Кіріспе

Құлақ кеңістіктегі бір нүктеден дыбысты қалай қабылдайтынын сипаттайтын жауап. Басқа қатысты беру функциясы (HRTF) – бұл құлақтың кеңістіктегі бір нүктеден дыбысты қалай қабылдайтынын сипаттайтын жауап. Дыбыс тыңдаушыға жеткенде, басының және құлақтарының мөлшері мен пішіні, құлақ жолы, бас тығыздығы, мұрын және ауыз қуысының мөлшері мен пішіні – бәрі де дыбысты өзгертіп, оның қабылдануына әсер етеді, кейбір жиіліктерді күшейтеді, ал басқаларын әлсіретеді. Жалпы айтқанда, HRTF 2–5 кГц жиіліктерін күшейтеді, 2700 Гц жиілікте +17 дБ негізгі резонансқа ие. Бірақ жауап қисығы бір ғана өспеден гөрі күрделі, кең жиілік спектріне әсер етеді және әр адам үшін айтарлықтай өзгеше болады. Екі құлаққа арналған HRTF жұбы кеңістіктегі белгілі бір нүктеден шыққандай сезілетін екі дыбысты жасау үшін қолданылуы мүмкін. Бұл – дыбыстың белгілі бір нүктеден құлаққа (әдетте, есту арнасының сыртқы жағына) қалай жететінін сипаттайтын беру функциясы. Кейбір тұтынушылық үй развлегіру құрылғылары стерео (екі динамик) құлаққаптар арқылы қоршаған дыбысты қайта жаңғырту үшін HRTF-ты пайдаланады. HRTF өңдеудің кейбір түрлері дыбыс шығару құрылғыларынан қоршаған дыбысты имитациялау үшін компьютерлік бағдарламаларға енгізілген.

Дыбысты локализациялау

Адамның екі құлағы бар, бірақ дыбыстарды үш өлшемде анықтай алады – қашықтық бойынша (ауқым), биіктік бойынша (жоғары және төмен), алдыңғы және артқы жақтан, сондай-ақ екі жақта (азимут). Бұл ми, ішкі құлақ және сыртқы құлақ (пина) бірлесіп жұмыс істеп, орналасу туралы қорытынды шығару арқасында мүмкін болады. Дыбыс көздерін локализациялау қабілеті адамдар мен олардың ата-бабаларында эволюциялық қажеттілік ретінде қалыптасқан болуы мүмкін, себебі көздер көрерменнің айналасындағы әлемнің тек бір бөлігін ғана көре алады, ал көру қараңғыда шектеледі, ал дыбыс көзін анықтау қабілеті айналадағы жарықтан тәуелсіз, әртүрлі дәлдікпен барлық бағытта жұмыс істейді. Адамдар дыбыс көзінің орнын бір құлақтан алынған мәліметтер (монауралдық мәліметтер) негізінде, сондай-ақ екі құлақта алынған мәліметтерді салыстыру арқылы (айырмашылық мәліметтері немесе бинауралдық мәліметтер) бағалайды. Айырмашылық мәліметтеріне келу уақыты мен интенсивтіліктің айырмашылықтары жатады. Монауралдық мәліметтер дыбыс көзі мен адам анатомиясының өзара әрекеттесуінен туындайды, онда бастапқы дыбыс құлаққа кірмес бұрын өзгереді. Бұл өзгерістер көздің орнын кодтайды және көздің орны мен құлақтың орны арасындағы байланысты көрсететін импульстік жауап арқылы тіркелуі мүмкін. Бұл импульстік жауап басқа қатысты импульстік жауап (HRIR) деп аталады. Кез келген дыбыс көзін HRIR-мен конволюциялау оны тыңдаушы естігендей дыбысқа айналдырады, егер ол дыбыс көзінің орнында тұрса және тыңдаушының құлағы қабылдағыш орнында болса. HRIR виртуалды жан-жақты дыбыс құру үшін қолданылады. HRTF – HRIR-дің Фурье түрлендірмесі. Сол және оң құлақтарға арналған HRTF (жоғарыда HRIR ретінде көрсетілген) дыбыс көзінің (x(t)) сол және оң құлақтарда сәйкесінше xL(t) және xR(t) ретінде қабылданудан бұрын сүзгіленуін сипаттайды. HRTF дыбыстың еркін кеңістіктегі бағытынан құлаққа жеткен кездегі өзгерістері ретінде де сипатталуы мүмкін. Бұл өзгерістер тыңдаушының сыртқы құлағының пішінін, оның басы мен денесінің пішінін, дыбыс ойнатылатын кеңістіктің акустикалық қасиеттерін және т.б. қамтиды. Осы барлық қасиеттер тыңдаушының дыбыс қай жақтан келе жатқанын анықтау қабілетіне (немесе оның болмауына) әсер етеді. AES69 2015 стандартында Аудиоинженерлік қоғамы (AES) басқа қатысты трансферлік функциялар (HRTF) сияқты кеңістіктік бағытталған акустикалық деректерді сақтау үшін SOFA файл форматын анықтады. SOFA бағдарламалық кітапханалары мен файлдары Sofa Conventions веб-сайтында жинақталған.

HRTF қалай жұмыс істейді

Бұл механизм әр адамдағы бас және құлақ пішіндерінің өзгешелігіне байланысты өзгеріп отырады. HRTF – берілген дыбыс толқынының (жиілік және көзінің орны бойынша параметрленген) бас, құлақ қабы және дененің дифракция және шағылысу қасиеттері арқылы сүзілуін сипаттайды, бұл дыбыс құлақ пердесі мен ішкі құлақтың сезімталдық жүйесіне жеткенге дейін болады (есті білу жүйесін қараңыз). Биологиялық тұрғыдан алғанда, осы сыртқы құрылымдардың көз орнына қатысты алдын ала сүзілу әсері, көз орнын анықтауға, әсіресе көздің биіктігін анықтауға көмектеседі.

Виртуалды есту кеңістігінде дыбысты локализациялау

Виртуалды аудиторлық кеңістік құрудың негізгі қағидасы – егер тыңдаушының есіктің қалқаларына келіп түсетін акустикалық толқын формалары құлаққап арқылы да, ашық кеңістікте де бірдей болса, тыңдаушының сезімі де сол сияқты болуы керек. Әдетте, құлаққаптан шығарылатын дыбыстар бас ішінде пайда болатын сияқты қабылданады. Виртуалды аудиторлық кеңістікте құлаққаптар дыбысты "сыртқа шығаруға" мүмкіндік беруі керек. HRTF-ты пайдалану арқылы дыбыстарды төменде сипатталған техникамен кеңістікте орналастыруға болады, ол бастың толық 3D желісінде физикалық симуляция жүргізеді, ал EAC – бұрынғы HRTF-терден үйретілген нейрондық желіні қолданады және фотосуреттер мен басқа да жуық шамамен өлшемдерден жұмыс істейді.

Жазу және қайта орындау технологиясы

HRTF арқылы өңделген жазбалар, мысалы, компьютерлік ойын ортасында (A3D, EAX және OpenAL қараңыз), тыңдаушының HRTF-іне жуықтап келген жазбалар, стерео құлаққаптар немесе динамиктер арқылы естілгенде, екі жақтан ғана емес, барлық бағыттан келетін дыбыс ретінде қабылданады. Нәтижелердің дәлдігі HRTF деректерінің сіздің құлақтарыңыздың ерекшеліктеріне қаншалықты сәйкес келетіндігіне байланысты, бірақ жеке құлағыңыздан өлшенген нақты деректерден гөрі, жалпы HRTF артық болуы мүмкін. Apple және Sony сияқты кейбір өндірушілер пайдаланушының құлақ пішініне қарай таңдауға болатын әртүрлі HRTF ұсынады. Windows 10 және одан жоғары нұсқалары Microsoft Spatial Sound бағдарламасымен бірге келеді, ол Xbox One және Hololens 2 құрылғыларында қолданылатын кеңістіктік аудио платформасы. Windows PC немесе Xbox One-да HRTF-ті қолдану үшін платформа бірнеше аудио процессорларды пайдалана алады, олардың ішінде Windows Sonic for Headphones, Dolby Atmos және DTS Headphone:X бар. Платформа бекітілген орынды айналдыратын дыбыс көздерін де, кеңістікте қозғалатын динамикалық "объект" көздерін де шығара алады. Apple өз құрылғылары үшін, Apple немесе Beats құлаққаптарымен қолданылатын Spatial Sound ұсынады. Құлаққаптар арқылы музыка ойнату үшін Dolby Atmos қосылып, HRTF қолданылуы мүмкін. HRTF (немесе, дәлірек айтқанда, объектілердің орналасуы) бағыттың иллюзиясын сақтау үшін бас қозғалысын қадағалау арқылы өзгеруі мүмкін. Qualcomm Snapdragon ұқсас бас қозғалысын қадағалайтын кеңістіктік аудио жүйесіне ие, ол кейбір Android телефондарында қолданылады. YouTube 360 градустық және VR бейнелерімен бас қозғалысын қадағалайтын HRTF-ті пайдаланады. Қазіргі таңдағы Linux жүйесі меншікті кеңістіктік аудио (айналдыратын дыбыс плюс динамикалық объектілер) форматтарын тікелей өңдей алмайды. SoundScape Renderer бағыттық синтезді ұсынады. PulseAudio және PipeWire HRTF-ті пайдаланып виртуалды айналдыратын дыбысты (бекітілген арналар) қамтамасыз ете алады. PipeWire-тің соңғы нұсқалары HRTF-ті пайдаланып динамикалық кеңістіктік рендерингті де қамтамасыз ете алады, бірақ қосымшалармен интеграция жұмысы әлі де жалғасуда. Пайдаланушылар өздерінің орналасуын және динамикалық дыбыс көздерін конфигурациялай алады, сондай-ақ қолданыстағы параметрлерді пайдаланып айналдыратын динамиктерді симуляциялай алады. Кросс-платформалық OpenAL Soft, OpenAL-дың іске асырылуы, жақсартылған дыбыс локализациясы үшін HRTF-терді қолданады. Windows және Linux кеңістіктік аудио жүйелері кез келген стерео құлаққап моделін қолдайды, ал Apple кеңістіктік аудионы тек Apple немесе Beats брендінің Bluetooth құлаққаптарымен пайдалануға рұқсат береді.