3D Geluid Uitgelegd

3 reacties
Inhoudsopgave
  1. 1. Inleiding
  2. 2. Wat is 3D geluid precies?
  3. 3. Hoe hoort een mens 3D?
  4. 4. De werking van A3D
  5. 5. A3D in de praktijk
  6. 3 reacties

Hoe hoort een mens 3D?

Iedereen die denkt dat het belachelijk is dat met twee speakers (of een koptelefoon) 3D geluid kan worden weergegeven, moet eens het volgende bedenken: de mens heeft ook slechts twee oren, en daarmee kan wel degelijk 3D geluid worden waargenomen. Als je hierover nadenkt lijkt het op het eerste gezicht allebei even onwaarschijnlijk, hoewel je toch van jezelf zeker weet dat de laatste opmerking zeker klopt. Hier is ook het grondbeginsel van A3D op gebaseerd: als het voor de mens mogelijk is om met twee oren 3D geluid waar te nemen, moet het ook mogelijk zijn om met twee geluidsbronnen 3D geluid weer te geven. Dat dit klopt zien we verderop in dit artikel. Belangrijk is dan wel om te weten HOE een mens met slechts twee oren 3D geluid waarneemt.

IID en ITD

Zoals je je wellicht wel voor kunt stellen nemen onze beide oren slechts een “mono” geluidssignaal weer. Het zijn dan ook de hersenen die uit de verschillen tussen het signaal van het linker oor en het rechter oor de positie van de geluidsbron moeten bepalen. De belangrijkste methoden bij het waarnemen van 3D geluid zijn de zogenaamde IID (Interaural Intensity Difference) en ITD (Interaural Time Difference).

We zullen eerst kijken naar IID, oftewel het geluidssterkte verschil tussen de signalen opgevangen in beide oren. Onderstaande afbeelding illustreert de werking van IID zeer goed:

Aangezien onze oren zich een aantal centimeters van elkaar af bevinden zal een geluidsbron die zich dichter bij het ene oor bevindt ook in dat oor een harder signaal veroorzaken dan in het andere oor. In de afbeelding is duidelijk te zien dat de geluidsbron, die voor de luisteraar zich aan de linker kant bevindt, bij het linker oor een stuk harder signaal dan aan de rechter kant genereert. Dit alles is te verklaren door het feit dat de geluidsintensiteit kwadratisch afneemt bij vergroting van de afstand. De hersenen werken dan nu als rekenmachine en kunnen de relatieve afstand van de geluidsbron berekenen. De wiskunde afleiding hiervan is overigens gelukkig erg makkelijk. Voor de intensiteit van een geluidsbron op een bepaalde afstand r kunnen we de volgende formule gebruiken:

Waarbij prms de geluidsdruk van de geluidsbron is, en Z de oppervlakte van een bol met straal r om de geluidsbron heen. Aangezien Z = 4pr2 en prms constant is kunnen we nu makkelijk een maat voor de relatieve afstand vinden:

De verhouding van de geluidsintensiteit van beide oren is dus gelijk aan de verhouding van de kwadraten van de afstanden van beide oren tot de geluidsbron.

Een tweede belangrijke factor is de ITD, oftewel het tijdsverschil tussen de aankomst van het geluid bij beide oren. Ook hier zal een afbeelding e.e.a. weer een stuk duidelijker maken:

Aangezien geluid een eindige snelheid heeft (in lucht ca. 343 m/s) zal een geluidssignaal vrijwel nooit tegelijkertijd bij beide oren aankomen. D.m.v. dit tijdsverschil kunnen de hersenen o.a. de juiste hoek van de geluidsbron bepalen. Indien de geluidsbron namelijk precies van links of van rechts komt is de ITD maximaal. Als de geluidsbron precies voor de luisteraar staat is de ITD gelijk aan 0. De waardes die hier tussen liggen zijn een maat voor de hoek van de geluidsbron. Als we de breedte van ons hoofd schatten op 15 cm zal de ITD maximaal 4,3*10-4 seconden bedragen.

De oorschelp

Een ander systeem dat de hersenen hanteren bij het lokaliseren van het geluid is de oorschelp. Deze oorschelp kan namelijk worden opgevat als een variabel filter dat midden tonen versterkt en hoge tonen verzwakt afhankelijk van de hoek waarmee ze binnen vallen. Onderstaande afbeelding laat bijvoorbeeld het verschil in geluidsspectrum zien tussen het geluidssignaal van de geluidsbron en het geluidssignaal nadat het door de oorschel is opgevangen.

Door deze spectraveranderingen van beide oorschelpen te vergelijken kunnen de hersenen zeer nauwkeurig een driedimensionale hoek van de afkomst van het geluidssignaal berekenen. Hoe dit precies gebeurt is helaas nog steeds onbekend. Ook zijn er nog vrijwel geen wiskundige modellen van de oorschelp, zodat we van deze methode geen wiskundige afleiding kunnen geven. Aangezien de oorschelp relatief klein is, kunnen alleen frequenties met een golflengte van enkele centimeters of kleiner worden gefilterd door de oorschelp. Een geluidssignaal van 686 Hz heeft een golflengte van 343/686 = 0,5 meter. Een dergelijk laag geluid zal zowel door de oorschelpmethode, als door de IID/ITD methode moeilijk te lokaliseren zijn. Een geluidssignaal van 6860 Hz met een golflengte van 343/6860 = 0,05 meter (= 5 centimeter) zal daarentegen met beide methode goed te lokaliseren zijn. Dat dit klopt kun je zelf makkelijk uitproberen. Als je de stereotoren aanzet en je ogen sluit, zijn de tweaters (hoge tonen speakers) makkelijk te lokaliseren, maar het lage geluid lijkt overal vandaan te komen.

Verdere geluidseffecten (geluids absorptie, reflecties)

Verder zijn er ook nog enkele andere methoden om de locatie van 3D geluid te bepalen. Zo wordt een zacht gedempt geluid van zeer ver weg geïnterpreteerd en een zeer gedempt geluid vanuit een andere ruimte, gescheiden door muren. Onderstaande afbeelding toont deze absorptiecoëfficiënt.

Ook zijn reflecties zeer belangrijk: als geluid weerkaatst wordt door muren komen bij onze oren meerdere varianten van hetzelfde geluidssignaal aan. Met moeilijke berekeningen kunnen onze hersenen dan extra nauwkeurig de locatie van de geluidsbron bepalen en ook tevens veel informatie vergaren over de omgeving. Mensen met goed getrainde oren (bijvoorbeeld blinden) kunnen door geluid precies bepalen waar een muur staat e.d. Onderstaande afbeelding toont enkele reflecties van een geluidsbron naar de luisteraar toe:

Als laatste spelen psychologische methoden ook mee. Als we het geluid van een helikopter horen zullen onze hersenen meteen interpreteren dat dit geluid van boven komt. Het geluid van een blaffende hond daarentegen wordt meteen vanaf beneden geïnterpreteerd.

0
*