som högre från höger, vilket signalerar att det är där ljudet kom ifrån.

du kan utforska detta genom en rolig aktivitet. Stäng ögonen och be en förälder eller vän att jingla en uppsättning nycklar någonstans runt huvudet. Gör detta flera gånger, och varje gång, försök att peka på platsen för nycklar, öppna sedan dina ögon och se hur exakt du var. Chansen är stor att det här är lätt för dig. Täck nu upp ett öra och försök igen. Med bara ett öra tillgängligt kan du upptäcka att uppgiften är svårare eller att du är mindre exakt när du pekar på rätt plats. Detta beror på att du har dämpat ett av dina öron och därför försvagat din förmåga att använda signaler om tidpunkten eller intensiteten för ljuden som når varje öra.

uppslukande ljud i spel och filmer

när ljudtekniker skapar tredimensionellt ljud (3D-ljud) måste de ta hänsyn till alla signaler som hjälper oss att hitta ljud, och de måste använda dessa signaler för att lura oss att uppfatta ljud som kommer från en viss plats. Även om det med 3D-ljud finns ett begränsat antal fysiska ljudkällor som sänder via hörlurar och högtalare (till exempel bara två med hörlurar), kan ljudet verka som om det kommer från många fler platser. 3D-ljudtekniker kan utföra denna prestation genom att redogöra för hur ljudvågor når dig, baserat på huvudets form och platsen för dina öron. Till exempel, om en ljudtekniker vill skapa ett ljud som verkar som om det kommer framför dig och något till höger, kommer ingenjören noggrant att utforma ljudet för att först börja spela i rätt hörlurar och vara något högre i denna hörlurar jämfört med vänster.

videospel och filmer blir mer uppslukande och verklighetstrogna när de paras ihop med dessa trick av 3D-ljud. När du till exempel tittar på en film kan uppsättningar högtalare i biografen fokusera ljudriktningen för att möjliggöra en matchning mellan vad du ser och vad du hör. Tänk dig till exempel att du tittar på en film och en skådespelerska har ett telefonsamtal på höger sida av skärmen. Hennes tal börjar spela mestadels genom de högra högtalarna, men när hon rör sig på skärmen från höger till vänster följer ljudet henne gradvis och smidigt. Denna effekt är resultatet av många högtalare som arbetar i snäv synkronisering för att göra 3D-ljudeffekten möjlig.

Virtual reality (VR) tar denna uppslukande upplevelse till en högre nivå genom att ändra ljudets riktning baserat på var du letar eller är placerad i virtuellt utrymme. I VR är du per definition praktiskt taget placerad i en scen, och både de visuella och auditiva upplevelserna ska spegla din upplevelse av den verkliga världen. I en framgångsrik VR-simulering bestämmer riktningen för dina huvudrörelser och var du letar var du uppfattar ljudet som ursprung från. Titta direkt på ett rymdskepp och ljudet av dess motorer kommer från rakt framför dig, men sväng till vänster och nu ljudet kommer på dig från höger. Flytta bakom ett stort objekt och nu träffar de virtuella ljudvågorna objektet direkt och träffar dig indirekt, dämpar ljudet och gör det mer dämpat och tystare.

slutsats

forskare och yrkesverksamma inom film-och videospelindustrin har använt simulerade ljud för att lära sig mer om hörsel och för att förbättra våra underhållningsupplevelser. Vissa forskare fokuserar på hur hjärnan bearbetar ljud, medan andra analyserar de fysiska egenskaperna hos ljudvågor själva, till exempel hur de studsar eller på annat sätt störs. Vissa undersöker även hur andra djur hör och jämför sina förmågor med våra egna. I sin tur har yrkesverksamma inom film-och videospelindustrin använt denna forskning för att göra upplevelsen av filmbesökare och spelare mer uppslukande. I virtuella miljöer kan designers få virtuella ljudvågor att bete sig som ljudvågor gör i verkligheten. När du spelar ett videospel eller tittar på en film är det lätt att ta för givet den forskning och tid som gick till att skapa denna upplevelse. Kanske kommer nästa framsteg inom uppslukande ljudteknik att börja med dig och din egen nyfikenhet om ljudvågor och hur hörselsystemet fungerar!

ordlista

Amplitud: storleken på ljudvågen; attributet för ett ljud som påverkar ljudets upplevda ljudstyrka.

tonhöjd: ljudkvaliteten som upplevs som en funktion av vibrationernas frekvens eller hastighet; den upplevda graden av höghet eller låghet av en ton eller ljud.

Doppler-effekt: en ökning eller minskning av frekvensen för en ljudvåg när källan till bruset och observatören rör sig mot eller bort från varandra.

Cochlea: ett (mestadels) ihåligt rör i innerörat som vanligtvis lindas som ett snigelskal och som innehåller hörselorganen.

auditiv Cortex: det område i hjärnan som ligger i den temporala loben som behandlar information som tas emot genom hörsel.

Interaural Tidsskillnad: Skillnaden i ankomsttiden för ljud som mottas av de två öronen.

Interaural Intensitetsskillnad: skillnaden i ljudstyrka och frekvens för ett ljud som mottas av de två öronen.

tredimensionellt ljud: en grupp ljudeffekter som används för att manipulera det som produceras av stereohögtalare eller hörlurar, vilket involverar den upplevda placeringen av ljudkällor var som helst i ett tredimensionellt utrymme.

intressekonflikt uttalande

författarna förklarar att forskningen genomfördes i avsaknad av kommersiella eller finansiella relationer som kan tolkas som en potentiell intressekonflikt.