Frontiers for Young Minds

Frontiers for Young Minds
תפריט
רעיון מרכזי פורסם: 3 במרץ, 2020

שמיעה והסביבה: צלילים מכל פינה!

תַקצִיר

האם אי פעם תהיתם איך אנו מצליחים, עם שתי אוזניים בלבד, לְאַתֵּר צלילים שמגיעים מכל הכיוונים סביבנו? או כשאתם מְשַׂחֲקִים במשחק וידאו, מדוע נדמה שמשהו התפוצץ מאחוריכם אפילו שאתם נמצאים בסביבה הבטוחה של ביתכם? המוחות שלנו קובעים מהיכן צלילים מגיעים, תוך שימוש בריבוי רמזים. שניים מהרמזים האלה הם: (1) לאיזו אוזן הצליל מגיע קודם, ו-(2) כמה רועש הצליל כשהוא מגיע לכל אוזן. לדוגמה, אם צליל מסוים מגיע לאוזן ימין שלכם קודם סביר להניח שמקורו נמצא מימין לגוף. אם צליל מגיע אל שתי האוזניים בו בזמן סביר להניח שמקורו נמצא בקו ישר מהגוף, מלפנים או מאחור. מפיקי סרטים ומשחקי וידאו משתמשים ברמזים האלה כדי לתעתע במוחכם, זאת במטרה ליצור עבורנו את האשליה שצלילים מסוימים מגיעים מכיוונים מסוימים. במאמר הזה נחקור כיצד המוח אוסף מידע מהאוזניים שלכם ומשתמש במידע הזה כדי לקבוע מהיכן צלילים מגיעים.

הרכיבים הפיזיקליים של צלילים

יכולתנו לשמוע היא מכריעה לצורך קבלת מידע על העולם שסביבנו. צלילים מיוצרים כשפריט מסוים מרטיט את האוויר שסביבו, והרֶטֶט הזה (המְכֻנֶּה וִיבְּרַצְיוֹת) יכול להיות מיוצג כגל שמתקדם בחלל. לדוגמה, אם ענף נופל מעץ ופוגע באדמה, לחץ האוויר סביב הענף משתנה כשהוא פוגע באדמה, וכתוצאה מכך הוויברציות של האוויר מייצרות את הצליל שנובע מההתנגשות. דבר אחד שאנשים רבּים אינם קולטים הוא שלגלי קול יש מאפיינים פיזיקליים, ולכן הם מושפעים על-ידי הסביבה שבה הם מתרחשים. בוואקוּם, למשל, שבּו אין כל תָּוֶךְ, גלי קול לא יכולים להתקיים מאחר שאין שום דבר שיכול לרטוט ולגרום לגלי הקול. שני המאפיינים הפיזיקליים החשובים ביותר של קול הם תדירוּת ומִשְׂרַעַת (אמפליטוּדה). תדירוּת היא המהירוּת שבה גל הקול רוטט, והיא קובעת את גובה הצליל. תֶּדֶר צליל גבוה יותר גורם לגובה הצליל להישמע גבוה יותר, כמו חליל או ציוץ של ציפור, בעוד שתדרי צליל נמוכים הם בעלי גובה צליל נמוך יותר, כמו טוּבָּה (כלי נשיפה) או נביחת כלב. אפשר לחשוב על המשרעת של גל קול כעוצמת הוויברציות בעודן מתקדמות באוויר, והיא קובעת עד כמה הצליל חזק. כפי שאתם יכולים לראות באיור 1, כאשר הפסגה של גל הקול קטנה יותר הצליל יישמע חלש יותר. אם הפסגה גדולה יותר אז הצליל יישמע חזק יותר. אפשר אפילו לחשוב על גלי הקול כמו גלים באוקיינוס. אם אתם עומדים במים דוממים ומפילים חלוק נחל למרגלות רגליכם, הוא יגרום לאדווה (גל קטן) שלא תשפיע עליכם הרבה. אולם אם תעמדו באוקיינוס במזג אוויר סוער, ייתכן שהגלים שיגיעו אליכם יהיו חזקים מספיק כדי להפיל אתכם למים! ממש כמו הגודל והחוזק של גלי המים, כך גודלם של גלי הקול יכול להשפיע מאוד על מה שתשמעו.

איור 1 - משרעת ותדירות שמיוצגות כגלים.
  • איור 1 - משרעת ותדירות שמיוצגות כגלים.
  • (A) משרעת היא עוצמת הוויברציות בעודן מתקדמות באוויר. ככל שהמשרעת גדולה יותר כך הצליל נתפס כחזק יותר על-ידי השומע. (B) תדירות היא המהירות שבה גל הקול מתנודד, והיא קובעת את גובה הצליל שנשמע. ככל שהתדירות גדולה יותר כך גובה הצליל גבוה יותר. Amplitude = משרעת (אמפליטודה). Pitch = גובה הצליל.

גלי קול מְבַצְעִים אינטראקציות מעניינות עם הסביבה. האם אי פעם שמתם לב לכך שהסִּירֶנוֹת של אמבולנס נשמעות אחרת כשהוא רחוק לעומת כשהוא קרוב אליכם או חולף על פניכם? הסיבה לכך היא שלוקח לצליל זמן להגיע מנקודה אחת לאחרת, והתנועה של מקור הצליל קשורה לתדירות של הגלים בעודם מתקרבים לשומע. כאשר אמבולנס נמצא רחוק תדירות הסירנות נמוכה, אולם התדירות מתגברת ככל שהאמבולנס מתקרב אליכם. זו תופעה שידועה בשם אפקט דוֹפְּלֶר (ראו איור 2).

איור 2 - כיצד תדירויות של גלי קול מושפעות (ונשמעות) כאשר סירנה מתקרבת אל השומע או מתרחקת ממנו.
  • איור 2 - כיצד תדירויות של גלי קול מושפעות (ונשמעות) כאשר סירנה מתקרבת אל השומע או מתרחקת ממנו.
  • כאשר האמבולנס מתקרב לשומע התדירות של הצליל עולה ולכן הצליל נשמע גבוה יותר. כאשר האמבולנס מתרחק מהשומע התדירות יורדת, מה שגורם לצליל להישמע נמוך יותר.Frequency = תדירות.

צלילים מושפעים לא רק מהמרחק אלא גם מפריטים אחרים. חשבו על מקרה שבו מישהו קרא לכם מחדר אחר. ככל הנראה הבחנתם בכך שהיה קשה יותר לשמוע אותו מחדר אחר מאשר אם הוא היה יושב לידכם. המרחק ביניכם אינו הסיבה היחידה לכך שקשה יותר לשמוע אדם שנמצא בחדר אחר. קשה יותר לשמוע אותו מאחר שגלי הקול נבלעים על-ידי פריטים בסביבה. ככל שמי שקורא לכם נמצא רחוק יותר ישנם יותר פריטים ביניכם, כך שפחות גלי קול מגיעים בסופו של דבר לאוזניים שלכם. כתוצאה מכך הצלילים עשויים להישמע חלשים או עמומים, אפילו כשהאדם צועק בקול רם.

מבנה האוזן

האוזניים שלנו הן מבנים אנטומיים מורכבים שמחולקים לשלושה חלקים עיקריים אשר נקראים האוזן החיצונית, האוזן התיכונה והאוזן הפנימית. האוזן החיצונית היא החלק היחיד של האוזן שאפשר לראות מבחוץ, והיא משמשת בעיקר לתיעוּל הצלילים מהסביבה לתוך תעלת האוזן. מִשָּׁם הצלילים ממשיכים לתוך האוזן התיכונה, שם היא מרעידה את עור התוף ושלוש עֲצָמוֹת קטנות שנקראות עצמות הַשֵּׁמַע, אשר מעבירות את אנרגיית הצליל לתוך האוזן הפנימית. האנרגיה ממשיכה להתקדם לתוך האוזן הפנימית, שם היא מתקבלת על-ידי השבלול (cochlea). השבלול הוא מבנה בתוך האוזן שצורתו כמו של קונכיית חילזון, והוא מכיל את איבר קוֹרְטִי (organ of Corti), שבו נמצאים “תאי שׂערה” אשר יכולים לחוש את אנרגיית הצליל. כאשר השבלול מקבל צליל הוא מגביר את האות שנקלט על-ידי תאי השערה האלה, ומעביר את האות דרך עָצָב השמיעה אל המוח.

צלילים והמוח

בעוד שהאוזניים אחראיות על קַבָּלַת צלילים מהסביבה, המוח הוא שקולט אותם והופך אותם למידע הגיוני. קליפת המוח השמיעתית במוח ממוקמת באזור שנקרא האונה הרקתית, והיא מתמחה בעיבוד של צלילים ובפירושם (ראו איור 3). קליפת המוח השמיעתית מאפשרת לבני אדם לעבּד דיבור ולהבינו, כמו גם צלילים אחרים מהסביבה. מה היה קורה אם אותות מעָצָב השמיעה לעולם לא היו מגיעים לקליפת המוח השמיעתית? כאשר מערכת השמיעה של אדם ניזוקה כתוצאה מפגיעה מוחית, האדם לפעמים אינו מסוגל לשמוע רעשים. לדוגמה, הוא עשוי לא להיות מסוגל להבין את משמעותן של מילים שנאמרות, או לא להיות מסוגל להבדיל בין שני כלים מוזיקליים שונים. מאחר שאזורים אחרים במוח גם פעילים במהלך תפיסת צלילים, אנשים עם נזק בקליפת המוח השמיעתית יכולים לעיתים קרובות להגיב בכל זאת לצלילים. במקרים כאלה, אפילו שהמוח מעבּד את המידע הוא אינו מסוגל לגרום לאותות האלה לקבל משמעות.

איור 3 - דוגמה לגל קול שמתקדם בתוך תעלת האוזן והופך לאותות עצביים שמגיעים לקליפת המוח השמיעתית.
  • איור 3 - דוגמה לגל קול שמתקדם בתוך תעלת האוזן והופך לאותות עצביים שמגיעים לקליפת המוח השמיעתית.
  • הצליל מְכֻוָּן לתוך תעלת האוזן על-ידי האוזן החיצונית, ולאחר מכן הוא נהפך לאותות עצביים על-ידי שבלול האוזן. אז האות הזה מועבר לקליפת המוח השמיעתית, שָׁם מקושרת לצליל משמעות. Temporal lobe = האונה הרקתית Auditory cortex = קליפת המוח השמיעתית Cochlea = שבלול האוזן.

שמיעת קולות מכאן או משם?

תפקוד אחד חשוב של אוזניים אנושיות, כמו גם אוזניים של בעלי חיים אחרים, היא היכולת לְתַעֵל מידע מהסביבה אל תוך תעלת האוזן. אף על פי שהאוזן החיצונית מתעלת צלילים אל תוך האוזן, התהליך הזה הכי יעיל רק כאשר הצלילים מגיעים מהצד של הראש (ולא מקדימה או מאחורה). כשאנשים שומעים צליל ממקור בלתי ידוע הם לרוב מסובבים את ראשם כדי שיַפְנֶֶה את האוזן אל עֵבֶר המקום שממנו הצליל מגיע. אנשים לרוב עושים זאת בלי להיות מודעים לכך כלל, כפי שכאשר אתם במכונית ושומעים אמבולנס, אתם מזיזים את ראשכם כדי לנסות לאַתֵּר מהיכן הסירנה מגיעה. חיות מסוימות כמו כלבים יעילוֹת יותר מבני אדם באיתור צלילים. לעיתים חיות (כמו למשל חלק מהכלבים ומרבית החתולים) יכולות אפילו להזיז פיזית את אוזניהן בכיוון של הצליל!

בני אדם משתמשים בשני רמזים עיקריים כדי לקבוע מהיכן הצליל מגיע. הרמזים האלה הם: (1) איזו אוזן שומעת את הצליל קודם (מה שידוע כהבדלי זמן הַגָּעַת הצליל אל האוזנייםinteraural time differences), ו-(2) כמה חזק הצליל כשהוא מגיע לכל אוזן (מה שידוע כהבדלי עוצמת הצליל בין האוזנייםinteraural intensity differences). אם כלב היה נובח מצד ימין של גופכם לא הייתה לכם בעיה להפנות את ראשכם ולהסתכל לאותו הכיוון. הסיבה לכך היא שגלי הקול שהיו מיוצרים מהנביחה היו מגיעים לאוזן הימנית שלכם לפני האוזן השמאלית, מה שהיה גורם לצליל להיות חזק יותר באוזן ימין. מדוע הצליל חזק יותר באוזן ימין כאשר הוא מגיע מימין? ממש כמו פרטים אחרים בביתכם שחוסמים או בולעים את הצליל של אדם שקורא לכם, גם ראשכם הוא פריט מוצק אשר חוסם גלי קול שמתקדמים לעברכם. כאשר צליל מגיע מצד ימין שלכם, ראשכם יחסום חלק מגלי הקול לפני שהם יגיעו לצד שמאל. כתוצאה מכך הצליל שייקלט יישמע חזק יותר מימין, ובאמצעות כך יאותת על המקום שממנו הגיע.

אתם יכולים לחקור זאת דרך פעילות נחמדה. עצמו את עיניכם ובקשו מהורה או מחבר לשקשק צרור מפתחות איפשהו סביב לראשכם. עשו זאת כמה פעמים, ובכל פעם נסו לְאַתֵּר את מיקום המפתחות, ואז פתחו את עיניכם כדי לראות עד כמה קרובים הייתם. מרבית הסיכויים שזה יהיה קל עבורכם. כעת, כסו אוזן אחת ונסו שנית. עם אוזן אחת זמינה בלבד אתם עשויים להתקשוֹת במטלה או להיות פחות מדויקים בזיהוי המקום הנכון. הסיבה לכך היא שאטמתם את אחת האוזניים ולכן החלשתם את היכולת להשתמש באותות על התזמוּן או העוצמה של צלילים שמגיעים לכל אוזן.

שֵׁמַע עוטף במשחקים ובסרטים

כאשר מהנדסי שֵׁמַע יוצרים שֵׁמַע תלת-ממדי (3D audio), הם מביאים בחשבון את כל הרמזים שמסייעים לנו לְמַקֵּם צלילים, והם צריכים להשתמש ברמזים האלה לתעתע בנו כדי שנתפוס את הצליל כמגיע ממקום מסוים. אף על פי שכאשר מדובר בשמע תלת-ממדי ישנוֹ מספר מוגבל של מקורות צליל פיזיקליים הַמְּשַׁדְּרִים דרך אוזניות או רמקולים (לדוגמה, רק שניים במיקרופונים), הַשֵּׁמַע יכול להישמע כמגיע ממקומות רבים הרבה יותר. מהנדסים של שמע תלת-ממדי יכולים לְמַמֵּּשׁ את ההישׂג הזה באמצעות הֲבָאָה בחשבון של האופן שבו גלי הקול מגיעים אליכם, בהתבסס על צורת ראשכם ומיקום האוזניים שלכם. לדוגמה, אם מהנדס שֵׁמַע רוצה ליצור צליל שנדמה שמגיע מלפנים וקצת מימינכם, המהנדס יתכנן בזהירות את הצליל כך שיתחיל להתנגן באוזנייה הימנית ויהיה מעט חזק יותר באוזנייה הזו בהשוואה לאוזנייה השמאלית.

משחקי וידיאו וסרטים נהיים מוטמעים יותר ודומים לחיים האמיתיים כאשר הם מוצמדים לתכסיסים האלה של שֵׁמַע תלת-ממדי. כאשר צופים בסרט למשל קבוצות של רמקולים באולם הקולנוע יכולות לְמַקֵּד את כיוון הצליל כדי לאפשר התאמה בין מה שאתם רואים ובין מה שאתם שומעים. לדוגמה, דמיינו שאתם צופים בסרט והשחקנית משוחחת בטלפון מצד ימין של המסך. הדיבור שלה מתחיל להתנגן בעיקר ברמקולים שמימין, אולם בעודה נעה על המסך מימין לשמאל הצליל עוקב אחריה בהדרגה באופן חָלָק. האפקט הזה מתממש על-ידי כמה רמקולים שעובדים יחד בסנכרוּן הדוּק כדי לאפשר את יצירת האפקט התלת-ממדי הזה.

מציאוּת מְדֻמָּה (VR – Virtual reality) לוקחת את החוויה הזו רחוק יותר על-ידי שינוי המיקום של הצליל בהתבסס על המקום שאליו אתם מסתכלים או היכן אתם ממוקמים בחלל הווירטואלי. ב-VR, לפי הגדרה, אתם ממוקמים באופן וירטואלי בסְצֶנָה, והחוויות הראייתיות והשמיעתיות צריכות שתיהן לשקף את החוויה שלכם בעולם האמיתי. בהדמיית VR מוצלחת כיוון הראש שלכם, תנועות הראש והמקום שאליו אתם מסתכלים אמורים לקבוע את המקום שממנו תחוו את מקור הצליל. אם תסתכלו ישירות על חללית תרגישו שצלילי המנוע שלה מגיעים ישירות מלפנים, אולם אם תסתובבו שמאלה אתם תרגישו שהצלילים מגיעים מימינכם. אם תזוזו ותעמדו מאחורי פריט גדול אתם תשמעו את גלֵי הקול הווירטואליים פוגעים בפריט שלפניכם ומגיעים אליכם באופן בלתי ישיר, מה שיעמעם את הצליל ויגרום לו להישמע חלש ועמום יותר.

מסקנות

מדענים חוקרים ומקצוענים שעובדים בתעשיית הסרטים ומשחקי הווידיאו השתמשו בהדמיות של צלילים כדי ללמוד עוד על שמיעה ולהעצים את חוויות הבידור שלנו. חלק מהמדענים מתמקדים באופן שבו המוח מעבד צלילים, בעוד שאחרים מנתחים את המאפיינים הפיזיקליים של גלי הקול עצמם, כמו למשל האופן שבו הם מוחזרים או מופרעים בדרכים שונות. חלק מהמדענים אפילו חוקרים כיצד חיות אחרות שומעות, ומשווים את יכולותיהן עם היכולות שלנו. בתורם, מקצוענים בתעשיות הסרטים ומשחקי הווידיאו השתמשו במחקר הזה כדי לגרום לחוויות של צופי סרטים וגיימרים להיות מציאותיוֹת יותר. בסביבות וירטואליות מעצבים יכולים לגרום לגלי קול וירטואליים להתנהג כמו שגלי קול מתנהגים בחיי היומיום. כשאתם משחקים במשחק וידאו או צופים בסרט קל לקחת כמובן מאליו את המחקר והזמן שהושקעו כדי ליצור את החוויה הזו. אולי ההתקדמות הבאה בטכנולוגיות שֵׁמַע שמדמות מציאוּת תתחיל איתכם ועם הסקרנות שלכם לגבי גלי קול והאופן שבו מערכת השמיעה עובדת!

מילון מונחים

מִשְׂרַעַת (Amplitude): גודלו של גל הקול; זו התכונה שמשפיעה על תפיסת העוצמה של הצליל.

גובה הצליל (Pitch): איכות הצליל שנחווית כפונקציה של התדירוּת, או מהירוּת הוויברציוֹת (רטיטוֹת) של הגל; זו מידת הגובה (גבוה או נמוך) של טון או של צליל.

אפקט דוֹפְּלֶר (Doppler effect): עלייה או ירידה בתדירות של גלי קול כאשר מקור הרעש והשומע נעים זה לקראת זה או מתרחקים.

שבלול (Cochlea): צינור חלול (ברֻבּוֹ) באוזן הפנימית אשר לרוב מקופל כמו קונכייה של חילזון, ואשר מכיל את איברי החישָׁה שקשורים לשמיעה.

קליפת המוח השמיעתית (Auditory cortex): אזור במוח שממוקם באונה הרקתית ומעבד מידע שנקלט דרך שמיעה.

הבדלי זמן הַגעַָּת הצליל אל האוזניים (Interaural time differences): ההפרש בזמני הַגָּעַת הצליל אל כל אחת מהאוזניים.

הבדלי עוצמת הצליל בין האוזניים (Interaural intensity differences): ההפרש בעוצמה ובתדירות של הצליל שנקלט על-ידי שתי האוזניים.

שֵׁמַע תלת-ממדי (Three-dimensional audio): קבוצת אפקטים שמשתמשים בה כדי לבצע מניפולציה שמיוצרת על-ידי רמקולי סטריאו או אוזניות, ומערבת את המיקום הנקלט של מקורות צליל בכל מקום בחלל התלת-ממדי.