Binaurální zpracování zvuku aneb 1 + 1 > 2 Interaurální diference zvuku •Časová •Intenzitní •Fázová Zdroj zvuku Časová interaurální diference (Interaural Time Difference – ITD) • Dána rychlostí zvuku • Závislá na směru přicházejícího zvuku • Maximální hodnota pro hlavu: 0,65 ms • Minimální subjektivně detekovatelná hodnota: 0,01 ms (pro 500-1000Hz) ITD Zdroj zvuku Intenzitní interaurální diference (Interaural Level Difference – ILD) • Důsledek akustického stínu hlavy • Interakce zvuku s pevným objektem • Vztah vlnové délky a velikosti překážky • Ohyb zvukových vln • Odraz zvukových vln Zdroj zvuku Akustický stín 200 Hz 7000 Hz nestíněno stíněno Vliv akustického stínu hlavy •Interaurální rozdíl jako funkce azimutu azimut 0 st. 45 st. 90 st. --------- frekvence • 200 Hz 0 dB 2 dB 3 dB 1000 Hz 0 dB 7 dB 8 dB 2200 Hz 0 dB 9 dB 9 dB 4000 Hz 0 dB 13 dB 13 dB 7000 Hz 0 dB 15 dB 19 dB Shaw, E.A.G.: Transformation of sound pressure level from the free field to the eardrum in the horizontal plane. J Acoust Soc Am 1974, 56, s. 1848-1861 Fázová interaurální diference (Interaural Phase Difference - IPD) • Bez posunu fáze • Posun o 90 stupňů • Posun o 180 stupňů Směrové slyšení • Interaurální rozdíl časový, intenzitní a fázový • Koule • Lze identifikovat úhel přicházejícího zvuku • Nelze odlišit ZEZADU versus ZEPŘEDU a SHORA versus ZDOLA • Hlava • Uši jsou umístěny mírně vzadu • Přítomnost a tvar boltců • Kraniálně od uší lebka, kaudálně od nich ramena • Lze identifikovat úhel přicházejícího zvuku • Lze přesně odlišit ZEZADU versus ZEPŘEDU a SHORA versus ZDOLA Směrové slyšení u člověka • Schopnost získaná • Objevuje se kolem 6.měsíce života • Minimum Audible Angle (MAA) u dospělého • Horizontální rovina: 1 úhlový stupeň • Vertikální rovina: 4 úhlové stupně • Head-related Impulse Responses • Frekvenčně-specifické měření definovaného impulsu před bubínkem aplikovaného z různých směrů • Vliv boltců, hlavy, ramen na ITD, ILD a IPD • Vysoce idiosynkratické výsledky • Deformace boltců zhorší přesnost směrového slyšení • Možnost nové adaptace pomocí vizuálního feedbacku • Odstranění boltců naruší lokalizaci kvadrantů • Vpředu versus vzadu Odhad vzdálenosti zdroje zvuku • ITD a ILD • Pohyby hlavou • Úbytek energie se čtvercem vzdálenosti • -6dB se zdvojnásobením vzdálenosti zdroje zvuku • Zkušenost • Předpoklad úbytku hlasitosti s narůstající vzdáleností • Reverberace • Vzdálenější zdroj zvuku obsahuje více reverberačních prvků • Čím větší vzdálenost, tím více Sluchová percepce prostoru •Prostorová orientace nevidomých •Činoherní scéna: krátký reverberační čas •Operní scéna: delší reverberační čas Detekce a identifikace zvuku na pozadí šumu (Binaural Unmasking) •Ucho se silnějším signálem (Better Ear): vliv ILD •Mezistranové diference času a fáze (Směrový vjem): ITD a IPD •Binaural Masking Level Difference (BMLD) (Redukce maskovacího prahu) až 15dB při IPD 180° Poslech řeči v cocktail party • Jeden největších problémů nedoslýchavých •Slyším, ale nerozumím ! Výzkumy v kognitivní psychologii •Dichotické testy (Attended x Unattended ear) • Cherry (1953) A: rozumění a zapamatování si slov, U: téměř nic si nepamatovali • Broadbent (1958) Zpracovává se signál pouze z A, signál z U se téměř nezpracovává • Triesman (1964) Zpracovávány jsou oba signály Trénink přináší lepší výsledky Výzkumy v kognitivní psychologii •Testy ve volném poli • Spence & Driver (1994) Reakce na zvuk je rychlejší, pokud subjekt ví, odkud přijde • Culling & Summerfield (1995) Zdůraznili princip „Binaural unmasking“ ITD, ILD, IPD • Darwin & Hukin (1999) Prostorové zaměření pozornosti • Arbogast et al. (2005) Frekvenčně a amplitudově modulovaná řeč dává vyšší kontrast Řeč z akustického hlediska • Řeč: • Složitý a dynamicky se měnící akustický signál • Souhlásky: šumy, resp. šumy + základní hrtanový tón • Samohlásky: složené tóny Záznam hlasu autora Sonagram české slovní audiometrie Software lingWAVES 2.5., 2.dekáda slovní audiometrie Sonagramy jednotlivých SNR SNR +10 dB SNR 0 dB SNR -10 dB SNR - 20 dB Software lingWAVES 2.5., 2.dekáda slovní audiometrie Poslech řeči v cocktail party • Řeč: • Složitý a dynamicky se měnící akustický signál • Souhlásky: šumy, resp. šumy + základní hrtanový tón • Samohlásky: složené tóny • Podobně jako u Binaural Unmasking • Ucho se silnějším signálem: vliv ILD • Mezistranové diference času a fáze: ITD a IPD • Binaural Masking Level Difference (BMLD): až 15dB při IPD 180° • + složité děje v periferním i centrálním sluchovém orgánu vedoucí ke zvýšení poměru signál-šum (SNR) • Zapojení vláskových bb na mediální a laterální olivokochleární svazky • Horní olivární komplex • Zpracování zvuku ve sluchových centrech • Komisurální a asociační dráhy Engström, H., Engström, B.: The Ear. Uppsala, Sweden, June 1988 https://en.wikipedia.org/wiki/Binaural_fusion Olivo-kochleární svazky http://jn.physiology.org/content/108/2/491 Olivo-kochleární svazky http://jn.physiology.org/content/97/2/1775 Binaurální sumace • Centrální zvýšení hlasitosti slyšeného zvuku při poslechu oběma ušima současně • HTL: +3dB • MCL: +6dB Autor v audiometrické komoře Párové smyslové orgány • zdvojení funkce • vzájemné doplnění funkce • synergický efekt Základní výhody binaurálního slyšení • prostorové slyšení • určení směru přicházejícího zvuku • odhad vzdálenosti zdroje zvuku • sluchová percepce prostoru • binaurální sumace • eliminace vlivu akustického stínu hlavy • zvýšení SNR Prostorové slyšení • určení směru přicházejícího zvuku • odhad vzdálenosti zdroje zvuku • sluchová percepce prostoru • Viz výše Binaurální sumace • Dvěma ušima slyšíme hlasitěji než jedním Eliminace akustického stínu hlavy • Jeden zdroj zvuku = nikdy nemohou obě uši ležet současně v akustickém stínu hlavy • Jedno ucho tak vnímá plnohodnotný, spektrálně neochuzený akustický signál Potlačení informačního šumu v CNS (central squelch) • Řeč + balastní zvuky • Maskování řečového signálu = zhoršení srozumitelnosti řeči • Časový, intenzitní a fázový interaurální rozdíl – zvýšení poměru signál-šum v CNS – zvýšení srozumitelnosti • Příznivější je situace, kdy řeč a šum přicházejí z různých směrů Monaurální poslech u normálně slyšících osob •Absence binaurální sumace – o 30% horší •Vliv akustického stínu hlavy – horší o 20-50% dle použité sestavy slov, event. kombinace s rušivým signálem •Centrální squelch – zhoršení až o 70% •Porucha směrového slyšení – odchylka 60-100 úhlových stupňů Závěry •Binaurální poslech je výhodnější než monaurální •Hlavní výhody binaurálního poslechu jsou: • prostorové slyšení • binaurální sumace • eliminace akustického stínu hlavy • zvýšení poměru signál-šum v centrálním sluchovém orgánu (zlepšení srozumitelnosti řeči v hluku)