Sound Localization, או בעברית מיקום הצליל

[dannyg]

אז פעם לטובת כולנו, החלטתי לכתוב מאמר\תר'ד מעניין על עולם שלם שנקרא "Sound Localization", או בעברית איך המוח שלנו יודע לפרש איפה הצליל נמצא, מאיפה הוא בא ולאן הוא הולך (אם בכלל..).

 

מישהו אי פעם חשב איך אנחנו המוח שלנו יודע לפרש מה גובה הבמה? מה העומק שלה? היכן היא נמצאת במישור האנכי והאופקי? כיצד נוצרת תמונה טובה?

 

בטח כולכם אומרים לעצמכם עכשיו, זה ברור, לכולנו יש זוג אוזניים (טוב נו, לרובנו..), בקצרה, אתם צודקים, רובנו בורכנו בזוג אוזניים Custom Made ע"י האיש שם למעלה, אבל איך האוזניים האלה יודעת בעצם לפרש גובה? עומק? רוחב? ושאר מיני ירקות? היום נגלה.

 

למעשה, אם אנחנו שומעים בעזרת שני האוזניים (Binaural Hearing) אנחנו משתמשים בשלל מושגים כמו: "HRTF, head shadowing, ear transfer function, inter-aural time arrival differences and inter-aural level differences"

 

אני יודע שלרובכם זה נשמע ונראה כמו כאב ראש אחד גדול, אבל אני הולך לעשות מאמץ ולהסביר מזה בעצם כל השטויות האלה ?

 

אז בשביל שכולנו נבין בכלל על מה אנחנו מדברים, נתחיל בבסיס, אוזניים ואיך הם עובדות (מבלי להיות יותר מידי טכני) :

האוזן האנושית בנויה למעשה מ-3 חלקים בסיסים, האוזן החיצונית, האוזן האמצעית והאוזן הפנימית, אבל מה התפקיד של כל אחד מהחלקים האלה?

 

האוזן החיצונית: תפקידה נורא פשוט, היא משמשת כמעין משפך ופשוט "מתעלת" את האוויר הנע שמסיע את אות השמע עד אשר הוא פוגע בקרום התוף.

האוזן האמצעית: תפקידה קצת יותר קשה, לאחר שאוויר הנע הגיע לקרום התוף, הקרום מתחיל לנוע בהתאם לתנועת האוויר בתעלת האוזן, למעשה הצליל הופך לויברציות, בצידו השני של קרום התוף מחוברים העצמימים, שלושת עצמות העצמימים הן עצם הפטיש, עצם הסדן ועצם המישוורת.

האוזן הפנימית: למעשה האוזן הפנימית מלאה בנוזל ומכוסה בשערות קטנטנות, השערות האלה למעשה מרגישות את הויברציות הנוצרות ומעבירות אותם למוח.

 

היות ולא זה נושא השרשור, אם מישהו מעוניין להרחיב קריאה בנושא הוא יכול להמשיך לקרוא פה.

 

ועכשיו, לאקשן האמיתי:

 

כמו שרובכם יותר Hertz למעשה מייצג מספר מחזורים בשניה, כלומר 50HZ הם למעשה 50 מחזורים בשניה, אם אנחנו נותנים לאלמנט מסויים לנגן 17HZ (עיינו ערך אליקו) הוא למעשה מייצר 17 תנודות\מחזורים בשניה, לכן התדרים הנמוכים של הצליל ארוכים יותר.

המוח האנושי משתמש בהבדלי הזמן בין שתי האוזניים (ימין לשמאל) על מנת לקבוע את המיקום הצליל במישור האופקי, כלומר, הפרשי הזמנים עד אשר מגיע צליל לאוזן ימין ואוזן שמאל.

לדוגמא, צליל, אשר מגיע מצד שמאל בזווית של 90 מעלות ביחס לנקודה בה אנו יושבים יהיה בדרך כלל בעל הפרש של 0.7 מילי השניות בין אוזן שמאל לימין

הפעולה הזאת שמבצע המוח נקראת (ITD (Inter-aural Time Differences, או בעברית (בתרגום חופשי כמובן), הבדלי זמן תוך אוזניים, עד פה אין שום בעיה נכון?

הבעיה מתחילה כשזמן המחזוריות יורד והתדרים (HZ) הולכים ונהיים קצרים יותר, למעשה קצב הויברציות בקרום התוף הולך ונהיה מהיר יותר, בשלב הזה לשערות הקטנות והמסכנות שלנו פשוט אין מספיק זמן להתאושש ולהעביר את המידע למוח, לצערנו הרב, בסביבות 1KHZ, אנחנו מאבדים את היכולת לבצע את פעולת ה-ITD.

 

אז מה הלאה? מעל 1KHZ אנחנו לא יכולים לדעת את המיקום הצליל בציר האופקי? שאלה טובה.

בשלב הזה המוח שלנו כבר עובר להשתמש בהבדלי אמפליטודה בין אוזן לאוזן, אבל זה לא כל כך פשוט כפי שזה נראה, בוא לא נשכח שיש לנו ראש בין אוזן לאוזן, פה כבר נכנס לעסק המושג Head Shadowing.

בפשטות, הראש שלנו למעשה יוצר "צל" בין אוזן לאוזן, הצל הזה למעשה גורם להבדל אמפליטודה, האוזניים שלנו משתמשות "בצל" הזה על מנת להבדיל בין שמאל לימין בתדרים גבוהים, יש פה רק בעיה אחת.

אפקט "הצל" המדובר מתרחש רק בתדרים מעל 3KHZ, רק אז אורך הגל קצר מספיק כדי "להתכופף" מסביב הראש וליצור את הבדל האמפליטודה.

 

אז סיכמנו מה קורה עד 1KHZ ומה קורה מ-3KHZ ומעלה, אבל מה קורה בין 1K-3K?

למעשה נותר שם בור, בערך בין 1.5KHZ ל-3KHZ ישנו בור, לנו בני האדם אין את היכולת להבדיל בין מקורות צליל במישור האופקי בטווח התדרים הזה.

 

ושוב בוא לא נשכח שכל זה מתייחס רק למישור האופקי, המוח האנושי מדהים הא?

אם תהיו ילדים טובים בהמשך נסתכל גם על המישור האנכי, כלומר גובה, זה כבר קצת יותר מסובך.

 

אם למישהו יש שאלות\הערות אני אשמח לנסות ולענות, דני.

[poz]

דניקו בהחלט מאמר מרנין כיפי ומעניין לקריאה תודה רבה!

[elik0]

נראה לי מוכר העניין סחטיין פרופסור

[erezoni11]

מאמר קצר וקולע בשפה שכולם מבינים תודה רבה

[sd1985]

בלי לבאס, אם זה נשמע טוב -אז זה נשמע טוב!!

 

סתם,אחלה מאמר,בנימה הומריסטית זו,

וכעת תהפוך לרצינית:

כיווונים!!!

 

 

זה הכי חשוב,לדעתי ונסיוני.

 

כל הכבוד,על ההשקעה,הזמן,גם הכתיבה מעניינת.(מישהו אמר בדביק?)

[lanosforce]

תרגום יפה מאוד.

 

ימשיך כבודו...

[dannyg]

טוב, אז אחרי שעשיתי קצת עבודה במשרד, אפשר לחזור לפורום.

 

אחרי שחקרנו את הציר האופקי, הגיע הזמן להתסכל על הציר האנכי, כלומר גובה, אז איך בעצם אנחנו "שומעים" את גובה הבמה? האמת, שאלה טובה.

בשביל לענות עליה אני אנסה קודם כל להסביר יסוד מאוד בסיסי שנקרא Transfer Function, או בעברית (כמובן שוב בתרגום חופשי), פונקצית העברה.

 

אז מהי בכלל פונקציית העברה?

פונקציית העברה היא למעשה ההשלכה על הסביבה על הצליל, כלומר איך הסביבה משפיעה על הצליל והצורה שאנחנו שומעים אותו.

פונקציית העברה למעשה מתרחשת בכל מקום וכל זמן, מלבד כמובן למעלה גבוהה באוויר הפתוח, שם למזלנו עדיין אין משהו שישליך על הצליל, אני אנסה להסביר.

אם היינו לוקחים מוזיקאי ומרימים אותו גבוהה בעזרת מנוף לאוויר הפתוח (בתנאי שאין לו אקרופוביה), הכלי שעליו הוא ינגן בעת שהוא באוויר יתפזר באוויר בצורה שווה (כמובן מבלי להיות פדנטי לגבי לחץ\טמפרטורה וכו'), באם היה לנו עוד מנוף להרים לאוויר עוד מישהו לצד המוזיקאי, הצליל שהוא היה שומע היה זהה 1:1 לצליל שיצא מהכלי עליו ניגן המוזיקאי, לא יהיו שום השתקפויות של צליל, שום פנאלים\פלסטיקים רוטטים, שום דבר שלמעשה ילכלך\יצבע את הצליל.

 

דוגמא טובה שאפשר ליישם בבית היא לקחת חתיכת קרטון ופשוט לשים אותו מול הפנים שלנו ולדבר (רצוי בחדר אחר שבו אף אחד לא יכול לראות אותם...), עוד הסבר שיכול לעזור להבין מהי פונקציית העברה, קחו לדוגמא אולם גדול, אם אי פעם נכנסתם לאולם גדול וניסיתם לדבר, נתקלתם בהד? כל אלו הם למעשה פונקציות שונות של העברה.

 

לכל דבר למעשה יש פונקציית העברה, גם לכלי נגינה, בגלל זה אנחנו יכולים להבדיל בין פסנתר לבין כינור, אפילו אם שניהם ינגנו את אותו השיר, באותם התווים ובאותו הסולם שניהם ישמעו אחרת לגמרי, הצורה של הכלי, החומר ממנו הוא עשוי וכל שאר אספקט שתבחרו, כולם משפיעים על הצליל והם כולם חלק מפונקציית העברה.

 

אפילו אצלנו בני אדם, הצורה של הפה משליכה על הצליל שיוצא ממנו, למעשה כך אנחנו מזהים מי מדבר איתנו.

 

איך כל זה קשור לגובה הבמה? בקרוב.

[Alexander80]

דני כל הכבוד

ימשיך כבודו ....

[dannyg]

והנה כבודו ממשיך...

 

אז עכשיו אחרי שהבנו איך המוח משתמש ב-ITD בתדרים נמוכים ו-Head Shadowing בתדרים גבוהים (קטע, עוד פונקציית העברה, HRTF) על מנת לקבוע את מיקום הצליל בציר האופקי ומשכבר הבנו מהי פונקציית העברה, הגיע הזמן ולנסות ולהבין איך בעצם אנחנו המוח קובע את המיקום האנכי? או בעברית איך אנחנו שומעים גובה?

 

הפיתרון הפשוט הוא כמובן הוספת עוד זוג אוזניים, אחת בסנטר ועוד אחת על הראש, אבל איפה שהוא במהלך האבולוציה מאיזה שהיא סיבה (אני יכול לחשוב על לא מעט...) הוחלט להישאר עם זוג אוזניים אחד.

אז סיכמנו שהאוזן החיצונית למעשה "מתעלת" את האוויר הנע שמסיע את אות השמע עד שהוא פוגע בקרום התוף, זוכרים?

אבל למה אנחנו צריכים את כל הפיתולים\סיבובים\כפלים ושאר צורות הנדסיות שיש לנו באוזן? למה לא פשוט מעין צורה של "משפך"?

אנחנו כבר יודעים שצורה של דברים יוצרת פונקציית העברה, אז למה לא ליצור פונקציית העברה באוזן שתשמש כמעין פילטר?

נחשו מה? צדקתם! זה בדיוק מה שקורה, המוח שלנו משתמש בפונקציית העברה אשר נוצרת באוזניים שלנו על מנת לקבוע את גובה הבמה.

 

למעשה חלק מהצלילים שמגיעים לאוזן החיצונית נכנסים ישר פנימה, אבל חלק משתקפים בעזרת כל הפיתולים\כפלים שיש לנו ונכנסים לאוזן האמצעית מונחתים או מוגברים, בשלב הזה המוח שלנו למעשה מבצע השוואה של התדרים שהוא יודע\למד כתוצאה מפונקציית ההעברה ומשתמש בכל המידע הזה על מנת לקבוע את גובה הבמה, לכל אחד ואחד מאיתנו פונקציית העברה יחודית.

 

לסיכום, מבלי להיכנס להסבר יותר מידי טכני, למדנו היום איך אנחנו שומעים, לכל מי שעוניין להרחיב אפשר להמשיך לקרוא פה.

עכשיו אחרי שאנחנו יודעים את זה, אפשר להמשיך לנושא הבא, בהמשך השבוע ננסה לחקור את נושא נקודות החיתוך\פאזות\פויינט סורסינג ומה שבינהם, כמה, למה, איפה ואיך כל הסיפור הזה משליך על הבמה.

 

מקווה שעזרתי.

 

דני.

[poz]

נחמד מאוד

כל הכבוד

[roni_n]

דני כל הכבוד, ישר כוח

 

אכן פרופסור (לא כמו אליקו קור) אך בהחלט נאמר המשפט:

 

"מכל מלמדי השכלתי", המשך כך...

 

תודה רבה

רוני נ.

[raanan_t]

כיף לקרוא, ועכשיו גם כיף לשאול.

 

אני עדיין תקוע בקטע של המישור האופקי. ברור לי כיצד האוזן האנושית והמח מצליחים לזהות כיוון של צליל מצד ימין או שמאל. אני מנסה להבין כיצד המח מבדיל בין צלילים על המישור האופקי אך הפעם בכיוונים קדימה\אחורה. אני יכול לחשוב רק על אפקט ה"הצללה" שנוצר כאן כתוצאה ממבנה האוזן, אך זה לא יסביר לי מה קורה בתדרים שמתחת ל-1.5KHz.

 

אשמח להסבר,

 

רענן.

[FOREVER ANGEL]

המוח שלנו משתמש בפונקציית העברה אשר נוצרת באוזניים שלנו על מנת לקבוע את גובה הבמה.

אהבתי מאוד

[dannyg]

raanan,

 

אני מקווה שהבנתי את השאלה שלך, אני אנסה לענות, אם אני טועה פשוט תתקן אותי, האמת פעם ראשונה שאני חושב על זה גם, אבל אני אנסה לענות לפי מיטב יכולתי.

העובדה שיש לך רמקולים מאחורה לא נוגדת את מה שנאמר פה, עדיין לרמקולים מאחורה לוקח X זמן להגיע לאוזן ולרמקול מקדימה לוקח Y זמן להגיע לאוזן, כלומר הזמן שבו האוויר הנע המסיע את אות השמע מגיע לאוזן הוא עדיין שונה בין אחורה לקדימה, הזמן שלוקח לרמקול מאחורה ארוך יותר, ז"א עדיין יש לנו את האפשרות לעשות השוואה ועל ידי כך בעצם לפענח מיקום.

 

מקווה שעזרתי, דני.

[raanan_t]

אנסה למקד את השאלה.

כיצד המח מבדיל, במיקום ממנו בוקע הצליל, בין תדר 1KHz שבוקע מרמקול שנמצא במרחק X בדיוק מול המאזין לבין צליל שבוקע מאותו הרמקול באותו התדר ובאותו המרחק, אך הפעם בדיוק מאחורי המאזין?