Como se forma a sensação de estereofonia?
1 O conceito de som estéreo
Estéreo é um conceito geométrico, referindo-se a algo que ocupa posição no espaço tridimensional. Então, o som também é estéreo? Por analogia, a resposta pode ser afirmativa. Porque as fontes sonoras têm localização espacial definida, os sons têm origem direcional clara, e os humanos têm a capacidade auditiva de discernir a direção das fontes sonoras; especialmente quando múltiplas fontes emitem som simultaneamente, podemos perceber auditivamente a distribuição espacial do conjunto sonoro. Portanto, pode-se dizer que o som é "estéreo". Entretanto, uma afirmação mais adequada seria: "O som original é estéreo." Pois quando o som é gravado, amplificado e posteriormente reproduzido, todos os sons podem sair de um único alto-falante. Essa reprodução não é estéreo. Nesse caso, como todos os sons vêm de um único ponto, a sensação espacial original - especialmente a distribuição espacial do conjunto sonoro - desaparece. Essa reprodução é chamada de "mono" (Mono). Se o sistema de reprodução conseguir restaurar, em algum grau, a sensação espacial do som original, então essa reprodução é chamada de "estéreo" (Stereo). Como o som original é inerentemente "estéreo", o termo estéreo especificamente denota essa reprodução que proporciona alguma sensação espacial (ou de direcionalidade).
2 O efeito binaural
Para restaurar a sensação espacial no som reproduzido, primeiro é preciso entender por que o sistema auditivo humano tem capacidade de discernir a direção das fontes sonoras. Pesquisas mostram que isso se deve principalmente ao fato de termos duas orelhas, e não apenas uma.
As orelhas estão localizadas em lados opostos da cabeça, separadas por uma distância e pela massa craniana. Portanto, os sons que chegam a cada orelha podem apresentar várias diferenças. São principalmente essas diferenças que nos permitem localizar a fonte sonora no espaço. As principais diferenças são:
(1) Diferença de tempo de chegada do som às orelhas (ITD - Interaural Time Difference)
Devido à distância entre as orelhas, exceto para sons vindos diretamente da frente ou de trás, sons de outras direções chegam a uma orelha antes da outra, causando um atraso. Se a fonte estiver à direita, o som chegará primeiro à orelha direita; se à esquerda, primeiro à esquerda. Quanto mais lateralizada a fonte, maior o atraso. Experimentos provam que criar artificialmente um atraso entre o som ouvido pelas orelhas gera a ilusão de lateralização. Com um atraso de cerca de 0,6 ms, o som parece vir completamente de um lado.
(2) Diferença de nível sonoro entre as orelhas (ILD - Interaural Level Difference)
Embora próximas, a cabeça bloqueia parcialmente o som, fazendo com que o nível sonoro que chega a cada orelha seja diferente. O nível é maior na orelha mais próxima da fonte e menor na oposta. Experimentos mostram que a diferença máxima pode chegar a cerca de 25 dB.
(3) Diferença de fase do som entre as orelhas (IPD - Interaural Phase Difference)
Sabemos que o som se propaga em ondas, e as ondas sonoras têm fases diferentes em pontos distintos do espaço (a menos que exatamente separados por um comprimento de onda). Devido à separação espacial das orelhas, a fase da onda sonora ao atingir cada orelha pode diferir. O tímpano vibra com a onda sonora, e essa diferença de fase também contribui para nossa localização da fonte. Experimentos mostram que mesmo com o mesmo nível e tempo de chegada, apenas mudando a fase, percebemos grande diferença na direção percebida.
(4) Diferença de timbre entre as orelhas
Se uma onda sonora vem de uma direção à direita, ela precisa contornar partes da cabeça para chegar à orelha esquerda. A capacidade de difração de uma onda depende da relação entre seu comprimento de onda e o tamanho do obstáculo. O diâmetro da cabeça humana é de ~20cm, equivalente ao comprimento de onda de ~1700Hz no ar. Assim, a cabeça atua como barreira para componentes sonoros acima de ~1000Hz. Componentes de diferentes frequências contornam a cabeça com eficiências distintas; frequências mais altas sofrem maior atenuação. Portanto, o timbre ouvido pela orelha esquerda difere do timbre ouvido pela direita. Desde que o som não venha de uma direção central (frente/trás), o timbre será diferente em cada orelha, servindo como pista para localização.
(5) Diferenças entre o som direto e as primeiras reflexões
Além do som direto que chega às orelhas, o som emitido pela fonte é refletido por obstáculos circundantes, formando um conjunto de reflexões que chegam às orelhas sequencialmente. Portanto, as diferenças entre o som direto e este conjunto de reflexões também fornecem informações sobre a distribuição espacial das fontes.
(6) Efeito do pavilhão auricular (Pinna)
O formato do pavilhão auricular, voltado para frente, claramente ajuda a distinguir frente e trás. Além disso, seu formato complexo causa efeitos sutis em sons vindos de diferentes direções, fornecendo informações de localização, principalmente na dimensão vertical.
Na prática, entre as diferenças listadas, ILD, ITD e IPD são as mais impactantes para a localização auditiva. Contudo, sua importância relativa varia conforme as condições. Geralmente, em baixas e médias frequências, a diferença de fase (IPD) é mais relevante; em médias e altas frequências, a diferença de nível (ILD) predomina. Para sons transientes (impactos), o tempo (ITD) é particularmente crucial. Na localização vertical, o efeito do pavilhão auricular é mais importante. Na verdade, o efeito binaural é integrado; nosso sistema auditivo provavelmente toma decisões com base na combinação dessas pistas.
Vale mencionar outro efeito auditivo relevante: o "Efeito de Precedência" ou "Efeito Haas". Experimentos mostram que quando dois sons idênticos, um atrasado em relação ao outro, chegam às orelhas, se o atraso for inferior a 30ms, não percebemos o som atrasado como separado, apenas mudanças no timbre e nível. Com atrasos maiores, a percepção muda. Sabe-se que quando o atraso entre dois sons ultrapassa 50ms-60ms (equivalente a uma diferença de percurso >17m), o ouvinte consegue discernir o eco.
Estéreo é um conceito geométrico, referindo-se a algo que ocupa posição no espaço tridimensional. Então, o som também é estéreo? Por analogia, a resposta pode ser afirmativa. Porque as fontes sonoras têm localização espacial definida, os sons têm origem direcional clara, e os humanos têm a capacidade auditiva de discernir a direção das fontes sonoras; especialmente quando múltiplas fontes emitem som simultaneamente, podemos perceber auditivamente a distribuição espacial do conjunto sonoro. Portanto, pode-se dizer que o som é "estéreo". Entretanto, uma afirmação mais adequada seria: "O som original é estéreo." Pois quando o som é gravado, amplificado e posteriormente reproduzido, todos os sons podem sair de um único alto-falante. Essa reprodução não é estéreo. Nesse caso, como todos os sons vêm de um único ponto, a sensação espacial original - especialmente a distribuição espacial do conjunto sonoro - desaparece. Essa reprodução é chamada de "mono" (Mono). Se o sistema de reprodução conseguir restaurar, em algum grau, a sensação espacial do som original, então essa reprodução é chamada de "estéreo" (Stereo). Como o som original é inerentemente "estéreo", o termo estéreo especificamente denota essa reprodução que proporciona alguma sensação espacial (ou de direcionalidade).
2 O efeito binaural
Para restaurar a sensação espacial no som reproduzido, primeiro é preciso entender por que o sistema auditivo humano tem capacidade de discernir a direção das fontes sonoras. Pesquisas mostram que isso se deve principalmente ao fato de termos duas orelhas, e não apenas uma.
As orelhas estão localizadas em lados opostos da cabeça, separadas por uma distância e pela massa craniana. Portanto, os sons que chegam a cada orelha podem apresentar várias diferenças. São principalmente essas diferenças que nos permitem localizar a fonte sonora no espaço. As principais diferenças são:
(1) Diferença de tempo de chegada do som às orelhas (ITD - Interaural Time Difference)
Devido à distância entre as orelhas, exceto para sons vindos diretamente da frente ou de trás, sons de outras direções chegam a uma orelha antes da outra, causando um atraso. Se a fonte estiver à direita, o som chegará primeiro à orelha direita; se à esquerda, primeiro à esquerda. Quanto mais lateralizada a fonte, maior o atraso. Experimentos provam que criar artificialmente um atraso entre o som ouvido pelas orelhas gera a ilusão de lateralização. Com um atraso de cerca de 0,6 ms, o som parece vir completamente de um lado.
(2) Diferença de nível sonoro entre as orelhas (ILD - Interaural Level Difference)
Embora próximas, a cabeça bloqueia parcialmente o som, fazendo com que o nível sonoro que chega a cada orelha seja diferente. O nível é maior na orelha mais próxima da fonte e menor na oposta. Experimentos mostram que a diferença máxima pode chegar a cerca de 25 dB.
(3) Diferença de fase do som entre as orelhas (IPD - Interaural Phase Difference)
Sabemos que o som se propaga em ondas, e as ondas sonoras têm fases diferentes em pontos distintos do espaço (a menos que exatamente separados por um comprimento de onda). Devido à separação espacial das orelhas, a fase da onda sonora ao atingir cada orelha pode diferir. O tímpano vibra com a onda sonora, e essa diferença de fase também contribui para nossa localização da fonte. Experimentos mostram que mesmo com o mesmo nível e tempo de chegada, apenas mudando a fase, percebemos grande diferença na direção percebida.
(4) Diferença de timbre entre as orelhas
Se uma onda sonora vem de uma direção à direita, ela precisa contornar partes da cabeça para chegar à orelha esquerda. A capacidade de difração de uma onda depende da relação entre seu comprimento de onda e o tamanho do obstáculo. O diâmetro da cabeça humana é de ~20cm, equivalente ao comprimento de onda de ~1700Hz no ar. Assim, a cabeça atua como barreira para componentes sonoros acima de ~1000Hz. Componentes de diferentes frequências contornam a cabeça com eficiências distintas; frequências mais altas sofrem maior atenuação. Portanto, o timbre ouvido pela orelha esquerda difere do timbre ouvido pela direita. Desde que o som não venha de uma direção central (frente/trás), o timbre será diferente em cada orelha, servindo como pista para localização.
(5) Diferenças entre o som direto e as primeiras reflexões
Além do som direto que chega às orelhas, o som emitido pela fonte é refletido por obstáculos circundantes, formando um conjunto de reflexões que chegam às orelhas sequencialmente. Portanto, as diferenças entre o som direto e este conjunto de reflexões também fornecem informações sobre a distribuição espacial das fontes.
(6) Efeito do pavilhão auricular (Pinna)
O formato do pavilhão auricular, voltado para frente, claramente ajuda a distinguir frente e trás. Além disso, seu formato complexo causa efeitos sutis em sons vindos de diferentes direções, fornecendo informações de localização, principalmente na dimensão vertical.
Na prática, entre as diferenças listadas, ILD, ITD e IPD são as mais impactantes para a localização auditiva. Contudo, sua importância relativa varia conforme as condições. Geralmente, em baixas e médias frequências, a diferença de fase (IPD) é mais relevante; em médias e altas frequências, a diferença de nível (ILD) predomina. Para sons transientes (impactos), o tempo (ITD) é particularmente crucial. Na localização vertical, o efeito do pavilhão auricular é mais importante. Na verdade, o efeito binaural é integrado; nosso sistema auditivo provavelmente toma decisões com base na combinação dessas pistas.
Vale mencionar outro efeito auditivo relevante: o "Efeito de Precedência" ou "Efeito Haas". Experimentos mostram que quando dois sons idênticos, um atrasado em relação ao outro, chegam às orelhas, se o atraso for inferior a 30ms, não percebemos o som atrasado como separado, apenas mudanças no timbre e nível. Com atrasos maiores, a percepção muda. Sabe-se que quando o atraso entre dois sons ultrapassa 50ms-60ms (equivalente a uma diferença de percurso >17m), o ouvinte consegue discernir o eco.