پزشکان گیل

جهت‌یابی صوت در انسان را شاید بتوان پیچیده‌ترین و جالب‌ترین عملکرد مغز و البته بدن انسان دانست. ما در طول روز از صبح تا شب صداهای متفاوتی می‌شنویم. این صداها گاهی از بالای سر، گاهی از جلو، گاهی پایین و خلاصه از هر طرفی هستند. ما بدون آن‌که زحمتی بکشیم یا آموزشی دیده باشیم، به‌دقت جهت اصوات را تشخیص می‌دهیم. ولی تا کنون فکر کرده‌اید که ما چطور این کار را می‌کنیم؟
یک مفهوم جالب از جهت‌یابی صوت این است که ما صدا را در جایی «خارج سرمان» احساس می‌کنیم. مثلاً وقتی کسی از جلو ما را صدا می‌زند، ما صدا را در جلوی سرمان، در جایی که فرد صحبت می‌کند احساس می‌کنیم. ولی وقتی که یک موسیقی را با هدفون گوش می‌دهیم، موسیقی را درست در وسط سرمان احساس می‌کنیم؛ انگار که خواننده درست در وسط سرمان نشسته و آواز می‌خواند! پس صوتی که با هدفون گوش می‌دهیم یک صوت جهت‌یابی نشده است.
جهت‌یابی صوت در انسان حاصل برهم‌کنش یک‌سری عوامل فیزیکی و عصبی است. وقتی صوتی را گوش می‌کنیم، امواج صوتی از جهات مختلف به سر و بدن برخورد می‌کنند. برخورد صوت با سر و گوش منجر به تغییراتی در شدت و فرکانس‌های سازنده‌ی صوت می‌شود، مثلاً بعضی فرکانس‌ها قدری تضعیف می‌شوند و بعضی دیگر نه. اصوات پس از این تغییرات به پرده‌ی گوش می‌رسد و توسط سیستم عصبی به مغز مخابره و در آن‌جا درک می‌شود. هر صوت بر اساس تغییراتی که کرده است یک مفهوم برای مغز دارد: «نقطه‌ای خاص در خارج از سر که صدا از آن‌جا رسیده است.»
حال به شکلی دقیق‌تر به بررسی عوامل موثر در امر جهت‌یابی می‌پردازیم:

۱٫ تفاوت شدت بین دو گوشی
تفاوت شدت بین دو گوش (Interaural level difference: ILD) تفاوت شدت صوت رسیده به گوش‌های راست و چپ است. وقتی صدا از یکی از دو سمت راست یا چپ به سر می‌رسد (با هر زاویه‌ای) طبیعتاً به یکی از دو گوش زودتر می‌رسد. صدا برای رسیدن به گوش دورتر «سر» را به‌صورت مانعی در برابر خود دارد. سر به‌عنوان یک مانع تا حدی باعث تضعیف صوت می‌شود. در نتیجه صوتی که به گوش دورتر می‌رسد نسبت به صوتی که به گوش نزدیک‌تر رسیده است، شدت کمتری دارد. این پدیده را اثر «سایه‌ی سر» (Head shadow) نیز می‌گویند، زیرا مانند این است که ناشی از حضور سر در مسیر صوت، سایه‌ای از صوت بر طرف دیگر می‌افتد.
این مقوله در تمام محدوده‌‌ی قابل شنیدن (۲۰-۲۰ KHz) حضور دارد. البته تاثیر ILD در فرکانس‌های زیر ۵۰۰ Hz ناچیز است. زیرا فرکانس‌های بم به‌دلیل طول موج بلندشان می‌توانند سر را دور بزنند و در نتیجه تضعیف کمتری رخ می‌دهد. ولی برای فرکانس‌‌های بالا چنین نیست و با حرکت به سمت فرکانس‌های بالاتر اثر سایه‌ی سر بیشتر می‌شود و در حوالی ۴ KHz به اوج خود می‌رسد. کوچک‌ترین تفاوت شدتی قابل درک برای مغز انسان حدود۰٫۵ Db ِ است.

۲٫ تفاوت زمان بین دو گوشی
تفاوت زمان بین دو گوشی (Interaural time differenc: ITD) تفاوت زمان رسیدن صوت به دو گوش است که مقوله‌ی بسیار مهمی در جهت‌یابی است. این تفاوت زمانی با تفاوت فاز صوت در دو گوش ارتباط مستقیم دارد. به‌عبارت دیگر، تغییر در زمان رسیدن صوت به گوش معادل است با تغییر در فاز رسیدن صوت به گوش.
بیشترین ITD مربوط به فرکانس‌های پایین تر از ۱۵۰۰ Hz و یا به‌عبارتی فرکانس‌‌های بم است زیرا طبق مطالعات، اصواتی که نصف طول موج‌شان از زمان لازم برای رسیدن صوت از یک گوش به گوش دیگر بیشتر است ITD برجسته دارند. البته این امر تا فرکانس ۴ KHz نیز تا حدی دیده می‌شود.

۳٫ عملکردهای انتقالی وابسته به سر
عملکردهای انتقالی وابسته به سر (Head Related transfer Functions: HRTFs) مجموعه‌ی تاثیراتی است که قسمت‌های مختلف بدن (بیشتر سر و گردن) بر صوت می‌گذارند که البته طبق این تعریف ILD نیز خود جزو همین مورد محسوب می‌شود، ولی به‌دلیل اهمیتش جدا دسته‌بندی می‌شود. HRTFs اجزای گوناگونی دارد که بعضی از بقیه مهم‌ترند. امواج صوتی که از جهات مختلفی می‌آیند توسط گوش خارجی، سر، شانه‌ها و به‌طور کلی نیم‌تنه‌ی فوقانی دست‌خوش پراکندگی و تغییرات می‌شوند. این پراکندگی‌ها منجر به یک نوع فیلترینگ آکوستیک می‌شوند که نوع و میزان این فیلترینگ بستگی به جهت رسیدن صوت دارد. ویژگی مهم HRTFs در جهت‌یابی اصواتی است که دقیقاً از روبه‌رو، پشت، بالا و به‌طور کلی در مسیر خط میانی بدن (Midsagittal) به بدن می‌رسند. ILD و ITD از آن‌جا که متکی به اختلافات بین دو گوشی هستند، در جهت‌یابی این‌گونه اصوات ناتوان‌اند. زیرا در این حالت اختلاف شدت و زمان ناچیز است و اصوات تقریباً همزمان به دو گوش می‌رسند. در اثر HRTFs، اصواتی که از روبه‌رو می‌آیند در محدوده‌ی ۱۰۰۰ Hz و اصواتی که از پشت می‌آیند در محدوده‌ی ۳۰۰۰ Hz تقویت می‌شوند.
پاسخ لاله: مهم‌ترین بخش HRTFs پاسخ لاله‌ی گوش (Pinna response) است که توصیف‌کننده‌ی نحوه‌ی تاثیر لاله‌ی گوش بر صداست. فرکانس‌های بالاتر (مخصوصاً بالاتر از ۴ KHz) به‌وسیله‌ی لاله‌ی گوش به‌نحوی فیلتر می‌شوند که بر درک جهت، موقعیت، زاویه یا حتی ارتفاع منبع صوت تاثیر داشته باشند. نحوه‌ی فیلترینگ لاله‌ی گوش منحصراً به جهت رسیدن صوت بستگی دارد. پاسخ لاله را در بعضی موارد به نام «عامل جهت‌یابی تک‌گوشی» نیز می‌شناسند، زیرا عملکرد لاله و تاثیر آن در جهت‌یابی صوت خیلی به عملکرد لاله‌ی گوش مقابل بستگی ندارد و بیشتر متکی به شکل لاله‌ی گوش و جهت برخورد صوت با لاله است.

۴٫ بینایی
تاثیر بینایی بر جهت‌یابی کاملاً واضح و بدیهی است. طبیعی است که اگر منبع صوت در میدان دید ما باشد، به‌خوبی می‌توانیم جهت صوت را تشخیص دهیم.

۵٫ اثر تقدم
اصوات در محیط پیرامون ما پیش از این‌که از محل پیدایش به گوش‌مان برسند با سطوح مختلفی برخورد می‌کنند و طبیعتاً انعکاساتی از آن‌ها ایجاد می‌شود. پس صدایی که در طبیعت شنیده می‌شود، ترکیبی از صدای اصلی و بازآوایی‌های آن است. این بازآوایی‌ها می‌توانند در هر جهتی باشند. در نتیجه می‌توانند ارکان جهت‌یابی صوت در انسان از جمله ITD را مخدوش سازند. در این میان استراتژی دیگری وجود دارد که ما ناآگاهانه از آن در جهت‌یابی اصوات بهره می‌جوییم: «اثر تقدم» (Precedence effect). بر اساس این استراتژی، گوش ما قضاوت‌های مربوط به جهت‌یابی صوت را بر مبنای اولین امواج صوتی که از آغاز پیدایش آن صوت به گوش‌مان رسیده است قرار می‌دهد. زیرا اولین امواج یک صوت که در حدود ۵۰-۱۰۰ ms ابتدایی طول عمر صوت به گوش ما می‌رسند، هنوز چندان تحت تاثیر انعکاساتش قرار نگرفته و دست‌خوردگی کمتری دارد و در نتیجه با صحت کامل‌تری مورد جهت‌یابی قرار می‌گیرد. این پدیده را پاسخ به انعکاس اولیه (Early echo response) و یا «پاسخ حاصل از بازآوایی محیط» نیز می‌گویند.
جهت‌یابی صوت شامل مقوله‌های پیچیده‌ی مهندسی همچون فیلترینگ و بازسازی صوت است که هنوز به‌طور دقیق شناخته نشده‌اند. آزمایشات لابراتواری همچنان درباره‌ی نحوه‌ی جهت‌یابی صوت ادامه دارد و مدام نظریه‌های جدیدی در این‌باره منتشر می‌شود. شناخت دقیق‌تر جهت‌یابی صوت در انسان می‌تواند راهگشای بسیاری از مسایل مهندسی صوت و زمینه‌های مرتبط باشد.

Ref:
۱٫ William M. Hartmann. How we localize sound
۲٫ Cindy Tonnesen and Joe Steinmetz. 3d sounds synthesize
۳٫ Sound collection effect of a pinna of an artificial head. Kiyoshi Sugiyama. Acoust. Sci. & Tech. 24, 5 (2003)
۴٫ Auditory localization. http://psychology.wikia.com/wiki/Auditorylocalization

پیمان خیری
کارشناس ادیولوژی

Email: audiologistman@yahoo.com