Создание иллюзии источника звука и изменение ее параметров

Размещено на http://www.allbest.ru/

Создание иллюзии источника звука и изменение ее параметров

Введение

На создание моей дипломной работы повлияла компьютерная игра «Battlefield 3» (шутер от первого лица.)

Как-то раз, во время игры, со стола упал динамик. Звуки в игре перестали быть реалистичными. Не понятно было, с какой стороны находится соперник. Не возможно было определить положение игроков по звуку от выстрела пульи т.п.

И тут меня осенила идея, воссоздать иллюзию источника звука использую всего 4 динамика и аудиозапись, которая по задумке должна создать иллюзию движения поезда вокруг меня. Такой же эксперимент провела компания «Yamaha», которая с помощью изменения параметров пыталась минимизировать количество динамиков для создания иллюзии источника звука или, как сейчас называют 3D эффект. Вдохновленный новой идеей я принялся за работу.

Основные понятия

Иллюмзия -- искаженное восприятие реально существующего объекта или явления. Иллюзии могут возникать у психически здоровых людей. Разновидность иллюзий:

§ Физические -- связаны с действующими в мире объективными законами физики (например, оптическая иллюзия: ложка, частично погруженная в стакан с водой, воспринимается как надломленная).

§ Оптические иллюзии -- ошибки в зрительном восприятии, вызванные неточностью или неадекватностью процессов неосознаваемой коррекции зрительного образа.

§ Звуковые иллюзии, например, тон Шепарда.

§ Физиологические -- связаны с особенностями периферических или центральных звеньев анализаторов (органов чувств) человека (например, если несколько раз поднять одновременно обеими руками пару различных по массе предметов, а затем другую пару предметов одинаковой массы, то предмет, оказавшийся в руке, в которой до того был более легкий, покажется более тяжелым, чем предмет, находящийся в другой руке) (см. Установка (психология)).

§ Аффективные -- возникают под влиянием выраженных колебаний настроения или в связи с остроформирующимся аффектом страха, тревоги.

§ Вербальные -- возникают в результате искаженного восприятия реальных разговоров окружающих людей.

§ Органические (метаморфопсии) -- искаженное зрительное восприятие формы, величины, цвета, пространственного расположения, состояния покоя или движения реально существующего предмета; различают аутометаморфопсии(ощущения изменения величины, формы частей собственного тела) и экзометаморфопсии (нарушения восприятия окружающих предметов); данный вид расстройств восприятия может наблюдаться не только у психически больных, но и у психически здоровых людей с патологией органа зрения.

§ Иллюзии осознаваемости (воплощенной осознаваемости) -- ощущение, что рядом якобы кто-то находится; этот вид иллюзий выделен К. Ясперсом; по мнению автора, данный вид иллюзий является признаком формированиягаллюцинаций и бреда.

§ Парейдолические (функциональные иллюзии) -- особый вид иллюзий, при которых из сложных узоров (на ковре, зимнем стекле) возникают и постепенно развиваются сложные фантастические картины.

Цель, гипотеза

Исследовательский вопрос:

· Возможно ли создать в домашних условиях звуковую систему которая могла бы создавать иллюзию звука в пространстве?

Гипотеза:

· Изменяя различные параметры при создании иллюзии источника звука, иллюзия источника звука будет смещаться в пространстве.

Цели:

· Исследовать, как создается иллюзия звука в пространстве

· Собирать установку из 4 динамиков и звуковой карты( за место звуковой карты использовался домашний ПК)

· Выяснить, какое наименьшее количество динамиков потребуется для создания иллюзии источника звука

· Провести эксперименты, изменяя различные параметры.

· Сделать вывод.

Введения в теорию

Выйдите на балкон или на улицу, закройте глаза и сосредоточьтесь на своих слуховых ощущениях. Уверен, что многие из вас будут удивлены тем, насколько объемной на самом деле является звуковая панорама -- голоса людей, пение птиц, звук проезжающих мимо автомобилей. Только лишь на основании своих слуховых ощущений вы без труда сможете сделать выводы о расположении этих звучащих объектов, о том, на каком расстоянии они находятся, являются ли они статичными или движущимися и пр.

Ощущение объемности окружающих нас звуковых образов является привычным, но мало кто из нас задумывается над тем, какие именно механизмы восприятия позволяют нам слышать трехмерное пространство и в точности определять направление и расстояние до звуковых источников. Помимо направления в горизонтальной плоскости наши уши позволяют также сделать выводы о высоте звучащего объекта. Мало кто из людей задумывается над тем, каким образом мы можем услышать 3-мерное звуковое пространство, будучи «вооруженными» только лишь двумя ушами. Ответ на этот вопрос кроется в устройстве человеческого слухового аппарата, которое будет рассмотрено чуть ниже.

Современные системы домашних развлечений разрабатываются и создаются для того, чтобы вызвать у человека максимальный эмоциональный отклик, погрузить его в действие кинофильма, прослушиваемую музыку или компьютерную игру настолько, чтобы он на время забыл о реальности окружающего мира и полностью погрузился в реальность «виртуальную». Естественно, для достижения данной задачи необходимо, чтобы действие, происходящее на экране, вызывало у человека эмоциональный отклик, качество изображения также должно быть максимальным, приближенным к тем картинам, которые мы привыкли видеть в реальной жизни. Хорошо известно также и то, что значительная часть информации об окружающем мире (более 25%) приходится на звук. Качественное объемное звучание -- залог того, что человек получит максимальный эмоциональный заряд от кинофильма или музыкального исполнения.

Современные системы домашних развлечений разрабатываются и создаются для того, чтобы вызвать у человека максимальный эмоциональный отклик, погрузить его в действие кинофильма, прослушиваемую музыку или компьютерную игру настолько, чтобы он на время забыл о реальности окружающего мира и полностью погрузился в реальность «виртуальную». Естественно, для достижения данной задачи необходимо, чтобы действие, происходящее на экране, вызывало у человека эмоциональный отклик, качество изображения также должно быть максимальным, приближенным к тем картинам, которые мы привыкли видеть в реальной жизни. Хорошо известно также и то, что значительная часть информации об окружающем мире (более 25%) приходится на звук. Качественное объемное звучание -- залог того, что человек получит максимальный эмоциональный заряд от кинофильма или музыкального исполнения.

Традиционным решением задачи по созданию объемного звучания в комнате прослушивания является построение многоканальных систем, в которых звук передается фронтальными, центральным и тыловыми громкоговорителями. С их помощью можно добиться очень равномерной и правдоподобной звуковой панорамы, при которой эффекты будут окружать слушателя именно таким образом, как задумал звукорежиссер. Для того чтобы повысить достоверность воспроизведения, многие производители аудиотехники предлагают идти по пути увеличения количества каналов (и, соответственно, громкоговорителей), строя уже не пяти-, а шести-, семи- и даже девятиканальные системы домашнего кинотеатра. Резоны производителей понятны. Построение многоканальных аудиосистем действительно является самым верным способом повысить достоверность воспроизведения. Кроме того, увеличение количества каналов, естественно, требует увеличения количества акустических систем, длины коммутационных проводов, применения более сложных и более дорогих усилителей, а следовательно, позволяет увеличивать прибыль от продажи оборудования.

Впрочем, находятся компании, которые идут по другому пути, предлагая не увеличивать, а, наоборот, уменьшать количество каналов воспроизведения. Они совершенно справедливо считают, что далеко не всем потребителям необходимы многоканальные аудиосистемы. Для кого-то это неприемлемо по экономическим соображениям, кто-то не может выделить под систему домашних развлечений специальную комнату, в которой можно было бы проложить все необходимые коммутационные провода и выделить место для установки тыловых громкоговорителей, у кого-то уже есть «нормальная» большая система домашнего кинотеатра, и он хочет построить дополнительную (резервную) систему в маленькой комнате -- спальне, кабинете или детской комнате, в которой также хочется «малой кровью» получить объемное звучание. Казалось бы, что получение объемного звука без использования тыловых громкоговорителей, очевидно, не возможно. Если сзади нет звукового источника, то и звуку там неоткуда взяться. Впрочем, очевидность данного утверждения можно поставить под сомнение одним простым утверждением. У человека всего лишь два уха, которые обеспечивают его всей необходимой информацией о расположении источника звукового сигнала, а это значит, что для ее передачи по идее достаточно всего лишь двух громкоговорителей (наушников или акустических систем), воспроизводящих аудиосигнал, в котором эта информация содержится.

Человеческий слух

Основной особенностью нашего слуха, которая позволяет определить место расположения звукового источника в пространстве, является его бинауральное строение -- т. е. тот неопровержимый факт, что человек имеет 2 приемника звуковой информации (уши). Звуковые сигналы, воспринимаемые нашими ушами, обрабатываются в периферической части слуховой системы, подвергаются спектрально-временному анализу, после чего информация поступает в соответствующие отделы головного мозга, где на основе анализа сравнения сигналов, поступивших с каждого из слуховых каналов, делаются выводы о месте расположения звукового источника.

Человеческий слуховой аппарат представляет собой очень эффективное устройство, созданное природой. Удивительным является то обстоятельство, что для большинства звуковых сигналов мы можем определить месторасположение источника с очень высокой степенью достоверности. Конфигурация ушной раковины позволяет осуществлять пространственное декодирование поступающих сигналов и подавать на барабанную перепонку звуковой сигнал, в котором уже содержится информация о месторасположении источника в пространстве.

Очень интересным является то обстоятельство, что для определения месторасположения звукового источника в пространстве слуховая система использует не один, а несколько механизмов, каждый из которых наиболее эффективен при решении определенной задачи.

Механизмы слухового восприятия принято делить на основные и вспомогательные. К основным механизмам обычно относят локализацию по разнице амплитуд приходящих сигналов, временной разнице, а также спектральным различиям звука в правом и левом слуховых каналах. К вспомогательным механизмам обычно относят отражения звука от туловища и плеч человека, анализ реверберационных эффектов, а также эффект психологического восприятия, приводящий слышимое расположение звукового источника в соответствие с его расположением, которое мы видим глазами.

Основные механизмы слухового восприятия

Локализация по уровню интенсивности

Этот механизм основан на том, что при излучении звука источником, расположенным под определенным углом к фронтальному направлению, уровень звукового давления на барабанные перепонки в разных ушах будет различным. Это связано с тем, что одно ухо будет находиться как бы «в тени», которую создает голова и туловище. Естественно, разница в уровнях звукового давления на барабанные перепонки будет зависеть от угла расположения источника. Анализируя эту разницу, наш мозг способен сделать вывод о направлении на источник звука. Данный механизм, основанный на разнице уровней интенсивности сигналов, поступающих к ушам, является достаточно эффективным, но лишь на звуковых частотах более 2000 Гц. При длине звуковой волны, сравнимой с диаметром человеческой головы, дальнее от источника ухо перестает находиться в «акустической тени», что обусловлено явлением дифракции звуковой волны на поверхности головы.

Локализация по временной разнице

На более низких частотах в действие вступает механизм анализа фазового сдвига звуковых сигналов, приходящих к разным ушам. За счет «разнесенности» ушей в пространстве звуковой сигнал, приходящий от источника, расположенного под некоторым углом к фронтальному направлению, затрачивает различное время для достижения барабанных перепонок в разных ушах. Это приводит к появлению фазового сдвига в сигналах, пришедших к разным ушам. Данный фазовый сдвиг может быть проанализирован мозгом, и на основании этого анализа делается вывод о направлении на звуковой источник. С повышением частоты (а соответственно, с уменьшением длины звуковой волны) фазовый сдвиг сигналов, пришедших от одного и того же источника к разным ушам, увеличивается, и как только он достигает значения, близкого к половине длины звуковой волны, данный механизм локализации перестает работать, поскольку наш мозг не может однозначно определить, отстает ли звуковой сигнал в одном из слуховых каналов от другого или, наоборот, опережает его. Естественно, чем больше угол между направлением на звуковой источник и плоскостью симметрии человеческой головы, тем больше фазовый сдвиг в пришедших к ушам сигналах. Соответственно, с повышением частоты звука угол, в котором мы можем локализовать источник, пользуясь данным механизмом, уменьшается

иллюзия звук динамик объемный

Введение в практическую часть

Разобравшись в теоретическом материале о создании звуковой системы, мне удалось собрать установку для дальнейших исследований. Для этого потребовалось.

§ 4 Динамика по 30 Ват

§ Провода и переходники, соединяющие динамики с ПК.

§ Аудиозапись.

После сбора установки. Настало время провести ряд экспериментов по изменению различных параметров.

§ Угол между динамиками.

§ Высота расположение динамиков.

§ Расстояние от центра до динамиков.

§ Угол наклона динамиков.

§ Задержка сигнала на динамики.

Угол между динамиками.

Так, как известно Фронтальные динамики должны быть симметричны друг другу, как и тыловые, по этому изменяя на какое то количество градусов мне приходилось менять у 2 динамиков сразу.

Изменять угол сразу всех динамиков не имеет смысла, поскольку изменения тогда будут компенсироваться и не чего происходить не будет.

И тогда разделив эксперимент на 2 части, сначала с фронтальными, а потом с тыловыми. Для достоверности эксперимента и более точных наблюдений изменял угол между динамика на больший угол.

С фронтальными динамиками

С тыловыми динамиками.

Вывод: Проведя этот эксперимент, стало ясно, что от незначительного изменения угла между динамиками не изменяет и не смещает иллюзию источника звука.

Изменяя значительно, иллюзия источника звука смещается к центру или отдаляется на столько, на сколько смещены динамики.

Расстояние от центра.

Следующий эксперимент основан на том, что меняя расстояние динамиков от центра как изменение особого параметра и наблюдение за изменение местоположения иллюзии источника звука.

Вывод: От незначительного изменения растения динамиков от центра . иллюзия источника звука не изменяет свое расположение в пространстве.

Изменения высоты расположения динамиков

Проверяя, как переместится иллюзия источника звука, в пространстве изменяя высоту, при этом меняя высоту всех динамиков одновременно.

Вывод: Проведя этот эксперимент, было понятно что чем выше находятся динамики тем выше будет располагаться в пространстве иллюзия источника звука. И так как стандартная высота расположения динамиков 1 метр и если не значительно изменить высоту то изменений наблюдается не будет.

Изменение угла наклона динамиков

В этом эксперименте изменяя угол наклона динамиков нужно было понять, как и куда перемещается иллюзия источника звука.

Так как нету смысла изменять угол наклона у каждого динамика по отдельности, изменять надо было все сразу с помощью обычного транспортира.

Вывод: Меняя угол наклона вверх или в низ, заметил, что не важно, куда наклонен динамик. Результат будет один и тот же. Тут зависит от того, на сколько он наклонен. Если изменение не значительное, то звук остается объемным, но если изменить угол достаточно сильно, то звук перестает быть объемным или просто становится заглушенным.

Изменение задержки сигнала

Но для того чтобы изменять задержку сигнала, нужно было выяснить, если ли какая либо задержка

Для этого эксперимента потребовалось каждый динамик по отдельности при воспроизведении аудиозаписи (звук детского железной дороги).

Были по очереди отключены динамики так чтобы в установке оставался всего 1 динамик , при этом не меняя есть местоположение.

После этого включая аудиозапись, микрофон реагировал на звуковые эффекты и фиксировал время которое было с моменты включения записи до первого звукового сигнала на этом динамике.

Экспериментальное доказательство наличия задержки сигнала

Эксперимент показал что есть особая задержка звукового сигнала для того чтобы создать иллюзию реального движения детской железной дороги.

Но для достоверности и уточнения данных, пришлой провести этот эксперимент еще 5 раз.

Задержка измеряется в миллисекундах. Изменяя на 100ms нужно было увидеть, что будет происходить с иллюзией источника звука.

И чем больше задержка, тем дальше распложалась от центра иллюзия источника звука. Если изменять не значительно в диапазоне от 10ms до 50ms, то не каких изменений не наблюдается из-за ничтожно малых изменений.

Схематично выглядит вот так траектория детской железной дороги(точнее ее издаваемый звук этой железной дороги.).

А так схематично выглядит детская железная дорога, а точнее ее звучание если изменить задержку.

Увеличив задержку сигнала форма железной дороги по которой едет поезд изменилась. Отдалилась точка которую умышленно изменил, а все близ лежащие точки изменились и расположились по параболе.

Вывод

Проведя все эксперименты, я выявил лучшие параметры расположения динамиков для создания объемного звука или иллюзии источника звука:

1. Угол между динамиками: Фронтальные 45є±5є, а тыловые 110є±10є

2. Высота расположения динамиков h=1м

3. Угол наклона динамиков б=10є-15є

4. Но задержку сигнала изменять не рекомендуется, поскольку будет изменена звуковая задумка той или иной аудиозаписи или видеозаписи

При незначительных изменениях всех этих параметров не будет ни каких изменений или изменения будут настолько малы, что человеческое ухо не будет этого замечать. Но изменяя параметры больше допустимого приведет к большим изменениям: или смещение иллюзий источников звука пространстве, или к заглушению звука, что в прочем и показали данные эксперименты.

Список литературы

http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%98%D0%BB%D0%BB%D1%8E%D0%B7%D0%B8%D1%8F

http://ru.yamaha.com/ru/products/audio-visual/

http://www.google.ru/

http://krasnoyarsk.dns-shop.ru/

Размещено на Allbest.ru