1.3.3. Восприятие объемного звука

Человеческий слух обладает свойствами весьма тонкой пространственной локализации. Минимальный порог определения углового смещения реального или виртуального источника звука для тренированного наблюдателя составляет примерно 1°. Стереофонический эффект обусловлен двумя основными факторами:

• разностью амплитуд и фаз колебаний;

• разностью времени прихода звука из левого и правого каналов.

Если звук имеет стационарный характер, основную роль играет первый фактор. При импульсных звуках слушатель ориентируется на оба фактора. Главную роль в создании стереоэффекта играют колебания с частотой 300-5000 Гц. Для минимального порога определения угловой координаты источника звука требуется временной сдвиг 6-12 мкс.

Наши голова и туловище являются препятствием, задерживающим и фильтрующим звук, поэтому ухо, скрытое от источника звука головой, воспринимает уже измененные сигналы. Кроме того, сама ушная раковина меняет амплитудно-частотную характеристику звукового сигнала в зависимости от направления звука. При «декодировании» головным мозгом эти изменения интерпретируются так, чтобы правильно определить местоположение источника звука [1].

Если источники звука неподвижны, они не могут быть точно локализованы как «статические» при моделировании, так как мозгу для определения местоположения источника требуется наличие «динамики» (перемещений самого источника или подсознательных микро-перемещений головы слушателя). Она помогает определить расположение источника звука в трехмерном пространстве.

Врожденной реакцией человека на неожиданный звук является поворот головы в его сторону, за счет чего мозг получает дополнительную информацию для пространственной локализации источника. Такая реакция связана со следующей особенностью восприятия. Если источник звука находится позади слушателя, способность ощущать положение и перемещения источника в горизонтальной плоскости заметно ухудшается: уменьшается число различимых направлений, а иногда слушатели вместо правильного положения источника даже ощущают его спереди.

Технологии позиционирования звука основаны на методах моделирования процессов распространения звуковой волны в пространстве. Основные процессы, сопровождающие распространение звука, – реверберация, окклюзия и обструкция. Все системы позиционирования звука должны аппаратно или программно эффективно реализовать алгоритмы моделирования именно этих процессов.

Реверберация – совмещение множества отражений звука от ближайших поверхностей в тесном пространстве так, что они воспринимаются на слух как единый звук, который следует за исходным и затухает, причем степень и длительность затухания напрямую зависят от свойств окружающего пространства. Заметим, что в обычных звуковых системах при помощи реверберации моделируются акустические свойства помещений. Окклюзия – процесс изменения звука при его прохождении через препятствие. Путем изменения свойств окклюзии моделируется ослабление звука стеной из определенного материала. Обструкция – процесс задержания звука различными преградами. Использование свойств обструкции позволяет моделировать дифракцию звука [1].

При определении направления и расстояния до источника звука используются следующие факторы: амплитуда, время, тембр и реверберация. Амплитуда является ясным и легко имитируемым параметром: чем громче звук, тем ближе его источник; чем громче звук в левом ухе, тем левее находится источник. Мы увеличиваем громкость звука, чтобы вывести его на передний план (приблизить), изменяем его панораму (увеличиваем громкость в одном канале стереопары и уменьшаем в другом), чтобы переместить его влево или вправо.

Параметр времени также достаточно очевиден – звук источника, расположенного слева, достигает левого уха на несколько микросекунд раньше, чем правого. Но из-за очень малого времени задержки имитировать этот параметр очень сложно.

Известно, что звуки различной частоты распространяются в воздухе с разной скоростью и на разные расстояния, а изменение тембра зависит от расстояния, поскольку низкие частоты распространяются дальше. В результате высокочастотная часть спектра сигнала от источника несколько запаздывает или вообще не приходит. Поэтому звуки, раздающиеся издалека, содержат меньше высоких частот. Воздействие тембра на направление сложнее: пока звук дойдет от одного уха до другого, его тембр меняется костями черепа и ушными раковинами.

Если звук распространяется в помещении, то к нему добавляются его многочисленные отражения. Самыми важными при этом являются ранние отражения – отдельные повторения звука, происходящие в течение первых 50 мс после самого звука. В обычной комнате бывает 6-10 ранних отражений, прежде чем отражения начинают приходить столь часто, что сливаются в единую реверберацию.

Уровень и время задержки ранних отражений, уровень, время затухания и предварительная задержка реверберации содержат информацию, как о размерах помещения, так и о расстоянии от слушателя до источника звука. Частотный состав реверберации сообщает нам о материале поверхностей и дает дополнительную информацию о размере помещения.

Таким образом, ранние отражения, пришедшие с разных сторон, воспринимаются не как повторения звука, а как информация об акустике помещения. Совсем иначе воспринимаются звук и его повторения, если они приходят с одного направления: они воспринимаются как информация о тембре [1, 14, 20, 26].