Diferența binaurală de timp

Sunetul se deplasează prin aer la o viteză de aproximativ 344 de metri pe secundă sau 34,4 centimetri pe milisecunde. Pentru fiecare cm de diferență de distanţă binaurală există o diferență de timp de 1/34,4 = 0,029 ms astfel diferența distanța poate fi redusă la o diferență de timp,  Dt.

1. pentru o sursă apropiată de cap, Dt în ms = 0,254 * 2 ϴ,  deoarece 8,75 x 0,029 =0,254
2. pentru o sursă îndepărtată, Dt în  ms  = 0,254 (ϴ + sin ϴ)

Nu există nici o diferență de timp între sus și în jos, nici între față și spate, dar există întotdeauna o diferență de timp între dreapta și stânga. Întrebarea este dacă o diferență atât de mică de timp poate fi un indiciu eficient de direcția de sunet. Chiar și cea mai mare diferență este mai mică de o milisecundă, iar discriminarea fină posibilă (3° la dreapta sau la stânga planului median) ar necesita utilizarea unei diferențe de numai 3/100 milisecunde. Un ton „continuu” consta din unde. Fiecare undă ajunge în primul rând la urechea mai apropiată şi apoi la o diferență de timp pentru fiecare vârf de undă succesivă.

Diferența de fază binaurală

În cazul unui ton continuu, diferența binaurală de timp poate fi declarată și ca diferență de fază. La o frecvență de 1000~ fiecare ciclu complet dureaza 1 ms și o diferență de timp de 0,50 ms  este astfel 1/2 ciclu, o diferență de fază de 180°. În cazul în care frecvența este de numai 500~ aceeași diferență de timp este 1/4 ciclu, o diferență de fază de 90°. Diferență de fază singură nu ar fi nici un indiciu de direcție, întrucât depinde atât de direcție cât și de frecvența de ton. Cu toate acestea, diferența de fază a fost considerată anterior un indiciu important, probabil pentru că o modalitate convenabilă de a produce o diferență de timp a fost de a întârzia faza de ton efectuată la o ureche. Un experiment bun a fost necesar pentru a demonstra irelevanța diferenței de fază simplă.  Shaxby şi  Gage  folosit metoda de echilibrare sau „centrare”. Participantul reglează factorii până când sunetul îi pare să vină din planul median (de obicei de la dreapta în față). De fapt, el se confruntă direct cu sursa aparentă de sunet, modul cel mai precis de a localiza sursele. Centrarea a fost folosită cu „localizatori de sunet”, în determinarea direcției unui avion sau submarin. Cu cât este mai mare diferența de intensitate, cu atât mai mare trebuie să fie diferența de fază (timp) compensatoare. Rezultatul de importanță principală a fost că diferența de timp necesară pentru a compensa o anumită diferență de intensitate a fost aproximativ aceeași la frecvențe diferite, în timp ce diferența de fază necesară a variat cu frecvența tonului.

De exemplu, pentru a echilibra o diferență de intensitate de 6 db, au fost necesare următoarele ajustări, exprimate în diferența de fază și de timp:

Și pentru a echilibra o diferență de intensitate de 14 DB, s-au găsit următoarele necesare:

Potrivit acestor rezultate, există o relație clară între factorul de timp și intensitate în centrare. Ceea ce contează este că un factor de localizare nu este faza, ci diferența binaurală de timp. 

Localizarea în aer liber a tonurilor

. În aer liber, atât tonurile joase cât și cele înalte trebuie să fie localizate cu exactitate, dar nu tonuri de frecvență medie de la 1500 la 3000 sau 4000 cicluri. În acest interval mediu de localizare  ar trebui să fie inexacte, deoarece nici o diferență de timp, nici diferența de intensitate n-ar fi de mare ajutor. Experimentatorii au așezat participantul  pe un scaun înalt pe acoperișul unei clădiri unde reflecţia sunetului a fost evitată. Ei au atașat un difuzor puternic la capătul unui braț de aproape 4 m, care ar putea fi mutat fără zgomot la orice unghi la nivelul de urechii participantului. Frecvențele destul de pure de la 60 la 10000 ~ au fost transmise printr-un difuzor fără clicuri la debutul și încetarea sunetului. Tonurile au fost emise din față, lateral, spate și poziția intermediară.  Participantul avea sarcina de a desemna poziția sursei după fiecare stimulare. Inversări dreapta-stânga practic nu au avut loc. Inversarea față-spate a fost frecventă, dar nu au fost numărate ca erori atât timp cât unghiul de direcție a fost raportat corect.

Predicția principală a fost verificată, după cum se poate observa în Fig. 1. Alte două constatări au o importanță teoretică:

(1) inversări față-spate, deși comune la frecvențe joase ale tonului, au fost aproape absente la frecvențe înalte. Urechea exterioară este astfel construită încât ar trebui să capteze umbrele sunetelor, făcând sunetele din spate mai slabe decât același sunet din față. Dar astfel de umbre sunt exprimate numai la frecvențe înalte. Chiar și la cei mai buni această diferență de intensitate față-spate nu este atât de directă ca o diferență binaurală; este o diferență între prezentări succesive ale unui sunet din față și din spate și depinde de experiența anterioară a participantului cu sursa de sunet în ambele poziții.

(2) erorile de localizarea au fost mai mici în apropierea planului median și cea mai mare în apropierea unghiului de 90°, la urechea opusă. Acest rezultat a fost obținut în experimentele timpurii ale cuștilor de sunet și are o explicație teoretică bună, deoarece diferența de timp binaurală și diferența de intensitate se schimbă atât de încet pe măsură ce sursa este mutată înainte și înapoi în regiunea unghiului de 90°. Ne-am fi aşteptat, înainte de a privi în geometria și fizica problemei, că ar trebui să fie amplasate cel mai exact la partea laterală a capului și cel mai puțin precis în față și în spate, exact în opoziţie cu faptele.

Un alt punct merită să fie analizat în legătură cu experimentul Stevens şi Newman și Fig. 1. Dacă diferența de timp și diferența de intensitate se descompun în intervalul de frecvență medie, de ce curba de eroare nu crește mult mai mare? De ce sunt inversări stânga-dreapta în cea mai mare parte absente în acest interval? Și de ce acești anchetatori și mulți alții au descoperit că  clicurile sunt localizate mai precis decât tonurile continue? Debutul brusc al clicului este foarte favorabile pentru diferența binaurală de timp. Se pare că diferența binaurală de timp este cel mai universal și precis indiciu de direcție a sunetului în viața de zi cu zi.

Nu trebuie să presupunem că participantul observă  diferența de timp și deduce direcția sunetului. Fracțiunile mici de o milisecunde care se dovedesc a fi indicii de direcție sunt imperceptibile ca intervale de timp. Trebuie să gândim în termeni fiziologici. Ne putem imagina un mecanism neuronal care controlează mișcările musculare care întorc capul și ochii spre o sursă de sunet. Dacă impulsurile nervoase ar trebui să ajungă la o singură ureche, mecanismul neural ar întoarce capul spre acea parte. Când impulsurile sosesc mai întâi la o ureche, răspunsul inițial față de acea parte își menține avantajul dacă nu este compensat de o presiune considerabilă din partea celeilalte urechi. Acest  efect  de prioritate a fost demonstrat în mod clar de Wallach, Newman şi  Rosenzweig.

Figura 1. Localizarea în aer liber. Abscisa oferă o scală logaritmică a frecvenţelor şi ordonata indică eroarea media în grade a judecăţilor efectuate asupra direcţiei de către doi participanţi.

În toate experimentele pe care le-am luat în considerare participantul ar trebui să țină capul staționare, o restricție care nu se aplică la auzul de zi cu zi și localizarea  de sunete. Atunci când diferența binaurală zero indică un sunet  oriunde în planul median, o persoană poate transforma capul și produce diferențe binaurale, care vor indica locația sursei cu mai multă siguranță. Dar de cotitura capului la dreapta sau la stânga (pe axa sa verticală) el poate distinge față și spate, și prin înclinarea capul la o parte sau alta (pe o axă orizontală față-spate) el poate distinge în sus și în jos. În aceleași moduri, el poate distinge părți din orice „con de confuzie”. Experimentele sintetice care gestionează modificările binaurale produse în mod normal de mișcările capului au arătat că aceste modificări binaurale sunt efectiv  utilizate  în  localizarea  sunetelor.

Când se vede sursa sunetului, semnalul vizual confirmă în mod obișnuit indiciile binaurale ale direcției. Într-un laborator indiciile vizuale pot fi făcute pentru a intra în conflict cu o diferență binaurală de timp. Vizual sursa este drept înainte, fonetic poate fi 10-20° la stânga înainte de a avea încredere în urechi.