Ihmiskorva erottaa jopa puolen millisekunnin viiveen

Kuulo on ihmisen herkimpiä aisteja, ja siksi pienetkin äänen laadun ongelmat voivat häiritä kuuntelukokemusta.

Aalto-yliopiston akustiikan tutkijat selvittivät yhdessä kaiutinvalmistaja Genelecin kanssa, miten pieniä viiveitä ihmiskorva pystyy erottamaan ihmisen kuulon herkimmällä alueella. Ihminen aistii ääntä 20-20 000 hertsin välillä.

Ainutlaatuisen tutkimuksesta teki se, että tutkijat selvittivät paitsi viivästymisen vaikutusta myös sitä, miten kuulija aistii sen, kun tietty taajuussisältö siirtyykin ajallisesti aikaisemmaksi. Käytännössä se tarkoittaa, että tutkijat pystyivät selvittämään, kuinka herkästi ihminen kuulee tietyn taajuusalueen äänitapahtuman, kun se saapuu korvaan ennen muita ääniä.

Negatiivinen viive tuhannesosasekunnin murto-osien tarkkuudella tuotettiin suodattimilla, jotka siirtelevät taajuuksia ajassa eri kohtaan muuttamatta äänen määrää.

”Käyttämämme taajuusselektiivinen takaperin suodattaminen on uusi tekniikka digitaalisen signaalinkäsittelyn alalla. Negatiivisen viiveen aikaansaaminen edellyttää siirtymistä ajassa tulevaisuuteen. Tämä ilmiö tuotettiin ohjelmistolla, joka toimi näin vertauskuvallisesti aikakoneena”, kertoo Aalto-yliopiston tutkijatohtori Juho Liski.

Tuhannesosasekunnin viiveellä on merkitys

Kuuntelukokeessa kaksitoista koehenkilöä sai kuultavakseen käsitellyn ja käsittelemättömän äänen, ja tutkijat selvittivät, pystyivätkö koehenkilöt erottamaan ne luotettavasti toisistaan. Testiääninä käytettiin muun muassa rytmisoitin kastanjettia ja lyhyitä napsahduksia.

”Kaiuttimen vahvistuksen vaihtelun kuuluvuus eri taajuuksilla tunnetaan hyvin, mutta ryhmäviiveen vaihtelun kuuluvuutta on tutkittu vähemmän. Ryhmäviiveen vaihtelu johtaa tiettyjen taajuusalueiden siirtymiseen ajassa eteen tai taaksepäin muihin taajuuksiin verrattuna”, Aalto-yliopiston professori Vesa Välimäki toteaa.

Tiedetään, että tavallisesti ääni viivästyy kulkiessaan kaiuttimen läpi, mutta sitä ei, kuinka herkästi tästä aiheutuva muutos on kuultavissa eri taajuuksilla.

”Tutkimus osoitti, että eroja signaaleissa kuului, kun ääni alkoi tietyllä taajuudella etuajassa noin puolen millisekunnin verran. Myös tiettyjen taajuuksien viivästäminen suhteessa muuhun ääneen oli kuultavissa. Havaintokynnyksen ylittävä viivemuutoksen määrä vaihteli huomattavasti eri taajuuksilla. Viiveet havaittiin erityisesti, kun ääni alkoi tai loppui”, Välimäki ja Liski kertovat työn tuloksista.

Digitaalisen signaalinkäsittelyn kehittyminen on mahdollistanut erittäin tarkan äänenkäsittelyn, mikä avaa uusia mahdollisuuksia akustiikan tutkimuksessa ja kehityksessä.

”Tärkein tavoitteemme kehitystyössä on tuoda kuuluviin kaikki se, mikä on äänitetty, mutta ei mitään ylimääräistä. Kaiuttimien kyky tuottaa tarkka stereoäänikuva on tärkeä ominaisuus, ja ajallisesti tarkan äänisignaalin tuottaminen on keskeinen osa tätä. Tutkimusyhteistyö Aalto-yliopiston kanssa on tärkeää, koska näin opimme tuntemaan tarkemmin tarkkuusvaatimuksen, johon kaiuttimien suunnittelussa on päästävä. Meitä kiinnostaa se raja, jonka jälkeen ihminen ei enää kykene kuulemaan eroa äänen samanaikaisuuden parantuessa”, Aki Mäkivirta, Genelecin R&D-johtaja sanoo.

Tulokset on julkaistu alan huippulehdessä IEEE/ACM Transactions on Audio, Speech, and Language Processing.

Open Access -artikkeli on luettavissa tästä linkistä

Viiveen kuulemista on tutkittu Aalto-yliopiston akustiikan laboratoriossa viime vuosina IMPRESS- ja IMPRESS2-projekteissa, jotka Genelec on rahoittanut.