Как формируется стереоэффект при прослушивании?
1 Понятие стереозвука
«Стерео» — это геометрическое понятие, обозначающее объект, занимающий положение в трехмерном пространстве. Является ли звук стерео? По аналогии, ответ можно считать утвердительным. Потому что источник звука имеет определенное пространственное положение, звук имеет четкое направление распространения, а человеческий слух способен определять направление на источник звука. Особенно, когда одновременно звучит несколько источников, человек может слухом воспринимать пространственное распределение звуковой картины. Поэтому можно сказать, что звук «стереофоничен». Однако более точным будет утверждение: «Исходный звук является стереофоническим». Потому что после записи, усиления и последующего воспроизведения весь звук может исходить из одного динамика — такое воспроизведение уже не будет стерео. В этом случае все звуки идут из одной точки, и исходное ощущение пространства — особенно распределение источников в пространстве — исчезает. Такое воспроизведение называется «монофоническим» (Mono). Если же система воспроизведения способна в некоторой степени восстановить пространственное ощущение исходного звука, то такое воспроизведение называется «стереофоническим» (Stereo). Поскольку исходный звук, очевидно, «стереофоничен», термин «стереозвук» специально относится к воспроизведению, создающему ощущение пространства (или локализации источников).
2 Эффект бинаурального слуха (Двуушное восприятие)
Чтобы восстановить пространственное ощущение при воспроизведении, нужно понять, почему человеческий слух способен определять направление на источник звука. Исследования показали, что это в основном связано с наличием двух ушей.
Уши расположены по бокам головы, на расстоянии друг от друга, и разделены черепом. Поэтому звук, приходящий к каждому уху, может иметь различные различия. Именно на основе этих различий человек определяет положение источника в пространстве. Основные различия:
(1) **Разница во времени прихода звука (ITD - Interaural Time Difference):** Из-за расстояния между ушами звук от источников, расположенных не строго спереди или сзади, приходит к одному уху раньше, чем к другому. Если источник справа, звук сначала достигнет правого уха, затем левого, и наоборот. Чем сильнее смещен источник, тем больше временная разница. Эксперименты показали, что искусственное создание разницы во времени прихода звука к ушам создает иллюзию смещения источника. При разнице около 0.6 мс звук кажется полностью смещенным в одну сторону.
(2) **Разница в уровне громкости (ILD - Interaural Level Difference):** Хотя уши близки, череп экранирует звук, поэтому уровень звукового давления на каждом ухе может быть разным. Ухо, ближнее к источнику, получает больший уровень, дальнее — меньший. Максимальная разница может достигать примерно 25 дБ.
(3) **Разница в фазе (IPD - Interaural Phase Difference):** Звук распространяется волнами, и фаза волны в разных точках пространства различается (если точки не отстоят на длину волны). Из-за расстояния между ушами фаза звуковой волны, достигающей каждого уха, может отличаться. Барабанная перепонка вибрирует в соответствии со звуковой волной, и эта разница фаз также является фактором определения направления. Эксперименты показывают, что даже при одинаковом уровне и времени прихода звука к ушам, изменение только фазы значительно меняет воспринимаемое направление источника.
(4) **Разница в тембре (спектральный состав):** Если звуковая волна приходит с правой стороны, ей приходится огибать голову, чтобы достичь левого уха. Способность волны огибать препятствие зависит от соотношения длины волны и размера препятствия. Диаметр головы человека ~20 см, что соответствует длине волны звука ~1700 Гц в воздухе. Поэтому голова экранирует (поглощает/ослабляет) частоты выше ~1000 Гц. То есть, разные спектральные компоненты звука огибают голову по-разному: высокие частоты ослабляются сильнее. Следовательно, тембр звука, воспринимаемый левым ухом, отличается от тембра в правом ухе. Если звук не приходит строго спереди/сзади, уши слышат разный тембр, что также помогает определить направление.
(5) **Различия между прямым звуком и последовательностью отражений:** Помимо прямого звука, идущего от источника к ушам, звук отражается от окружающих поверхностей, образуя последовательность отраженных сигналов (реверберационный хвост), которые приходят к ушам с задержкой. Различия между прямым звуком и этой последовательностью отражений также несут информацию о расположении источника в пространстве и характеристиках помещения.
(6) **Роль ушной раковины (Pinna):** Ушная раковина обращена вперед, что явно помогает различать перед и зад. Кроме того, сложная форма ушной раковины создает специфические акустические эффекты для звуков, приходящих с разных направлений, предоставляя дополнительную информацию об их локализации, особенно по вертикали (высоте).
Практика показывает, что различия в уровне, времени и фазе оказывают наибольшее влияние на локализацию. Однако их роль варьируется в зависимости от условий. В общем, на низких и средних частотах преобладает разница фаз; на средних и высоких — разница в уровне. Для коротких импульсных звуков (щелчки) особенно важна разница во времени. В вертикальной локализации (определение высоты источника) роль ушной раковины более значима. На самом деле, бинауральный эффект комплексный, и слуховая система формирует вывод о направлении источника на основе совокупности всех факторов.
Отметим также, что человеческий слух обладает многими эффектами помимо восприятия громкости, тембра и локализации. Один из них, тесно связанный с нашей темой, — **эффект предшествования (Precedence Effect или Haas Effect).** Эксперименты показали, что при наличии двух одинаковых звуков, один из которых задержан и приходит к ушам позже, если задержка не превышает 30 мс, человек не ощущает присутствия задержанного звука как отдельного источника, а замечает лишь изменения тембра и громкости. Однако при больших задержках ситуация меняется. Известно, что если задержка между двумя звуками превышает 50-60 мс (что соответствует разнице пути ~17 метров), слушатель начинает воспринимать их как отдельные события.
«Стерео» — это геометрическое понятие, обозначающее объект, занимающий положение в трехмерном пространстве. Является ли звук стерео? По аналогии, ответ можно считать утвердительным. Потому что источник звука имеет определенное пространственное положение, звук имеет четкое направление распространения, а человеческий слух способен определять направление на источник звука. Особенно, когда одновременно звучит несколько источников, человек может слухом воспринимать пространственное распределение звуковой картины. Поэтому можно сказать, что звук «стереофоничен». Однако более точным будет утверждение: «Исходный звук является стереофоническим». Потому что после записи, усиления и последующего воспроизведения весь звук может исходить из одного динамика — такое воспроизведение уже не будет стерео. В этом случае все звуки идут из одной точки, и исходное ощущение пространства — особенно распределение источников в пространстве — исчезает. Такое воспроизведение называется «монофоническим» (Mono). Если же система воспроизведения способна в некоторой степени восстановить пространственное ощущение исходного звука, то такое воспроизведение называется «стереофоническим» (Stereo). Поскольку исходный звук, очевидно, «стереофоничен», термин «стереозвук» специально относится к воспроизведению, создающему ощущение пространства (или локализации источников).
2 Эффект бинаурального слуха (Двуушное восприятие)
Чтобы восстановить пространственное ощущение при воспроизведении, нужно понять, почему человеческий слух способен определять направление на источник звука. Исследования показали, что это в основном связано с наличием двух ушей.
Уши расположены по бокам головы, на расстоянии друг от друга, и разделены черепом. Поэтому звук, приходящий к каждому уху, может иметь различные различия. Именно на основе этих различий человек определяет положение источника в пространстве. Основные различия:
(1) **Разница во времени прихода звука (ITD - Interaural Time Difference):** Из-за расстояния между ушами звук от источников, расположенных не строго спереди или сзади, приходит к одному уху раньше, чем к другому. Если источник справа, звук сначала достигнет правого уха, затем левого, и наоборот. Чем сильнее смещен источник, тем больше временная разница. Эксперименты показали, что искусственное создание разницы во времени прихода звука к ушам создает иллюзию смещения источника. При разнице около 0.6 мс звук кажется полностью смещенным в одну сторону.
(2) **Разница в уровне громкости (ILD - Interaural Level Difference):** Хотя уши близки, череп экранирует звук, поэтому уровень звукового давления на каждом ухе может быть разным. Ухо, ближнее к источнику, получает больший уровень, дальнее — меньший. Максимальная разница может достигать примерно 25 дБ.
(3) **Разница в фазе (IPD - Interaural Phase Difference):** Звук распространяется волнами, и фаза волны в разных точках пространства различается (если точки не отстоят на длину волны). Из-за расстояния между ушами фаза звуковой волны, достигающей каждого уха, может отличаться. Барабанная перепонка вибрирует в соответствии со звуковой волной, и эта разница фаз также является фактором определения направления. Эксперименты показывают, что даже при одинаковом уровне и времени прихода звука к ушам, изменение только фазы значительно меняет воспринимаемое направление источника.
(4) **Разница в тембре (спектральный состав):** Если звуковая волна приходит с правой стороны, ей приходится огибать голову, чтобы достичь левого уха. Способность волны огибать препятствие зависит от соотношения длины волны и размера препятствия. Диаметр головы человека ~20 см, что соответствует длине волны звука ~1700 Гц в воздухе. Поэтому голова экранирует (поглощает/ослабляет) частоты выше ~1000 Гц. То есть, разные спектральные компоненты звука огибают голову по-разному: высокие частоты ослабляются сильнее. Следовательно, тембр звука, воспринимаемый левым ухом, отличается от тембра в правом ухе. Если звук не приходит строго спереди/сзади, уши слышат разный тембр, что также помогает определить направление.
(5) **Различия между прямым звуком и последовательностью отражений:** Помимо прямого звука, идущего от источника к ушам, звук отражается от окружающих поверхностей, образуя последовательность отраженных сигналов (реверберационный хвост), которые приходят к ушам с задержкой. Различия между прямым звуком и этой последовательностью отражений также несут информацию о расположении источника в пространстве и характеристиках помещения.
(6) **Роль ушной раковины (Pinna):** Ушная раковина обращена вперед, что явно помогает различать перед и зад. Кроме того, сложная форма ушной раковины создает специфические акустические эффекты для звуков, приходящих с разных направлений, предоставляя дополнительную информацию об их локализации, особенно по вертикали (высоте).
Практика показывает, что различия в уровне, времени и фазе оказывают наибольшее влияние на локализацию. Однако их роль варьируется в зависимости от условий. В общем, на низких и средних частотах преобладает разница фаз; на средних и высоких — разница в уровне. Для коротких импульсных звуков (щелчки) особенно важна разница во времени. В вертикальной локализации (определение высоты источника) роль ушной раковины более значима. На самом деле, бинауральный эффект комплексный, и слуховая система формирует вывод о направлении источника на основе совокупности всех факторов.
Отметим также, что человеческий слух обладает многими эффектами помимо восприятия громкости, тембра и локализации. Один из них, тесно связанный с нашей темой, — **эффект предшествования (Precedence Effect или Haas Effect).** Эксперименты показали, что при наличии двух одинаковых звуков, один из которых задержан и приходит к ушам позже, если задержка не превышает 30 мс, человек не ощущает присутствия задержанного звука как отдельного источника, а замечает лишь изменения тембра и громкости. Однако при больших задержках ситуация меняется. Известно, что если задержка между двумя звуками превышает 50-60 мс (что соответствует разнице пути ~17 метров), слушатель начинает воспринимать их как отдельные события.