Uho je naš najhitrejši senzorski organ
Marjan Kodelja 1. novembra 2017 ob 05:20

Lahko določa, iz katere smeri prihaja zvok, na nekaj stopinj natančno. Z dobrimi 15 tisoč »slušnimi« celicami na uho lahko razloči 400 tisoč tonov. Vseeno pa sliši manj kot mikrofon, saj na primer ne slišimo pesmi kitov, ki jih ti oddajo na frekvenci 280 kHz. Človek lahko sliši le zvočne frekvence na področju med 16 Hz in 20 kHz. Mikrofoni omejitve nimajo, ne znajo pa, kar je za človeka naravno – izolirati enega zvoka (se osredotočiti nanj) in določiti njegov izvor. 

Če vemo, iz katere smeri nam preti nevarnost, ki je ne vidimo, temveč le slišimo, se lahko primerno odzovemo. Zbežimo v nasprotno smer ali se postavimo v obrambni položaj v pravi smeri. Človeška ušesa lahko dokaj zanesljivo zaznajo tako smer kot tudi oddaljenost zvočnega vira zaradi tako imenovanega binauralnega ali dvoušesnega sluha. To človeško lastnost znanstveniki uporabljajo tudi pri različnih napravah. Človeški možgani so namreč sposobni zaznati časovni zamik zvoka med obema ušesoma (Interaural Time Difference – ITD) in tudi razliko v jakosti (Interaural Intensity Difference IID). Razliko v jakosti povzroči človekova glava, saj se od nje zvok odbija in nastane zvočna senca. Tako je zvok, ki prihaja v eno uho, močnejši, v drugem pa šibkejši. Časovna razlika nastane iz enakega razloga. Če zvok (hitrost je 340 m/s) prihaja z leve strani, ga bo levo uho zaznalo prej kot desno. Hitrost je sicer res velika, a je tudi človeški organizem hiter, saj znajo možgani zaznati oziroma ovrednotiti tudi deset mikrosekundne časovne razlike. Enako načelo vrednotenja časovnega zamika se uporablja tudi v napravah s pomočjo programske opreme. A te so za zdaj bistveno počasnejše od človeškega organizma, saj znajo ločiti oziroma ovrednotiti le zamike nad deset milisekund.

Znanstveniki, ki poskušajo posnemati človeški sluh, uporabljajo dva postopka.

Bodisi naredijo umetno glavo, nato pa na mesto levega in desnega ušesa namestijo mikrofona ali pa uporabijo več mikrofonov. Umetni sistemi delujejo zelo dobro v laboratorijskih razmerah, odpovejo pa v realnih situacijah, saj jim, tako kot pri vidu, manjka inteligenca. Tipični primer je zabava, prostor z veliko ljudmi, ki se med seboj pogovarjajo, hkrati pa iz zvočnikov odmeva glasba. Človek je sposoben slediti sogovorniku, stroj pa je zasut z zvokom, saj sistem za filtriranje frekvenc odpove. Za stroj je vse, kar zazna, le hrup, saj ne ve, kateremu zvoku naj sledi, saj ne pozna pojma vsebine. Mi ga poznamo in natančno vemo, kateri zvok moramo izolirati, če se želimo pogovarjati v takšnem okolju.

Posnemanje človeškega sluha je praktične narave, saj bi se te sisteme dalo uporabljati pri boljših napravah za prostoročno telefoniranje, videokonferencah, pa tudi v pametnih mobilnih telefonih. Rešitev filtriranja določenih zvokov ni vedno uporabna, saj na primer filtriranje in utišanje zvoka avtomobilskega motorja vpliva tudi na frekvence govora, ki naj bi ga mikrofon zajel čim čistejšega. Zato v vozila vgrajujejo več mikrofonov, katerih naloga je spremljanje in filtriranje hrupa, tako da ostane le glas voznika. Podoben sistem uporabljajo tudi v pametnih telefonih, ki primerjajo zvok, ki sta ga zajela mikrofon na hrbtni in mikrofon na prednji strani. Zvoke, ki sta jih zaznala oba mikrofona, sistem ne filtrira. Do inteligentnega sistema, ki bi vsaj do neke mere znal posnemati človeški sluh, pa je še dolga pot. Problem je še vedno vsakodnevni hrup, saj se umetni slušni sistemi ne znajo hitro prilagoditi na različne situacije in okolja in se odločiti, kateri zvok izolirati in mu slediti in katerim ne. Doslej so uspeli izdelati le sisteme prepoznave govora, ki so enostavnejši. Oseba, katere govor bo sistem prepoznal, govori neposredno v mikrofon, hrupa skoraj ni, prav tako pa ni pomembno, iz katere smeri zvok prihaja.

Ne bomo še kmalu razvili umetnega sluha, ki bi bil dovolj zmogljiv, da bi le na podlagi zvokov vodil robota. Pričakujejo, da bi se to utegnilo zgoditi, ko bodo robotovi možgani lahko obdelovali signale vzporedno (sočasno). Pa še takrat bo robot moral še v nečem posnemati nas. Tudi mi ne »poslušamo« le z ušesi. Zaslišimo zvok, poskušamo najti izvor z očmi in obrnemo glavo tako, da izvor zvoka določimo natančneje. Kot ne gledamo z očmi, tudi slišimo ne z očmi, temveč z možgani.

Sluh človeka: Tako sliši človek

Zunanje uho preusmeri zvočne valove v notranje uho, kjer zvočni valovi »vzburijo« tekočino v ušesu in se prek nje pretvorijo v živčni signal.

Ko zvočni valovi zanihajo bobnič, se to valovanje prenese na slušne koščice in prek teh do polža. V polžu so slušne čutnice, ki imajo dlačice, ki se s pomočjo tekočine, ki je v polžu, in njenega pretakanja vzdražijo. Ti dražljaji se prenesejo na čutilna živčna vlakna in potujejo do središča za sluh v možganih. Slušni živec ima okoli 30 tisoč vlaken, vsako je odgovorno za prenos frekvence, ki jo je zaznala slušna čutnica. Zunanje slušne celice v polžu okrepijo zvok, notranje pa ga spremenijo v živčni signal.

Prednosti in slabosti:

(+) hitra pretvorba zvoka v živčne signale

(+) lociranje izvora zvoka na nekaj stopinj natančno

(+) zelo dobro dušenje hrupa

(-) omejen interval zvočnih frekvenc, ki jih slišimo

(-) s staranjem se sluh slabša

Sluh stroja: Kako sliši robot

Tudi stroj se lahko v prostoru orientira na podlagi zvoka, vendar za to potrebuje vsaj dva mikrofona.

Zvočni valovi neovirano potujejo do levega mikrofona, zaradi poti okoli glave (senca glave) pa na desnega pridejo malenkost pozneje in so malenkostno tišji.

Zvočna kartica spremeni analogni signal, ki ga je posnel mikrofon, v digitalno obliko, glede na želeno kvaliteto. Večina deluje s frekvenco vzorčenja 44,1 kHz, kar je primerljivo s kvaliteto zvoka, zapisanega na ploščah CD. Drugače povedano, analogni signal vzorči na vsake 22,67 mikrosekunde.

Algoritem meri čase na dveh zvočnih kanalih in na podlagi časovnih razlik izračuna, iz katere smeri prihaja zvok.

Mikrofon spreminja zvok (nihanje zračnega tlaka) v električno napetost. Spreminjanje zračnega tlaka okoli membrane mikrofona »prisili« membrano mikrofona, da niha po enakem vzorcu. Med nihanjem se spreminja razdalja med membrano in elektrodo, kar vpliva na električni signal.

Prednosti in slabosti:

(+) mikrofon posname več zvočnih frekvenc

(-) določanje položaja izvora zvoka deluje le v laboratorijskih razmerah

(-) orientacija na podlagi zvoka v realnih scenarijih ni mogoča

(-) počasna obdelava signala

(-) slabi sistemi odpravljanja hrupa

 

Naroči se na redna vsakotedenska e-poštna obvestila o novih prispevkih na naši strani.


Avtor Marjan Kodelja
mm
Marjan se s tehnološkim novinarstvom ukvarja od leta 1997 in v tem času je videl že mnogo stvari, ki se nikoli niso uveljavile ali pa so imele kratek čas trajanja. Začel je pri računalniški reviji Moj mikro in ter 2000 postal njen urednik. Veliko kasneje je bil urednik naprej tednika Stop in nato še tednika Vklop, trenutno pa kruh služi s pisanjem tehnoloških člankov.
Marjan Kodelja - prispevki
Brez komentarjev

Dodaj odgovor

Vaš e-naslov ne bo objavljen. * označuje zahtevana polja