Локализация звука
До сих пор мы сосредоточивали свое внимание на так называемом "монотическом" и "диетическом" */"Monotic" - стимул, сообщаемый только в одно ухо; "diotic" - один и тот же стимул, направленный в оба уха./ типе слуха. Теперь, однако, мы должны принять во внимание то, что система слуха имеет два входных канала. "Дихотический стимул" */"Dichotic" - различные стимулы на два уха. Бинауральное возбуждение может быть дихотическим в отношении нескольких характеристик или одной, например дихотическим по фазе, но диотическим по максимальной амплитуде и частоте./ особенно тесно связан с пространственной локализацией звуков.
Локализация источников звука. Стивене и Ньюмэн (1934, 1936а) отметили, что большинство ранних работ по локализации звука (см. Боринг, 1942) имело тот недостаток, что испытуемый находился в комнате с реверберацией и поэтому воспринимал звуки со всех сторон независимо от места расположения источника звука. Они делали попытки избавиться от действия отражения, для чего испытуемый помещался на сиденье, возвышающемся над крышей здания. Звук исходил из репродуктора, помещенного на конце вращающейся балки на уровне ушей испытуемого. Репродуктор всегда устанавливался справа от испытуемого, и положения его менялись через 15° по азимуту. Средняя погрешность двух испытуемых воспроизведена на фиг. 38, А. Указанная цифра, в которой не учтена путаница между симметричным расположением в передних и задних квадратах, показывает, что погрешность, связанная с локализацией, увеличивается с возрастанием частоты стимула до 3000 гц и затем значительно уменьшается для тона с частотой 10 000 гц.
Фиг. 38. Ошибки, допущенные при определении места расположения звукового источника в горизонтальной плоскости. На графике А показана средняя погрешность для различных тональных частот. Кружки и крестики обозначают различные серии наблюдений над чистыми тонами. Треугольниками обозначены "нечистые" тона. На графике В показан процент ошибочных данных в переднем и заднем квадратах (по Стивенсу и Ньюмэну, 1936).
Несовпадающие (ошибочные) данные, полученные при расположении источника впереди и сзади испытуемого, показаны на фиг. 38,Б. Вид обеих кривых подтверждает наблюдения Рейли (1907), Хорнбостеля и Вертгеймера (1920) в том отношении, что имеется две основы для локализации: одна для высокочастотных тонов и другая для низкочастотных.
Чистый тон, исходящий из источника справа от испытуемого, проходит более короткий путь до правого уха испытуемого, чем до левого. Следовательно, звуковое давление в каналах обоих ушей отличается друг от друга по фазе (или по времени прибытия данной фазы) и по максимальной амплитуде. Разница в амплитуде бывает значительной только при больших частотах, поскольку голова и ушная раковина действуют в качестве барьеров при высоких частотах более эффективно, чем при низких. Фазовые различия, как мы увидим, выявляются только при низких частотах. Поэтому можно заключить, что один механизм локализации звука (чистого тона) действует на основе данных интенсивности, а другой - на основе данных времени.
Когда физический звук сложен, каждый частотный компонент имеет как характерную бинауральную фазовую разность, так и характерное бинауральное отношение максимальных амплитуд. Более того, нельзя быть уверенным в том, что при сложном стимуле фазовый эффект ограничивается низкими частотами. Поэтому неудивительно, что сложные звуки локализуются легче, чем чистые тоны.
Данные интенсивности. Для изучения механизма звуковой локализации полезно отделить изменения по интенсивности от изменений во времени и исследовать их отдельно. Прежде всего можно определить, насколько звук должен быть более интенсивным для одного уха и затем для второго, до того как испытуемый заметит сдвиг в кажущемся источнике тона. Эптон (1936) и Форд (1942) определили этот разностный порог для тона в 800 гц и нашли, что он изменялся как функция интенсивности тона. Дифференциальная дихотическая чувствительность была наивысшей в пределах между 70 и 100 дб выше порога; на этих уровнях едва заметное различие составляло приблизительно 1 дб, что вдвое больше мензурального по интенсивности, определяемой по Ризу. Когда разница между значениями интенсивности выходит за пределы порога, то кажущийся источник звуковой волны двигается дальше в сторону расположения источника звука с большей интенсивностью. Согласно правилу, которого приблизительно придерживаются в данном случае, угол, измеряемый от средней линии, пропорционален логарифму отношения максимальной амплитуды (Стюарт, 1920, 1922, 1930, 1932).
Данные времени (фаза и время вхождения звука). Для определения отношения между фазовой бинауральной разностью и восприятием тонов проводились многочисленные опыты, но результаты пока спорны. Однако данные последних опытов совпадают в части ограничения значимости бинауральной фазы для чистых тонов до частот ниже 1500 гц или в ином случае - ниже 2000 гц (Лэнгмюр и др., 1944; Xирш, 1948а, с). Тон имеет тенденцию к локализации в направлении той стороны, к которой движется ведущая по фазе волна. Степень латерализации (бокового направления) возрастает с увеличением бинауральной фазовой разности до тех пор, пока звук не локализуется в одном ухе. Стюарт (1920, 1922) отметил, что угол отклонения от середины пропорционален бинауральной фазовой разности. Используя в качестве стимула тон с частотой 100 гц, Моне и Вуа (1946) обнаружили, что порог для бинауральной фазовой разности составлял менее 3° (разность времени 100 мксек) для лиц, практиковавшихся в определении местоположения самолетов по слуху. При применении щелчков и импульсов в качестве стимулов отмеченная бинауральная временная разность даже меньше, чем для низкочастотных тонов (Хорнбостел и Вертгеймер, 1920; Бине, 1927; Баллах, Ньюмэн и Розенцвейг, 1949).
Результаты, полученные при последних экспериментах, показаны на фиг. 39,А. Из графика видно, что, когда бинауральная разность во времени равняется нулю, испытуемый может иметь тенденцию к локализации звука в одной стороне, но временная разность в 30-40 мксек явно преобладает в статистическом смысле над его слухом. Если разность во времени увеличивается до 2-3 мсек, то испытуемый слышит двойной щелчок (треск), а более значительные временное разности дают два щелчка с различной локализацией.
Фиг. 39. Влияние бинауральной разности во времени на локализацию импульсивных звуков. Если единичный импульс направлен в одно ухо несколько раньше второго, он локализуется в сторону предшествующего стимула, как показано на графике А. Если стимул усложняется добавлением второго временнбго импульса дихотического колебания после интервала 1 мсек (В), то он воспринимается как одинарный щелчок (треск) и локализация звукового изображения определяется до некоторой степени второй разностью во времени, но в основном первой (С) (по Баллаху, Ньюмэну и Розенцвейгу, 1949).
Слух испытуемого, находящегося в комнате.с реверберацией, возбуждается не только звуковой волной, направленной прямо на него от источника звука, но также и отражением звука от стен. Единичный импульс у источника превращается в целый ряд парных импульсов в ушах слушающего, причем каждая пара имеет свое собственное значение бинауральной разности во времени. То, что происходит в подобных случаях, исследовалось Бекеши (1930), Ленгмюром и др. (1944), а также Валлахом, Ньюмэном и Розенцвейгом (1949). Результаты их исследований можно суммировать путем описания двух эффектов. Первый - одинаковые импульсивные звуки сливаются в одно слуховое ощущение, если они следуют друг за другом с небольшими промежутками. Второй - первая волна, достигшая ушей слушающего, стремится "захватить" механизм локализации раньше. Для примера рассмотрите положение стимула, схематически показанного на фиг. 39,В. Две пары односекундных колебаний представлены бинауральной разностью во времени для первой и второй пары и интервала между этими парами. Если интервал составляет более 2-3 мсек (и если разности во времени значительно короче интервал а), то испытуемый сообщает, что он слышит два щелчка. Если интервал сделать короче, то два щелчка сольются в двойной щелчок (или треск), а затем в одинарный щелчок, месторасположение которого будет приблизительно там, где находился первый щелчок в то время, когда были слышны два щелчка с более продолжительными интервалами. Превалирование первой пары колебаний над второй при определении лока-лизации показано на фиг. 39,С, где видно, какую величину должна иметь бинауральная разность во времени для нейтрализации второй бинауральной разности во времени, заданной величины и обратного знака. Наличие слияния и "предшествия" позволяют считать, что источники звука локализованы правильно, даже при наличии отражения звука.
Экстернализация. В экспериментах, в которых влияние данных интенсивности и времени разделено, необходимо направлять два тона отдельно к обоим ушам. Для этой цели обычно используются наушники. Интересно отметить, что тоны при этом локализуются внутри головы или очень близко к голове, что совершенно не похоже на локализацию при передаче звука по воздуху из фактического источника. Баллах (1938, 1939, 1940) предложил свою теорию, согласно которой экстернализация звука в последнем случае объясняется тем, что при движении головы испытуемого бинауральная фаза и отношения интенсивности могут изменяться, в то время как в лабораторных условиях это исключено (наушники двигаются вместе с головой), а следовательно, и не имеется сопутствующих изменений в акустическом стимуле.
Верхнее положение источника звука. Если бы звуки могли локализоваться в левом и правом направлениях только в горизонтальном плане, мы бы не смогли получать никаких чувственных данных, кроме только что указанных, а именно данных по интенсивности и временной зависимости. Но звуки могут также локализоваться и по направлению вверх. Проблема, однако, заключается в том, что, когда источник звука и голова испытуемого неподвижны, данные о высоте очень бедны. Для определения угла подъема испытуемый должен поворачивать голову. Баллах (1939) указал, что движения головы позволяют (при исключении зрения) получить чувственные данные, на основе которых можно судить о высоте, в то же время это дает представление о пространственном расположении звука. Он же обнаружил, что если источник звука вращался бы вместе с головой испытуемого в горизонтальном плане, то испытуемый сообщал бы, что звук идет сверху. Он установил, что единственное местонахождение источника звука, для которого горизонтальные повороты головы обычно не производят никаких изменений бинауральной фазы и интенсивности, - это положение звука прямо вверху и, возможно, прямо внизу. Таким образом, получается, что механизмом локализации звука учитываются не только слуховые данные, но и данные других чувственных систем.
Стереофоническая звуковая локализация. Попытки увеличить естественность воспроизведения звука привели к экспериментам с двух канальной звуковой передачей и стереофоническому воспроизведению звука. Идея простейшей двухканальной схемы заключалась в записи звуков двумя микрофонами, помещенными в таком же положении, как уши испытуемого (искусственного). Когда эти звуки направляются к удаленному от этого места испытуемому и поступают к нему через наушники, последний получает точно такую же звуковую картину, какая имелась бы в том случае, если бы он был на месте искусственного испытуемого. Эффект получается убедительным настолько, что если мимо манекена кто-то пройдет в подбитых гвоздями башмаках, то испытуемый невольно подбирает ноги, чтобы на них не наступили. Если для преобразования звука используются громкоговорители, то в данном случае проблема будет более сложной. Установлено, что можно достичь вполне естественного воспроизведения звука путем его записи посредством двух или более микрофонов и при последующем воспроизведеции двумя или более громкоговорителями (Штейнберг и Сноу, 1934; де Бо, 1940).