Chris Said

06 Aug 2018

een van de coolste dingen die ik ooit heb geleerd over de zintuiglijke fysiologie is hoe het auditieve systeem geluiden kan lokaliseren. Om te bepalen of geluid van rechts of links komt, gebruiken de hersenen inter-oor verschillen in amplitude en timing. Zoals blijkt uit de onderstaande figuur, als het geluid luider is in het rechteroor in vergelijking met het linkeroor, komt het waarschijnlijk van de rechterkant. Hoe kleiner dat verschil is, hoe dichter het geluid bij de middellijn (i.e het verticale vlak dat van voor naar achter gaat). Op dezelfde manier, als het geluid bij je rechteroor komt voor het linkeroor, komt het waarschijnlijk van rechts. Hoe kleiner het tijdverschil, hoe dichter het bij de middellijn is. Er is een fascinerende literatuur over de neurale mechanismen hierachter.

Inter-ear luidheid en timing verschillen zijn vrij nuttig, maar helaas laten ze nog steeds veel ambiguïteit. Bijvoorbeeld, een geluid van uw voorzijde rechts zal precies dezelfde luidheid verschillen en timing verschillen als een geluid van uw rug rechts.

dit systeem laat niet alleen dubbelzinnigheden tussen voor en achter, het laat ook dubbelzinnigheden tussen boven en beneden. In feite is er een hele kegel van verwarring die niet kan worden verwijderd door dit systeem. Geluid van alle punten langs het oppervlak van de kegel zal dezelfde Inter-ear luidheid verschillen en timing verschillen.

terwijl dit systeem laat een kegel van verwarring, mensen zijn nog steeds in staat om de locatie van geluiden van verschillende punten op de kegel te bepalen, op zijn minst tot op zekere hoogte. Hoe kunnen we dit doen?

verbazingwekkend genoeg zijn we in staat om dit te doen vanwege de vorm van onze oren en hoofden. Wanneer geluid door onze oren en hoofd gaat, worden bepaalde frequenties meer verzwakt dan andere. Kritisch is het dempingspatroon sterk afhankelijk van de geluidsrichting.

dit locatieafhankelijke dempingspatroon wordt een head-related transfer function (HRTF) genoemd en in theorie zou dit kunnen worden gebruikt om locaties langs de verwarmingskegel te disambigueren. Een voorbeeld van iemands HRTF wordt hieronder getoond, met frequentie op de horizontale as en polaire hoek op de verticale as. Hetere kleuren vertegenwoordigen minder demping (dat wil zeggen meer vermogen). Als je hoofd en oren je deze HRTF gaven, zou je kunnen beslissen dat er een geluid van voren komt als het meer hoogfrequent vermogen heeft dan je zou verwachten.

dit systeem klinkt in theorie goed, maar gebruiken we deze aanwijzingen in de praktijk? In 1988 voerden Frederic Wightman en Doris Kistler een ingenieuze reeks experimenten uit (1, 2) om aan te tonen dat mensen HRTFs echt gebruiken om Locatie af te leiden. Eerst hebben ze de HRTF van elke deelnemer gemeten door een kleine microfoon in hun oren te plaatsen en geluiden van verschillende locaties af te spelen. Vervolgens creëerden ze een digitaal filter voor elke locatie en elke deelnemer. Dat wil zeggen, Deze filters geïmplementeerd HRTF elke deelnemer. Tot slot plaatsten ze een koptelefoon op de luisteraars en speelden ze geluiden af, waarbij ze telkens het geluid door een van de digitale filters lieten lopen. Verbazingwekkend genoeg waren de deelnemers in staat om de “locatie” van het geluid correct te raden, afhankelijk van welk filter werd gebruikt, hoewel het geluid afkomstig was van een koptelefoon. Ze waren ook veel beter in het lokaliseren van geluid bij het gebruik van hun eigen HRTF, in plaats van iemand anders HRTF.

verder bewijs voor deze hypothese komt van Hofman et al., 1998, die aantoonde dat door gebruik te maken van stopverf om de oren van mensen te hervormen, ze in staat waren om de hrtfs te veranderen en zo de geluidslokalisatie te verstoren. Interessant, mensen waren in staat om snel opnieuw te leren hoe om geluid te lokaliseren met hun nieuwe HRTFs.

een laatste leuk feit: om de geluidslokalisatie van humanoïde robots te verbeteren, hebben onderzoekers in Japan kunstmatige oren aan de robotkoppen bevestigd en een aantal geavanceerde algoritmen geïmplementeerd om de geluidslocatie af te leiden. Hier zijn enkele foto ‘ s van de robots.

hun papier is een beetje belachelijk en heeft een aantal twijfelachtige rechtvaardigingen voor niet alleen het gebruik van microfoons op meerdere locaties, maar ik vond het leuk om te zien deze principes worden toegepast.