Chris Said

06 elo 2018

yksi siisteimmistä asioista, mitä olen koskaan oppinut aistifysiologiasta on se, miten kuulojärjestelmä pystyy paikantamaan ääniä. Sen määrittämiseksi, tuleeko ääni oikealta vai vasemmalta, aivot käyttävät korvien välisiä amplitudi-ja ajoituseroja. Kuten alla olevasta kuvasta näkyy, jos ääni on äänekkäämpi oikeassa korvassa verrattuna vasempaan korvaan, se tulee todennäköisesti oikealta puolelta. Mitä pienempi ero on, sitä lähempänä ääni on keskiviivaa (i.e etupuolelta selkään kulkeva pystytaso). Vastaavasti jos ääni saapuu oikeaan korvaan ennen vasenta korvaa, se tulee todennäköisesti oikealta. Mitä pienempi ajoitusero, sitä lähempänä se on keskiviivaa. Tämän takana olevista hermomekanismeista on kiehtovaa kirjallisuutta.

korvien välinen äänekkyys ja ajoituserot ovat melko hyödyllisiä, mutta valitettavasti ne silti jättävät paljon epäselvyyttä. Esimerkiksi ääni edestä oikealle on täsmälleen sama äänekkyys eroja ja ajoitus eroja kuin ääni takana oikealla.

sen lisäksi, että tämä järjestelmä jättää epäselvyyksiä eteen ja taakse, se jättää myös epäselvyyksiä ylä-ja alamäkien välille. Itse asiassa on olemassa kokonainen sekaannuksen kartio, jota tämä järjestelmä ei voi kumota. Ääni kaikista kohdista pitkin pintaa kartio on sama välikorvan äänekkyys eroja ja ajoitus eroja.

vaikka tämä systeemi jättää tötterön, ihmiset pystyvät silti ainakin jossain määrin päättelemään kartion eri kohdista tulevien äänten sijainnin. Miten pystymme tähän?

hämmästyttävän hyvin pystymme tähän korvien ja pään muodon vuoksi. Kun ääni kulkee korvien ja pään läpi, tietyt taajuudet vaimenevat enemmän kuin toiset. Kriittisesti vaimennusmalli on hyvin riippuvainen äänen suunnasta.

tätä paikkariippuvaista vaimennusmallia kutsutaan Päänsiirtofunktioksi (HRTF), ja teoriassa tätä voitaisiin käyttää hämmentävän kartion varrella olevien paikkojen sekoittamiseen. Alla on esimerkki jonkun HRTF: stä, jonka taajuus on vaaka-akselilla ja napakulma pystyakselilla. Kuumemmat värit edustavat vähemmän vaimennusta (eli enemmän tehoa). Jos pää ja korvat antoi sinulle tämän HRTF, saatat päättää ääni tulee edestä, jos se on enemmän korkean taajuuden teho kuin oletat.

tämä järjestelmä kuulostaa teoriassa hyvältä, mutta käytämmekö näitä vihjeitä käytännössä? Vuonna 1988 Frederic Wightman ja Doris Kistler tekivät nerokkaan joukon kokeita (1, 2) osoittaakseen, että ihmiset todella käyttävät Hrtf: ää sijainnin päättelemiseen. Ensin he mittasivat jokaisen osallistujan HRTF: n laittamalla pienen mikrofonin heidän korviinsa ja soittamalla ääniä eri paikoista. Seuraavaksi he loivat digitaalisen suodattimen jokaiselle paikkakunnalle ja jokaiselle osallistujalle. Toisin sanoen, nämä suodattimet toteutetaan kunkin osallistujan HRTF. Lopuksi he asettivat kuuntelijoille kuulokkeet ja soittivat heille ääniä, jotka joka kerta kulkivat äänen läpi yhdestä digitaalisesta suodattimesta. Hämmästyttävää kyllä, osallistujat osasivat arvata äänen “sijainnin” oikein riippuen siitä, mitä suodatinta käytettiin, vaikka ääni tuli kuulokkeista. He olivat myös paljon parempia äänen lokalisoinnissa käytettäessä omaa HRTF: ää kuin jonkun toisen HRTF: ää.

lisätodisteita tälle hypoteesille tulee Hofman et al., 1998, joka osoitti, että käyttämällä kitti muokata ihmisten korvat, he pystyivät muuttamaan HRTFs ja siten häiritä äänen lokalisointi. Mielenkiintoista, ihmiset pystyivät nopeasti opetella paikallistaa äänen kanssa niiden Uusi HRTFs.

viimeinen hauska fakta: parantaakseen humanoidirobottien äänilokerointia japanilaiset tutkijat kiinnittivät robottipäihin tekokorvat ja toteuttivat hienostuneita algoritmeja päättelemään äänen sijainnin. Tässä muutamia kuvia roboteista.

heidän paperi on tavallaan naurettava ja on joitakin kyseenalaisia perusteita ei vain käyttää mikrofoneja useissa paikoissa, mutta mielestäni oli hauskaa nähdä näitä periaatteita sovelletaan.