СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ СУБЪЕКТИВНОГО ТРЕХМЕРНОГО АКУСТИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА Российский патент 2002 года по МПК G09B23/14 

Изобретение относится к способам формирования субъективного трехмерного акустического пространства при прослушивании человеком звуковых сигналов, поступающих на наушники и обеспечивающих формирование иллюзии звучания источников звука (одного или нескольких, неподвижных или движущихся) различной локализации во внешнем (независимом от наушников) пространстве, окружающем слушателя, и может быть использовано при исследовании механизмов пространственного слуха человека, для диагностики нарушений функционирования слуховой системы, при тестировании и тренировке пространственной ориентации у человека-оператора, при создании акустических эффектов для музыкальных простановок или компьютерных игр.

Одним из известных способов исследования пространственного слуха человека с использованием головных телефонов (наушников) является способ, основанный на явлении латерализации, при котором субъективный звуковой образ локализуется внутри головы слушателя [1-5]. За длительное время его экспериментального применения было получено значительное число данных, касающихся основных механизмов обработки слуховой системой человека бинауральных (поступающих на два уха) акустических сигналов. Однако неестественное положение формируемого в этих условиях субъективного звукового образа - образ локализуется внутри головы слушателя - накладывает существенные ограничения на его применение как для исследования механизмов пространственной ориентации человека, так и для практического использования.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ формирования субъективного или так называемого "виртуального" акустического пространства, когда в условиях дихотической стимуляции (стимуляция через наушники) создаются экстернализованные звуковые образы, соответствующие сигналам, продуцируемым источниками звука с локализацией во внешнем (вне головы и вне наушников) пространстве [6,7]. Методической основой этого способа формирования "виртуальных" звуковых образов является измерение с помощью акустических зондов в ушных проходах (правое и левое ухо) человека или специального манекена [6,7,9] передаточных функций наружного уха с учетом движений головы, торса и т.д. Полученные зависимости "накладываются" с помощью ЭВМ на измеренную передаточную функцию наушников для воспроизведения в процессе звуковой стимуляции той волновой картины, которая была зафиксирована в слуховом проходе при звучании реального источника звука. Такой подход к формированию "виртуального" акустического пространства получил экспериментальное подтверждение в ряде психофизических исследований и составил основу для создания специального акустического дисплея, предполагающего возможность практического применения пространственной звуковой стимуляции в условиях операторской деятельности человека (например, при пилотировании самолета) [10,11].

Однако вышеописанный способ обладает существенным ограничением, связанным с необходимостью проведения акустических измерений при изменении положения источника звука в пространстве. Это ограничение затрудняет моделирование динамических параметров локализации (например, при движении источника звука) и формирование пространства, включающего несколько различных источников звука. Кроме того, характер проводимых измерений предполагает необходимость использования специальной анехоидной (безэховой) камеры большого размера, сложной конструкции для размещения большого количества (порядка нескольких десятков и даже сотен) динамиков, а также высококлассной акустической аппаратуры, например акустических зондов, позволяющих проводить точные и надежные измерения внутри слухового прохода уха человека.

Задачей настоящего изобретения является создание нового способа, обладающего простотой формирования субъективного трехмерного акустического пространства.

Для достижения данного технического результата в способе формирования субъективного трехмерного акустического пространства путем генерации сигналов, которые при предъявлении через головные телефоны воспринимаются слушателем как сигналы экстернализованного звучания, сигналы экстернализованного звучания генерируют за счет амплитудного преобразования огибающих сигналов, поступающих на правое и левое ухо слушателя, путем задания диапазона (величина, знак) и скорости изменения текущих бинауральных (межушных) различий стимуляции по амплитуде за время формирования сигнала.

Кроме того, экстернализованные сигналы генерируют на основе цифровой записи реальных акустических сигналов.

Экстернализованные сигналы могут быть также полностью синтезированы с помощью ЭВМ.

Данный способ не требует наличия анехоидной камеры и сложной конструкции для размещения большого количества источников звука, исключает процедуру предварительных измерений, проводимых с помощью внутриушных акустических зондов, а также необходимость сложных расчетов для воспроизведения полученных передаточных функций в процессе стимуляции.

Способ отличается простотой формирования акустического пространства, включающего как неподвижные, так и движущиеся источники звука (сигналы экстернализованного звучания) с широким диапазоном спектральных характеристик (тональные, шумовые, периодические и т.д. сигналы) и различной локализацией, включая варианты значительной (более 20 м) удаленности от слушателя.

Известен эффект пространственного слуха, который определяется инерционностью слухового восприятия человека и важен для дальнейших пояснений по заявленному методу. Эффект состоит в том, что переключение сигнала между разными источниками, например между двумя динамиками, порождает у слушателя разные субъективные ощущения в зависимости от интервала (скорости) переключения звука. Так, слушатель может локализовать каждый из динамиков, воспринимать движение звука между ними или определять только один "интегральный" источник, расположенный по средней линии между двумя реально звучащими динамиками (см. Блауэрт Й. Пространственный слух.- М.: Энергия, 1979, с.35). При этом критический временной интервал переключения, когда слуховая система теряет способность отслеживать порядок включения источников и порождает "интегрированные" звуковые образы, составляет, по разным данным и условиям проведения экспериментов, от 0,1 до 0,3 с (см. Блауэрт Й. Пространственный слух. - М. : Энергия, 1979, с. 36; Слуховая система.- Л.: Наука, 1990, с. 394).

Заявленный метод использует упомянутые свойства бинаурального (пространственного) слуха человека следующим образом. На протяжении сигнала задается закономерность изменения величины межушной разницы стимуляции по амплитуде между 2-мя каналами ("правое" и "левое" ухо слушателя). Для каждого из текущих значений сигнала эта величина (ΔA - разница между каналами по амплитуде сигнала) равна ΔA = Aп-Aл, где Ап - амплитуда "правой" и Ал- "левой" составляющей соответственно. Совокупность значений данной величины на протяжении сигнала является основой для задания диапазона (величина, знак) и скорости изменения текущих бинауральных (межушных) различий стимуляции по амплитуде. Межканальная согласованность амплитудного преобразования и закономерность изменения ΔA на протяжении сигнала представляют собой центральный момент заявленного метода. При этом основными особенностями задаваемой закономерности, отражающими новизну и оригинальность метода, являются:
- закономерное убывание абсолютной величины межушного различия на протяжении сигнала (общий диапазон изменения |ΔA| лежит в пределах от 100% до 0%;
- закономерная смена знака ΔA, соответствующая смене "ведущего" канала стимуляции в сторону сигнала с большей амплитудой, т.е. в направлении от одного уха к другому и обратно.

Такое задание ΔA на протяжении сигнала не имеет аналогов в области построения трехмерного акустического пространства и обеспечивает необходимую динамику (скорость) "изменения текущих бинауральных (межушных) различий стимуляции по амплитуде" на протяжении сигнала, которая за счет инерционности слухового восприятия формирует у слушателя "интегральный" звуковой образ экстернализованного звучания. Для пояснения этого положения в приложении приведен фиг.2, где показаны примеры задания общего диапазона и динамики изменения абсолютной величины ΔA ("величина"), а также ее знака ("знак") для тонального периодического сигнала, синтезированного по схеме на фиг.1.

С точки зрения слухового восприятия процесс генерации сигналов экстернализованного звучания, обеспеченный описанным преобразованием, соответствует закономерному снижению "неопределенности локализации" за время стимуляции. Этот процесс определяется абсолютными значениями ("величиной") ΔA на сигнале и скоростью переключения локализации ("знак" ΔA), т.е. скоростью изменения текущих бинауральных (межушных) различий стимуляции по амплитуде на протяжении сигнала. Если не учитывать инерционные свойства слуховой системы, то можно сказать, что формируемый сигнал моделирует ситуацию переключения звука между динамиками, которые меняют свое положение в пространстве согласно схеме, приведенной на фиг.2 (Г), и образуют "границы звучащего сектора пространства". Инерционность бинаурального механизма слухового восприятия обеспечивает слияние последовательности этих звуковых образов в единый звуковой сигнал, который формирует у слушателя интегральный пространственный слуховой образ, удаленный от головы слушателя, т.е. сигнал экстернализованного звучания, расположенный на "вершине звучащего сектора" (фиг.2 Г). Для срабатывания механизма инерционности пространственного слуха интервал между пиками при смене "знака" ΔA не должен превышать 300 мс (0,3 с).

Таким образом главным направлением заявленного метода является обеспечение динамики изменения бинауральной (межушной) разницы стимуляции по амплитуде на протяжении сигнала, которая порождает эффект его экстернализованного звучания в условиях прослушивания через головные телефоны. Для пояснения способа генерации сигналов экстернализованного звучания на фиг.3 и 4 приведены алгоритм и блок-схема, отражающие в упрощенном виде последовательность операций по преобразованию исходного звукового сигнала, и программно-аппаратные средства, обеспечивающие ее реализацию.

Способ апробирован в психоакустических экспериментах на группе испытуемых, превышающей 30 человек. Из них 10 человек участвовали в экспериментах по определению точности оценки локализационных параметров формируемых сигналов. Результаты экспериментов, включающих многократные (не менее 20 раз) прослушивания, показали, что слушатели подтверждают экстернализованное (вне наушников) звучание предъявляемых акустических сигналов в 100% случаев. Полученные субъективные оценки пространственного положения экстернализованных источников звука свидетельствуют о том, что они обладают четкими координатами в трехмерном акустическом пространстве - азимут, элевация, удаленность. При этом слушатели стабильно оценивали параметры локализации как неподвижных, так и движущихся источников звука, а воспринимаемая ими удаленность сигналов экстернализованного звучания способна меняться в очень широких пределах - от 1 до 60 м.

Сигналы, апробированные в эксперименте, формировались в соответствии с общим описанием способа. В процессе их генерации производилось согласованное межканальное (правое и левое ухо) амплитудное преобразование огибающей акустического сигнала (условно "правая "П" и "левая "Л" составляющие сигнала). Главной задачей преобразования являлось обеспечение необходимой динамики изменения текущих значений бинауральной разницы стимуляции по амплитуде, т. е. разницы между текущими значениями амплитуды сигнала для "П" - и "Л" - огибающих. При этом в качестве основных переменных, обеспечивающих определенную скорость изменения бинауральных параметров стимуляции за время формирования сигнала, выступали: величина и знак различий по амплитуде (ΔA = Aп-Aл) и длительность сигнала.

В качестве исходного сигнала, подвергающегося преобразованию, могли выступать фрагменты или отдельные цифровые записи реальных акустических сигналов, а также синтезированные с помощью ЭВМ сигналы. Выбор исходной записи или ее фрагмента определялся только качеством записи, т.е. выраженностью временной формы сигнала (как основы для преобразования) и отсутствием посторонних акустических помех.

Полученные в результате преобразований сигналы ("правая" и "левая" составляющие) загружались в буферные устройства вывода звука по двум независимым каналам (правый и левый наушник соответственно) и повторялись заданное число раз, образуя последовательности звуков, ассоциирующиеся со звучанием источника звука во внешнем (вне наушников) пространстве. При использовании стандартных звуковых плат формирование последовательности звуков (звучание "экстернализованного" источника) могло производиться непосредственно в файле, предусматривающем вывод сигнала по двум каналам. При формировании таких последовательностей в качестве дополнительных переменных могли выступать также частота повторения, амплитуда повторяемых сигналов и временная задержка стимуляции по каналам. Эти переменные обеспечивали возможность изменения пространственного положения экстернализованного источника звука, а также задания траектории его движения (при формировании движущихся источников звука.)
Изобретение может быть использовано при исследовании механизмов пространственного слуха человека, для диагностики нарушений функционирования слуховой системы, при тестировании и тренировке пространственной ориентации у человека- оператора, при создании акустических эффектов для музыкальных постановок или компьютерных игр, что обеспечивает изобретению соответствие критерию "промышленная применимость".

Источники информации
1. Toole F.E. In-head localization of acoustic images// J. Acoust. Soc. Amer., 1970. V.48. P.943-949.

2. Блауэрт Й. Пространственный слух. - М.: Энергия, 1979, 224 с.

3. Yost W.A., Hafter E.R. Lateralization. In: Directional Hearing, N.-Y. :Springer-Verlag, 1987. P.49-84.

4. Альтман Я.А. Слуховая система.- М.: Наука. 1990. С. 366-441.

5. Grantman D. W. Spatial Hearing and Related Phenomena. In: Hearing, 1995. А.С.-Press, P. 297-345.

6. Wightman F.L., Kistler D.J. Headphone simulation of free-field listening I: Stimulus synthesis//J. Acoust. Soc. Amer., 1989. V.85. P.858-867.

7. Wightman F.L., Kistler D.J. Headphone simulation of free-field listening II: Psychophysical validation// J. Acoust. Soc. Amer., 1989. V.85. P. 868-878.

8. Wenzel E.M. et al. Localization using nonindividualized head-related transfer functions//J. Acoust. Soc. Amer., 1993. V.94. N 1. P.111-123.

9. Burkhard M.D., Sachs R.M. Anthropometric manikin for acoustic research// J. Acoust. Soc. Amer., 1975. V.58. P.214-222.

10. Wenzel E. M. Localization in virtual acoustic displays //Presence, 1992. V.I. N 1. P.80-107.

11. McKinley R.L. et al. 3-Dimensional auditory displays: development, applications, and performance//Aviat. Space Environ.Med., 1994. 64 (5, Suppi). P.31-38.

Изобретение относится к способам формирования субъективного трехмерного акустического пространства при прослушивании человеком звуковых сигналов, поступающих на наушники и обеспечивающих формирование иллюзии звучания источников звука (одного или нескольких, неподвижных или движущихся) различной локализации во внешнем (независимом от наушников) пространстве, окружающем слушателя, и может быть использовано при исследовании механизмов пространственного слуха человека для диагностики нарушений функционирования слуховой системы, при тестировании и тренировке пространственной ориентации у человека-оператора, при создании акустических эффектов для музыкальных постановок или компьютерных игр. Способ включает генерацию сигналов, которые при предъявлении через головные телефоны воспринимаются слушателем как сигналы экстернализованного звучания различных локализаций в пространстве. Сигналы экстернализованного звучания генерируют за счет амплитудного преобразования огибающих сигналов, поступающих на правое и левое ухо слушателя, путем задания диапазона и скорости изменения текущих бинауральных различий стимуляции по амплитуде за время формирования сигнала. При этом сигналы экстернализованного звучания могут генерироваться на основе цифровой записи реальных акустических сигналов или полностью синтезироваться с помощью ЭВМ. Способ обладает простотой формирования субъективного трехмерного акустического пространства. 2 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Способ формирования субъективного трехмерного акустического пространства путем генерации сигналов, которые при предъявлении через головные телефоны воспринимаются слушателем как сигналы экстернализованного звучания, отличающийся тем, что сигналы экстернализованного звучания генерируют за счет амплитудного преобразования огибающих сигналов, поступающих на правое и левое ухо слушателя, путем задания диапазона (величина, знак) и скорости изменения текущих бинауральных (межушных) различий стимуляции по амплитуде за время формирования сигнала. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что экстернализованные сигналы генерируют на основе цифровой записи реальных акустических сигналов. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что экстернализованные сигналы полностью синтезируют с помощью ЭВМ.