كيف يتشكل الإحساس الفراغي (الستيريو) عند الاستماع؟
1 مفهوم الصوت الفراغي (الستيريو)
الفراغ مفهوم هندسي يشير إلى الأشياء التي تشغل حيزًا في الفضاء ثلاثي الأبعاد. إذن، هل الصوت فراغي؟ من حيث التشبيه، يمكن الإجابة بنعم. لأن مصدر الصوت له موقع مكاني محدد، والصوت له مصدر اتجاهي واضح، وللأذن البشرية قدرة على تمييز اتجاه مصدر الصوت؛ خاصة عند وجود عدة مصادر صوت تعمل في وقت واحد، يمكن للأشخاص إدراك توزيع المجموعة الصوتية في الفضاء من خلال حاسة السمع. لذلك يمكن القول إن الصوت "فراغي". ومع ذلك، فإن القول الأكثر دقة هو: "الصوت الأصلي (الأصلي) فراغي." لأن الصوت بعد التسجيل والتضخيم وإعادة التشغيل، قد يُخرج من سماعة واحدة، عندها لا يكون هذا الصوت المعاد تشغيله فراغيًا. نظرًا لأن جميع الأصوات تصدر من نفس السماعة، فإن الإحساس الأصلي بالفضاء - خاصة إحساس التوزيع المكاني للمجموعة الصوتية - يختفي. يُسمى هذا الصوت المعاد تشغيله "الصوت الأحادي" (Mono). إذا تمكن نظام إعادة التشغيل من استعادة الإحساس بفراغية الصوت الأصلي إلى حد ما، فإن هذا الصوت المعاد تشغيله يُسمى "الصوت الفراغي" (Stereo). نظرًا لأن الصوت الأصلي فراغي بطبيعة الحال، فإن مصطلح الصوت الفراغي يشير تحديدًا إلى ذلك الصوت المعاد تشغيله الذي يحمل إحساسًا مكانيًا (أو اتجاهيًا) معينًا.
2 تأثير الأذنين (Binaural Effect)
لاستعادة الإحساس بالفراغية في الصوت المعاد تشغيله، يجب أولاً فهم سبب قدرة النظام السمعي البشري على تمييز اتجاه مصدر الصوت. وجدت الأبحاث أن السبب الرئيسي هو أن الناس لديهم أذنان وليس أذن واحدة فقط.
تقع الأذنان على جانبي الرأس، وليس بينهما مسافة في الفراغ فحسب، بل يفصلهما الرأس، لذا قد تكون هناك اختلافات متنوعة في الصوت الذي تستقبله كل أذن. بناءً على هذه الاختلافات بشكل أساسي، يمكن للأشخاص تحديد موقع مصدر الصوت في الفضاء. أهم هذه الاختلافات هي:
(1) فارق زمن وصول الصوت للأذنين (ITD - Interaural Time Difference)
نظرًا لوجود مسافة بين الأذنين، باستثناء الصوت القادم من الأمام مباشرةً أو الخلف مباشرةً، فإن الصوت القادم من اتجاهات أخرى يصل إلى الأذنين في أوقات مختلفة، مما يخلق فارقًا زمنيًا. إذا كان مصدر الصوت منحازًا لليمين، سيصل الصوت أولاً إلى الأذن اليمنى ثم اليسرى؛ والعكس صحيح. كلما زاد انحياز مصدر الصوت إلى جانب واحد، زاد الفارق الزمني. أثبتت التجارب أنه إذا تم خلق فارق زمني صناعي في الاستماع بالأذنين، يمكن توليد وهم بانحياز مصدر الصوت. عندما يصل الفارق الزمني إلى حوالي 0.6 مللي ثانية، يشعر المستمع أن الصوت يأتي بالكامل من جانب واحد.
(2) فارق مستوى شدة الصوت بين الأذنين (ILD - Interaural Level Difference)
رغم أن المسافة بين الأذنين ليست كبيرة، إلا أن حاجز الرأس للصوت قد يتسبب في اختلاف مستوى شدة الصوت عند وصوله للأذنين. يكون مستوى الصوت أعلى في الأذن الأقرب لمصدر الصوت، وأقل في الأذن الأخرى. أثبتت التجارب أن أقصى فارق في مستوى الشدة قد يصل إلى حوالي 25 ديسيبل.
(3) فارق طور الصوت بين الأذنين (IPD - Interaural Phase Difference)
من المعروف أن الصوت ينتشر على شكل موجات، وطور الموجة الصوتية يختلف في مواقع مختلفة في الفضاء (ما لم تكن المسافة بالضبط طول موجة واحدة). نظرًا لوجود مسافة بين الأذنين، قد يكون هناك فرق في طور الموجة الصوتية عند وصولها لكل أذن. طبلة الأذن داخل الأذن تهتز مع الموجة الصوتية، لذا يصبح فرق الطور هذا الاهتزازي عاملاً في تحديد اتجاه مصدر الصوت. أثبتت التجارب أنه حتى لو كان مستوى شدة الصوت ووقت وصوله للأذنين متماثلين، فإن تغيير الطور فقط سيجعلنا نشعر باختلاف كبير في اتجاه مصدر الصوت.
(4) فارق جودة الصوت (Timbre) بين الأذنين
إذا أتت الموجة الصوتية من اتجاه معين على اليمين، فيجب أن تنحني حول أجزاء معينة من الرأس لتصل إلى الأذن اليسرى. من المعروف أن قدرة الموجة على الانحناء (الحيود) تتعلق بنسبة الطول الموجي إلى حجم العائق، قطر رأس الإنسان حوالي 20 سم، وهو ما يعادل الطول الموجي لصوت 1700 هرتز في الهواء، لذا يحجب الرأس مكونات الصوت التي تزيد عن حوالي ألف هرتز. أي أن قدرة المكونات المختلفة لنفس الصوت على الانحناء حول الرأس تختلف، فكلما زاد التردد، زاد التوهين. وبالتالي، تختلف جودة الصوت التي تسمعها الأذن اليسرى عن تلك التي تسمعها الأذن اليمنى. طالما أن الصوت لا يأتي من الاتجاه الأمامي المباشر، ستسمع كل أذن جودة صوت مختلفة، مما يصبح أساسًا لتحديد اتجاه مصدر الصوت.
(5) الاختلاف الناتج عن الصوت المباشر ومجموعة الأصوات المنعكسة المتتالية
الصوت المنبعث من المصدر، بالإضافة إلى الصوت المباشر الذي يصل إلى أذنينا، سينعكس أيضًا مرة أو أكثر عن العوائق المحيطة مكونًا مجموعة من الأصوات المنعكسة، تصل تباعًا إلى أذنينا. لذلك، فإن الاختلاف بين الصوت المباشر ومجموعة الأصوات المنعكسة، يوفر أيضًا معلومات عن توزيع مصادر الصوت في الفضاء.
(6) الاختلاف الناتج عن صيوان الأذن (Pinna)
صيوان الأذن يتجه للأمام، مما يساعد بوضوح على التمييز بين الأمام والخلف. من ناحية أخرى، شكل صيوان الأذن دقيق للغاية، حيث يحدث تأثيرات معقدة للصوت القادم من اتجاهات مختلفة، مما يوفر بالتأكيد بعض المعلومات الاتجاهية.
أثبتت الممارسة أن الفروق الثلاثة المذكورة أعلاه - فارق مستوى الشدة، والفارق الزمني، وفرق الطور - لها التأثير الأكبر على تحديد الاتجاه السمعي. لكن، في ظل ظروف مختلفة، يختلف تأثيرها. بشكل عام، في النطاق الترددي المنخفض والمتوسط للصوت، يكون لفرق الطور تأثير أكبر؛ في النطاق المتوسط والمرتفع، يكون لفارق مستوى الشدة التأثير الرئيسي. بالنسبة للأصوات المفاجئة (Transients)، يكون للفارق الزمني تأثير ملحوظ بشكل خاص. في تحديد الاتجاه الرأسي (العمودي)، يكون دور صيوان الأذن أكثر أهمية. في الواقع، تأثير الأذنين شامل، ويجب أن يعتمد النظام السمعي على التأثير الشامل لتحديد اتجاه مصدر الصوت.
تجدر الإشارة إلى أن النظام السمعي البشري، بالإضافة إلى الإحساس بالجهارة وجودة الصوت والاتجاه، لديه العديد من التأثيرات الأخرى. أحد التأثيرات المرتبطة ارتباطًا وثيقًا بمحاضراتنا المستقبلية، يسمى "تأثير الأسبقية" (Precedence Effect) (يُسمى أيضًا "تأثير هاس" - Haas Effect). من التجارب، عندما يصل صوتان متطابقان، أحدهما متأخر، إلى أذني الشخص بفارق زمني، إذا كان زمن التأخير أقل من 30 مللي ثانية، فلن يشعر الشخص بوجود الصوت المتأخر، بل سيلاحظ فقط تغيرات في جودة الصوت والجهارة. ولكن إذا كان التأخير طويلاً جدًا، سيكون الوضع مختلفًا. كما هو معروف، عندما يتجاوز فارق زمن وصول صوتين متتاليين 50-60 مللي ثانية (ما يعادل فرق مسار صوتي أكبر من 17 مترًا)، يمكن للمستمع الشعور به.
الفراغ مفهوم هندسي يشير إلى الأشياء التي تشغل حيزًا في الفضاء ثلاثي الأبعاد. إذن، هل الصوت فراغي؟ من حيث التشبيه، يمكن الإجابة بنعم. لأن مصدر الصوت له موقع مكاني محدد، والصوت له مصدر اتجاهي واضح، وللأذن البشرية قدرة على تمييز اتجاه مصدر الصوت؛ خاصة عند وجود عدة مصادر صوت تعمل في وقت واحد، يمكن للأشخاص إدراك توزيع المجموعة الصوتية في الفضاء من خلال حاسة السمع. لذلك يمكن القول إن الصوت "فراغي". ومع ذلك، فإن القول الأكثر دقة هو: "الصوت الأصلي (الأصلي) فراغي." لأن الصوت بعد التسجيل والتضخيم وإعادة التشغيل، قد يُخرج من سماعة واحدة، عندها لا يكون هذا الصوت المعاد تشغيله فراغيًا. نظرًا لأن جميع الأصوات تصدر من نفس السماعة، فإن الإحساس الأصلي بالفضاء - خاصة إحساس التوزيع المكاني للمجموعة الصوتية - يختفي. يُسمى هذا الصوت المعاد تشغيله "الصوت الأحادي" (Mono). إذا تمكن نظام إعادة التشغيل من استعادة الإحساس بفراغية الصوت الأصلي إلى حد ما، فإن هذا الصوت المعاد تشغيله يُسمى "الصوت الفراغي" (Stereo). نظرًا لأن الصوت الأصلي فراغي بطبيعة الحال، فإن مصطلح الصوت الفراغي يشير تحديدًا إلى ذلك الصوت المعاد تشغيله الذي يحمل إحساسًا مكانيًا (أو اتجاهيًا) معينًا.
2 تأثير الأذنين (Binaural Effect)
لاستعادة الإحساس بالفراغية في الصوت المعاد تشغيله، يجب أولاً فهم سبب قدرة النظام السمعي البشري على تمييز اتجاه مصدر الصوت. وجدت الأبحاث أن السبب الرئيسي هو أن الناس لديهم أذنان وليس أذن واحدة فقط.
تقع الأذنان على جانبي الرأس، وليس بينهما مسافة في الفراغ فحسب، بل يفصلهما الرأس، لذا قد تكون هناك اختلافات متنوعة في الصوت الذي تستقبله كل أذن. بناءً على هذه الاختلافات بشكل أساسي، يمكن للأشخاص تحديد موقع مصدر الصوت في الفضاء. أهم هذه الاختلافات هي:
(1) فارق زمن وصول الصوت للأذنين (ITD - Interaural Time Difference)
نظرًا لوجود مسافة بين الأذنين، باستثناء الصوت القادم من الأمام مباشرةً أو الخلف مباشرةً، فإن الصوت القادم من اتجاهات أخرى يصل إلى الأذنين في أوقات مختلفة، مما يخلق فارقًا زمنيًا. إذا كان مصدر الصوت منحازًا لليمين، سيصل الصوت أولاً إلى الأذن اليمنى ثم اليسرى؛ والعكس صحيح. كلما زاد انحياز مصدر الصوت إلى جانب واحد، زاد الفارق الزمني. أثبتت التجارب أنه إذا تم خلق فارق زمني صناعي في الاستماع بالأذنين، يمكن توليد وهم بانحياز مصدر الصوت. عندما يصل الفارق الزمني إلى حوالي 0.6 مللي ثانية، يشعر المستمع أن الصوت يأتي بالكامل من جانب واحد.
(2) فارق مستوى شدة الصوت بين الأذنين (ILD - Interaural Level Difference)
رغم أن المسافة بين الأذنين ليست كبيرة، إلا أن حاجز الرأس للصوت قد يتسبب في اختلاف مستوى شدة الصوت عند وصوله للأذنين. يكون مستوى الصوت أعلى في الأذن الأقرب لمصدر الصوت، وأقل في الأذن الأخرى. أثبتت التجارب أن أقصى فارق في مستوى الشدة قد يصل إلى حوالي 25 ديسيبل.
(3) فارق طور الصوت بين الأذنين (IPD - Interaural Phase Difference)
من المعروف أن الصوت ينتشر على شكل موجات، وطور الموجة الصوتية يختلف في مواقع مختلفة في الفضاء (ما لم تكن المسافة بالضبط طول موجة واحدة). نظرًا لوجود مسافة بين الأذنين، قد يكون هناك فرق في طور الموجة الصوتية عند وصولها لكل أذن. طبلة الأذن داخل الأذن تهتز مع الموجة الصوتية، لذا يصبح فرق الطور هذا الاهتزازي عاملاً في تحديد اتجاه مصدر الصوت. أثبتت التجارب أنه حتى لو كان مستوى شدة الصوت ووقت وصوله للأذنين متماثلين، فإن تغيير الطور فقط سيجعلنا نشعر باختلاف كبير في اتجاه مصدر الصوت.
(4) فارق جودة الصوت (Timbre) بين الأذنين
إذا أتت الموجة الصوتية من اتجاه معين على اليمين، فيجب أن تنحني حول أجزاء معينة من الرأس لتصل إلى الأذن اليسرى. من المعروف أن قدرة الموجة على الانحناء (الحيود) تتعلق بنسبة الطول الموجي إلى حجم العائق، قطر رأس الإنسان حوالي 20 سم، وهو ما يعادل الطول الموجي لصوت 1700 هرتز في الهواء، لذا يحجب الرأس مكونات الصوت التي تزيد عن حوالي ألف هرتز. أي أن قدرة المكونات المختلفة لنفس الصوت على الانحناء حول الرأس تختلف، فكلما زاد التردد، زاد التوهين. وبالتالي، تختلف جودة الصوت التي تسمعها الأذن اليسرى عن تلك التي تسمعها الأذن اليمنى. طالما أن الصوت لا يأتي من الاتجاه الأمامي المباشر، ستسمع كل أذن جودة صوت مختلفة، مما يصبح أساسًا لتحديد اتجاه مصدر الصوت.
(5) الاختلاف الناتج عن الصوت المباشر ومجموعة الأصوات المنعكسة المتتالية
الصوت المنبعث من المصدر، بالإضافة إلى الصوت المباشر الذي يصل إلى أذنينا، سينعكس أيضًا مرة أو أكثر عن العوائق المحيطة مكونًا مجموعة من الأصوات المنعكسة، تصل تباعًا إلى أذنينا. لذلك، فإن الاختلاف بين الصوت المباشر ومجموعة الأصوات المنعكسة، يوفر أيضًا معلومات عن توزيع مصادر الصوت في الفضاء.
(6) الاختلاف الناتج عن صيوان الأذن (Pinna)
صيوان الأذن يتجه للأمام، مما يساعد بوضوح على التمييز بين الأمام والخلف. من ناحية أخرى، شكل صيوان الأذن دقيق للغاية، حيث يحدث تأثيرات معقدة للصوت القادم من اتجاهات مختلفة، مما يوفر بالتأكيد بعض المعلومات الاتجاهية.
أثبتت الممارسة أن الفروق الثلاثة المذكورة أعلاه - فارق مستوى الشدة، والفارق الزمني، وفرق الطور - لها التأثير الأكبر على تحديد الاتجاه السمعي. لكن، في ظل ظروف مختلفة، يختلف تأثيرها. بشكل عام، في النطاق الترددي المنخفض والمتوسط للصوت، يكون لفرق الطور تأثير أكبر؛ في النطاق المتوسط والمرتفع، يكون لفارق مستوى الشدة التأثير الرئيسي. بالنسبة للأصوات المفاجئة (Transients)، يكون للفارق الزمني تأثير ملحوظ بشكل خاص. في تحديد الاتجاه الرأسي (العمودي)، يكون دور صيوان الأذن أكثر أهمية. في الواقع، تأثير الأذنين شامل، ويجب أن يعتمد النظام السمعي على التأثير الشامل لتحديد اتجاه مصدر الصوت.
تجدر الإشارة إلى أن النظام السمعي البشري، بالإضافة إلى الإحساس بالجهارة وجودة الصوت والاتجاه، لديه العديد من التأثيرات الأخرى. أحد التأثيرات المرتبطة ارتباطًا وثيقًا بمحاضراتنا المستقبلية، يسمى "تأثير الأسبقية" (Precedence Effect) (يُسمى أيضًا "تأثير هاس" - Haas Effect). من التجارب، عندما يصل صوتان متطابقان، أحدهما متأخر، إلى أذني الشخص بفارق زمني، إذا كان زمن التأخير أقل من 30 مللي ثانية، فلن يشعر الشخص بوجود الصوت المتأخر، بل سيلاحظ فقط تغيرات في جودة الصوت والجهارة. ولكن إذا كان التأخير طويلاً جدًا، سيكون الوضع مختلفًا. كما هو معروف، عندما يتجاوز فارق زمن وصول صوتين متتاليين 50-60 مللي ثانية (ما يعادل فرق مسار صوتي أكبر من 17 مترًا)، يمكن للمستمع الشعور به.