Сложный спектральный состав для простоты локализации.
Спектральный состав звукового сигнала до и после прохождения через ушную раковину.
В целом, можно сказать, что наилучшим образом определяется местоположение звуковых источников, которые излучают сигнал со сложным спектральным составом. Чистые тона, которые, кстати, практически не встречаются в природе, поддаются локализации с большим трудом и разрешающая способность человеческого слуха при этом крайне невелика. Высокие частоты (свыше 8000 Гц) практически не поддаются локализации, точно так же невозможно определить и местоположение источников звука очень низкой частоты (менее 150 Гц) - не зря же производители рекомендуют размещать сабвуферы в домашнем кинотеатре в любом, наиболее удобном для вас месте комнаты прослушивания. Аккуратная спектральная обработка воспроизводимого сигнала является одной из приоритетных задач производителей систем пространственного звучания.
Важно понимать, что наш мозг - это не совсем вычислительная машина, которая, воспринимая импульсы, формируемые в слуховых каналах, производит вычисления по какому-то сложнейшему алгоритму. На самом деле мозг производит не вычисления, а скорее сравнения. Он сравнивает информацию, полученную от ушей, с той информацией, которая уже хранится в нашей памяти. Иными словами, механизм локализации источника основывается, прежде всего, на личном опыте человека. В нашей памяти хранится информация о том, как звучат те или иные источники в разных точках пространства. Когда мы слышим звук, то наш мозг сравнивает поступающую информацию с той, что хранится в памяти, выбирает наиболее подходящую и на основании этого делает вывод о расположении источника в пространстве.
Еще один момент, на который хотелось бы обратить внимание, это то, что точность определения месторасположения звукового источника в пространстве существенно возрастает, когда источник не является неподвижным, а перемещается в пространстве. Это дает нашему мозгу дополнительную информацию, которую он может проанализировать. Если источник является неподвижным, то для его локализации человек подсознательно совершает микроперемещения головы (например, еле заметно поводит ей из стороны в сторону). Этих микроперемещений вполне достаточно, для того, чтобы мозг получил информацию, на порядок повышающую точность определения положения источника в пространстве.
Дополнительные механимы пространственного восприятия звука Отражение и экранирование звука плечами и туловищем.
При описании процессов пространственной локализации звукового источника необходимо учитывать то, что наши уши находятся в непосредственной близости от плеч и туловища. Распространяющийся звук может отражаться от них или поглощаться, вследствие чего спектральные и временные характеристики звука будут меняться. Человеческий мозг анализирует эти изменения и на их основании делает дополнительные выводы о направлении на звуковой источник. Наибольшее значение данный эффект имеет при определении расположения источников, находящихся выше или ниже головы слушателя.
Реверберация.
Геометрическая модель реверберации в помещении
Как известно, при воспроизведении звука в помещении мы слышим не только прямой звуковой сигнал, но и сигналы, отраженные от стен. Эти сигналы являются результатом многократных переотражений и имеют достаточно сложную структуру. Эффект, при котором затухание звука происходит не сразу, а постепенно, за счет этих самых переотражений, носит название реверберации. Время, за которое уровень звука в помещении снижается на 60 дБ, носит название времени реверберации. Оно характеризует, как размеры помещения (в малых помещениях за единицу времени происходит большее количество переотражений, и звук затухает быстрее, чем в больших), так и отражающие свойства его поверхностей (стен, пола и потолка).
Спектральный состав отраженных сигналов в больших и малых помещениях также отличается, поэтому реверберация несет в себе информацию о размере помещения. Помимо размеров спектр реверберационного сигнала характеризует материалы, из которых изготовлены отражающие поверхности. Например, реверберация, в которой высок уровень высокочастотных составляющих, ассоциируется с комнатой с твердыми стенами, хорошо отражающими высокие частоты. Если же звук реверберации глухой, то слушатель приходит к выводу, что стены комнаты покрыты коврами, драпировками и прочими абсорберами высоких частот.
Помимо определения характеристик помещения, включение реверберационного сигнала в состав воспроизводимого звука полезно и для определения расстояния до звукового источника. Оценивая отношение уровня прямого звука к отраженному, мы можем сделать выводы о том, находится ли он близко (слабая реверберация) или далеко (сильная реверберация). Имитация реверберации в системах позиционированного объемного звука необходима для передачи пространственного контента. Она дает информацию о размере и характеристиках помещения, расстоянии до звукового источника и таким образом существенно добавляет реализма воспроизводимой записи.
Для имитации реверберационных эффектов зачастую используют геометрическую модель воспроизводимого звукового пространства. Эта модель учитывает позицию слушателя, звукового источника и отражающих поверхностей. Вводя коэффициенты отражения, геометрическая модель позволяет построить систему мнимых источников, уровень которых ослаблен в соответствии с этими коэффициентами и получить достаточно правдоподобную реверберационную картину, учитывающую ранние отражения звука от стен.