Можно закрыть глаза и всё равно довольно точно понять, где проехала машина, с какой стороны кто-то позвал или откуда упал предмет.
Кажется, будто мы просто «слышим направление». На самом деле мозг постоянно сравнивает сигналы от двух ушей и по очень небольшим различиям вычисляет, где находится источник звука.
Разберёмся, как это работает и при чём здесь стереозвук в наушниках.
Почему человеку нужны два уха
Если источник находится прямо перед нами, звук достигает обоих ушей почти одновременно.
Но если он расположен справа, ситуация меняется.
До правого уха звуковой волне нужно пройти немного меньшее расстояние, чем до левого. Разница крайне мала - обычно речь идёт о долях миллисекунды.
Однако нервная система способна использовать даже такое небольшое различие.
Мозг сравнивает:

• в какое ухо сигнал пришёл раньше;
• где он оказался громче;
• как изменился его спектр;
• как звук отражается от головы и ушных раковин.

В результате появляется ощущение направления.
Первое правило - какое ухо услышало звук раньше
Представим, что человек стоит лицом вперёд, а кто-то хлопнул в ладоши справа.
Звук сначала достигнет правого уха и лишь немного позже - левого.
Мы не слышим эти два момента как отдельные звуки. Для нас это будет один хлопок.
Но мозг замечает небольшую разницу во времени и использует её как подсказку:
если сигнал раньше пришёл справа, вероятно, источник находится справа.
Особенно хорошо такой механизм помогает определять направление низких частот.
Второе правило - в каком ухе звук громче
Голова сама влияет на распространение звука.
Если источник находится справа, высокочастотному звуку сложнее попасть к левому уху, потому что голова частично его закрывает.
Получается своеобразная «акустическая тень».
В правом ухе сигнал может оказаться немного громче, чем в левом.
Мозг постоянно сопоставляет эту разницу и получает ещё одну подсказку о положении источника.
Поэтому для определения направления важны одновременно и время прихода сигнала, и разница в его уровне.
Зачем тогда нужна форма ушной раковины
Есть ещё одна проблема.
По разнице между левым и правым ухом относительно легко понять, находится источник слева или справа.
Но как определить, расположен он выше или ниже? Спереди или сзади?
Здесь помогает форма наружного уха.
Перед тем как звук попадёт в слуховой проход, он отражается от различных участков ушной раковины. В зависимости от направления одни частоты немного усиливаются, другие ослабляются.
Получается своеобразная акустическая «подпись» направления.
Мозг со временем учится распознавать эти изменения.
Именно поэтому человеческое ухо - это не просто отверстие для приёма звука. Его форма помогает ориентироваться в пространстве.
Почему с одним ухом определить направление сложнее
Если закрыть одно ухо, большая часть информации для сравнения исчезает.
Мозг больше не может нормально сопоставить время прихода и громкость сигнала между двумя сторонами.
Некоторые подсказки всё равно остаются - например, изменения звука, создаваемые ушной раковиной.
Но в целом определить положение источника становится заметно сложнее.
Особенно трудно быстро отличить звук впереди от звука сбоку или сзади.
Почему в наушниках звук бывает слева и справа
Стереозапись использует тот же принцип.
В левый и правый наушник можно подавать разные сигналы.
Например, если музыкальный инструмент должен восприниматься слева, в левом канале его можно сделать заметнее, а в правом - слабее.
Мозг получает различающуюся информацию от двух ушей и создаёт ощущение, что источник расположен не строго по центру.
Поэтому в хорошей стереозаписи разные инструменты могут восприниматься в разных точках пространства.
Хотя физически динамики находятся буквально в нескольких сантиметрах от барабанных перепонок.
Почему голос иногда звучит прямо «в голове»
При прослушивании через наушники возникает интересный эффект.
Когда одинаковый сигнал с одинаковой громкостью одновременно воспроизводится в левом и правом каналах, мозг может воспринимать источник примерно в центре головы.
В реальной жизни звук обычно взаимодействует с помещением, головой и ушными раковинами.
В обычной стереозаписи часть этих пространственных подсказок отсутствует.
Поэтому некоторые записи создают ощущение, будто голос находится не перед человеком, а внутри головы.
Как создают эффект звука сзади
Чтобы обмануть слух, недостаточно просто сделать один канал тише другого.
Для более реалистичного пространственного звучания учитывают сразу несколько факторов:

• небольшие задержки между каналами;
• различия громкости;
• изменение отдельных частот;
• особенности отражения звука;
• акустические свойства помещения.

Если правильно воспроизвести такие подсказки, мозг может решить, что источник расположен сбоку, сзади или даже выше головы.
Хотя на самом деле звук по-прежнему идёт всего из двух наушников.
Что такое пространственное звучание
Современные технологии могут моделировать расположение виртуальных источников вокруг слушателя.
Например, система получает информацию о том, что определённый звук должен находиться справа и сзади.
После этого сигнал изменяется так, чтобы каждое ухо получило примерно те подсказки, которые появились бы в реальной ситуации.
Если обработка выполнена удачно, создаётся ощущение объёма.
Особенно заметно это:

• в кино;
• в видеоиграх;
• в виртуальной реальности;
• в некоторых музыкальных записях.

Почему в играх можно услышать противника раньше, чем увидеть
Игровой звук хорошо показывает работу человеческого слуха.
Разработчики могут привязать звук шагов к конкретной точке виртуального пространства.
Игровой движок рассчитывает, как этот источник должен восприниматься левым и правым ухом.
Поэтому игрок способен определить, например, что звук идёт:

• справа;
• слева;
• сзади;
• с другого этажа.

Чем точнее звуковая система передаёт пространственные подсказки, тем легче ориентироваться без визуальной информации.
Почему иногда невозможно понять, звук впереди или сзади
У слуховой системы есть ограничения.
Для некоторых положений источник спереди и источник сзади могут создавать похожую разницу между левым и правым ухом.
Тогда мозгу приходится использовать дополнительные признаки - форму спектра, отражения и даже движение головы.
Именно поэтому человек иногда слегка поворачивает голову, пытаясь понять, откуда идёт неизвестный звук.
После поворота пространственные параметры меняются, и направление становится определить легче.
Мы буквально вычисляем направление звука
Разумеется, человек не делает это сознательно.
Никто не думает: «сигнал пришёл в правое ухо немного раньше, значит источник находится под таким углом».
Все расчёты происходят автоматически.
Слуховая система анализирует большое количество акустической информации за очень короткое время и создаёт для нас готовое ощущение пространства.
Главное
Способность определять направление звука основана не на одной особенности слуха.
Мозг одновременно анализирует:
разницу во времени между ушами + разницу громкости + изменение частот + форму ушной раковины.
Именно поэтому два уха дают нам значительно больше информации, чем одно.
А технологии стерео и пространственного звука фактически используют особенности человеческого слуха, чтобы заставить мозг воспринимать виртуальный источник там, где физически никакого источника нет.
Получается, что объёмный звук - это не только работа наушников.
Большую часть эффекта создаёт наш собственный мозг.