Come si forma la sensazione di stereofonia nell'ascolto?
1 Il concetto di stereofonia
La stereofonia è un concetto geometrico che si riferisce a qualcosa che occupa una posizione nello spazio tridimensionale. Ma il suono è "stereo"? Per analogia, la risposta può essere affermativa. Perché le sorgenti sonore hanno posizioni spaziali precise, i suoni hanno una direzione di provenienza definita e l'udito umano ha la capacità di distinguere la direzione delle sorgenti sonore; specialmente quando più sorgenti sonore emettono simultaneamente, le persone possono percepire la distribuzione spaziale del gruppo di suoni. Quindi si può dire che il suono è "tridimensionale". Tuttavia, un'affermazione più precisa sarebbe: "Il suono originale è tridimensionale". Perché quando il suono viene registrato, amplificato e poi riprodotto, tutti i suoni possono uscire da un unico altoparlante, e questo suono riprodotto non è più tridimensionale. In questo caso, poiché tutti i suoni provengono dallo stesso altoparlante, il senso originale dello spazio - specialmente la distribuzione spaziale del gruppo di suoni - scompare. Questo suono riprodotto si chiama "monofonico" (Mono). Se il sistema di riproduzione può in qualche misura ripristinare la spazialità del suono originale, allora questo suono riprodotto si chiama "stereofonico" (Stereo). Poiché il suono originale è ovviamente "tridimensionale", il termine "stereofonia" si riferisce specificamente a quel suono riprodotto che possiede una certa sensazione spaziale (o di direzionalità).
2 Effetto binaurale
Per ripristinare la spazialità nel suono riprodotto, è necessario prima capire perché il sistema uditivo umano ha la capacità di distinguere la direzione della sorgente sonora. Gli studi dimostrano che ciò è dovuto principalmente al fatto che abbiamo due orecchie, non una sola.
Le orecchie sono posizionate sui lati della testa, non solo a una certa distanza, ma anche separate dal cranio. Pertanto, i suoni ricevuti dalle due orecchie possono presentare varie differenze. Sono principalmente queste differenze che ci permettono di determinare la posizione spaziale di una sorgente sonora. Le differenze principali sono:
(1) Differenza di tempo di arrivo alle due orecchie (ITD - Interaural Time Difference)
A causa della distanza tra le orecchie, tranne che per i suoni provenienti direttamente da davanti o dietro, i suoni provenienti da altre direzioni raggiungono le orecchie in tempi leggermente diversi, creando un ritardo temporale. Se la sorgente è a destra, il suono raggiungerà prima l'orecchio destro e poi il sinistro; viceversa se è a sinistra. Più la sorgente è spostata lateralmente, maggiore è il ritardo. Esperimenti dimostrano che creando artificialmente un ritardo tra ciò che le orecchie sentono, si può generare l'illusione che il suono provenga da un lato. Con un ritardo di circa 0.6 ms, il suono sembra provenire completamente da un lato.
(2) Differenza di livello sonoro tra le due orecchie (ILD - Interaural Level Difference)
Sebbene le orecchie non siano molto distanti, l'effetto schermante della testa fa sì che il livello sonoro che le raggiunge possa essere diverso. L'orecchio più vicino alla sorgente riceve un livello maggiore, l'altro minore. Esperimenti dimostrano che la differenza massima di livello può arrivare a circa 25 dB.
(3) Differenza di fase tra le due orecchie (IPD - Interaural Phase Difference)
Come noto, il suono si propaga come un'onda, e le onde sonore hanno fasi diverse in punti diversi dello spazio (a meno che non siano esattamente a una lunghezza d'onda di distanza). Poiché le orecchie sono distanziate nello spazio, la fase dell'onda sonora che le raggiunge può essere diversa. Il timpano nell'orecchio vibra con l'onda sonora, quindi questa differenza di fase nelle vibrazioni diventa un fattore per determinare la direzione della sorgente. Esperimenti dimostrano che anche se il livello e il tempo di arrivo del suono sono identici alle due orecchie, cambiando solo la fase relativa, percepiamo una grande differenza nella direzione della sorgente.
(4) Differenza di timbro tra le due orecchie
Se un'onda sonora proviene da una certa direzione a destra, deve aggirare parti della testa per raggiungere l'orecchio sinistro. La capacità di diffrazione di un'onda dipende dal rapporto tra la sua lunghezza d'onda e le dimensioni dell'ostacolo. Il diametro della testa umana è di circa 20 cm, equivalente alla lunghezza d'onda di un suono a 1.700 Hz nell'aria. Pertanto, la testa scherma le componenti sonore sopra circa mille Hertz. Cioè, le diverse componenti di frequenza di uno stesso suono aggirano la testa con difficoltà variabile: le frequenze più alte sono attenuate maggiormente. Di conseguenza, il timbro percepito dall'orecchio sinistro sarà diverso da quello percepito dal destro. Finché il suono non proviene esattamente dalla direzione frontale o posteriore, le orecchie percepiranno timbri diversi, fornendo un altro indizio per localizzare la sorgente.
(5) Differenza tra suono diretto e riverbero
Oltre al suono diretto che raggiunge le nostre orecchie, il suono emesso da una sorgente viene riflesso una o più volte dagli ostacoli circostanti, formando un campo riverberante che raggiunge le orecchie in modo continuo. Pertanto, le differenze tra il suono diretto e il campo riverberante forniscono informazioni sulla distribuzione spaziale della sorgente.
(6) Effetto del padiglione auricolare
Il padiglione auricolare è orientato in avanti, aiutando chiaramente a distinguere davanti da dietro. Inoltre, la forma complessa del padiglione produce effetti sofisticati sui suoni provenienti da diverse direzioni, fornendo ulteriori informazioni direzionali.
La pratica dimostra che tra queste differenze, la differenza di livello (ILD), la differenza di tempo (ITD) e la differenza di fase (IPD) hanno l'impatto maggiore sulla localizzazione sonora. Tuttavia, la loro importanza relativa varia a seconda delle condizioni. In generale, nelle bande di frequenza basse e medie, la differenza di fase gioca un ruolo maggiore; nelle bande medio-alte, prevale la differenza di livello. Per suoni transitori (impulsi), la differenza di tempo è particolarmente significativa. Nella localizzazione verticale, il padiglione auricolare è più importante. In realtà, l'effetto binaurale è un fenomeno complesso; il sistema uditivo umano dovrebbe basarsi su una combinazione di questi effetti per determinare la direzione della sorgente.
Vale la pena menzionare un altro effetto rilevante per le prossime discussioni: l'"Effetto Precedenza" (noto anche come "Effetto Haas"). Esperimenti dimostrano che quando due suoni identici, di cui uno ritardato, raggiungono le orecchie in sequenza, se il ritardo è inferiore a 30 ms, le persone non percepiscono la presenza del suono ritardato come separato, notando solo cambiamenti nel timbro e nel volume. Tuttavia, con ritardi maggiori, la percezione cambia. È noto che quando la differenza temporale tra due suoni consecutivi supera i 50-60 ms (equivalente a una differenza di percorso sonoro maggiore di 17 m), l'ascoltatore è in grado di percepire il suono ritardato come un'eco distinta.
La stereofonia è un concetto geometrico che si riferisce a qualcosa che occupa una posizione nello spazio tridimensionale. Ma il suono è "stereo"? Per analogia, la risposta può essere affermativa. Perché le sorgenti sonore hanno posizioni spaziali precise, i suoni hanno una direzione di provenienza definita e l'udito umano ha la capacità di distinguere la direzione delle sorgenti sonore; specialmente quando più sorgenti sonore emettono simultaneamente, le persone possono percepire la distribuzione spaziale del gruppo di suoni. Quindi si può dire che il suono è "tridimensionale". Tuttavia, un'affermazione più precisa sarebbe: "Il suono originale è tridimensionale". Perché quando il suono viene registrato, amplificato e poi riprodotto, tutti i suoni possono uscire da un unico altoparlante, e questo suono riprodotto non è più tridimensionale. In questo caso, poiché tutti i suoni provengono dallo stesso altoparlante, il senso originale dello spazio - specialmente la distribuzione spaziale del gruppo di suoni - scompare. Questo suono riprodotto si chiama "monofonico" (Mono). Se il sistema di riproduzione può in qualche misura ripristinare la spazialità del suono originale, allora questo suono riprodotto si chiama "stereofonico" (Stereo). Poiché il suono originale è ovviamente "tridimensionale", il termine "stereofonia" si riferisce specificamente a quel suono riprodotto che possiede una certa sensazione spaziale (o di direzionalità).
2 Effetto binaurale
Per ripristinare la spazialità nel suono riprodotto, è necessario prima capire perché il sistema uditivo umano ha la capacità di distinguere la direzione della sorgente sonora. Gli studi dimostrano che ciò è dovuto principalmente al fatto che abbiamo due orecchie, non una sola.
Le orecchie sono posizionate sui lati della testa, non solo a una certa distanza, ma anche separate dal cranio. Pertanto, i suoni ricevuti dalle due orecchie possono presentare varie differenze. Sono principalmente queste differenze che ci permettono di determinare la posizione spaziale di una sorgente sonora. Le differenze principali sono:
(1) Differenza di tempo di arrivo alle due orecchie (ITD - Interaural Time Difference)
A causa della distanza tra le orecchie, tranne che per i suoni provenienti direttamente da davanti o dietro, i suoni provenienti da altre direzioni raggiungono le orecchie in tempi leggermente diversi, creando un ritardo temporale. Se la sorgente è a destra, il suono raggiungerà prima l'orecchio destro e poi il sinistro; viceversa se è a sinistra. Più la sorgente è spostata lateralmente, maggiore è il ritardo. Esperimenti dimostrano che creando artificialmente un ritardo tra ciò che le orecchie sentono, si può generare l'illusione che il suono provenga da un lato. Con un ritardo di circa 0.6 ms, il suono sembra provenire completamente da un lato.
(2) Differenza di livello sonoro tra le due orecchie (ILD - Interaural Level Difference)
Sebbene le orecchie non siano molto distanti, l'effetto schermante della testa fa sì che il livello sonoro che le raggiunge possa essere diverso. L'orecchio più vicino alla sorgente riceve un livello maggiore, l'altro minore. Esperimenti dimostrano che la differenza massima di livello può arrivare a circa 25 dB.
(3) Differenza di fase tra le due orecchie (IPD - Interaural Phase Difference)
Come noto, il suono si propaga come un'onda, e le onde sonore hanno fasi diverse in punti diversi dello spazio (a meno che non siano esattamente a una lunghezza d'onda di distanza). Poiché le orecchie sono distanziate nello spazio, la fase dell'onda sonora che le raggiunge può essere diversa. Il timpano nell'orecchio vibra con l'onda sonora, quindi questa differenza di fase nelle vibrazioni diventa un fattore per determinare la direzione della sorgente. Esperimenti dimostrano che anche se il livello e il tempo di arrivo del suono sono identici alle due orecchie, cambiando solo la fase relativa, percepiamo una grande differenza nella direzione della sorgente.
(4) Differenza di timbro tra le due orecchie
Se un'onda sonora proviene da una certa direzione a destra, deve aggirare parti della testa per raggiungere l'orecchio sinistro. La capacità di diffrazione di un'onda dipende dal rapporto tra la sua lunghezza d'onda e le dimensioni dell'ostacolo. Il diametro della testa umana è di circa 20 cm, equivalente alla lunghezza d'onda di un suono a 1.700 Hz nell'aria. Pertanto, la testa scherma le componenti sonore sopra circa mille Hertz. Cioè, le diverse componenti di frequenza di uno stesso suono aggirano la testa con difficoltà variabile: le frequenze più alte sono attenuate maggiormente. Di conseguenza, il timbro percepito dall'orecchio sinistro sarà diverso da quello percepito dal destro. Finché il suono non proviene esattamente dalla direzione frontale o posteriore, le orecchie percepiranno timbri diversi, fornendo un altro indizio per localizzare la sorgente.
(5) Differenza tra suono diretto e riverbero
Oltre al suono diretto che raggiunge le nostre orecchie, il suono emesso da una sorgente viene riflesso una o più volte dagli ostacoli circostanti, formando un campo riverberante che raggiunge le orecchie in modo continuo. Pertanto, le differenze tra il suono diretto e il campo riverberante forniscono informazioni sulla distribuzione spaziale della sorgente.
(6) Effetto del padiglione auricolare
Il padiglione auricolare è orientato in avanti, aiutando chiaramente a distinguere davanti da dietro. Inoltre, la forma complessa del padiglione produce effetti sofisticati sui suoni provenienti da diverse direzioni, fornendo ulteriori informazioni direzionali.
La pratica dimostra che tra queste differenze, la differenza di livello (ILD), la differenza di tempo (ITD) e la differenza di fase (IPD) hanno l'impatto maggiore sulla localizzazione sonora. Tuttavia, la loro importanza relativa varia a seconda delle condizioni. In generale, nelle bande di frequenza basse e medie, la differenza di fase gioca un ruolo maggiore; nelle bande medio-alte, prevale la differenza di livello. Per suoni transitori (impulsi), la differenza di tempo è particolarmente significativa. Nella localizzazione verticale, il padiglione auricolare è più importante. In realtà, l'effetto binaurale è un fenomeno complesso; il sistema uditivo umano dovrebbe basarsi su una combinazione di questi effetti per determinare la direzione della sorgente.
Vale la pena menzionare un altro effetto rilevante per le prossime discussioni: l'"Effetto Precedenza" (noto anche come "Effetto Haas"). Esperimenti dimostrano che quando due suoni identici, di cui uno ritardato, raggiungono le orecchie in sequenza, se il ritardo è inferiore a 30 ms, le persone non percepiscono la presenza del suono ritardato come separato, notando solo cambiamenti nel timbro e nel volume. Tuttavia, con ritardi maggiori, la percezione cambia. È noto che quando la differenza temporale tra due suoni consecutivi supera i 50-60 ms (equivalente a una differenza di percorso sonoro maggiore di 17 m), l'ascoltatore è in grado di percepire il suono ritardato come un'eco distinta.