Een auditief trucje

En dat is wel nodig voor de weergave van virtueel geluid via toekomstige koptelefoons.

Als een draaiorgel speelt, horen we waar dat geluid vandaan komt. Zouden we het geluid opnemen en thuis het geluid via een koptelefoon afluisteren, dan horen we het in ons hoofd. Erno Langendijk van de (inmiddels voormalige) sectie Akoestiek en Perceptie onderzocht bij TNO-Technische Menskunde in Soesterberg of geluid zó te vervormen is, dat we het wél driedimensionaal kunnen horen via een koptelefoon. Zodat de orgelman in de head set aan de overkant van de straat lijkt te zijn, in plaats van in ons hoofd.

Met zo’n driedimensionaal virtueel geluid worden je spelletjes op de computer levensecht. Een andere toepassing is de luchtvaart. Dreigt een piloot tegen een ander vliegtuig aan te vliegen, dan kan hij onmiddellijk met een uitwijkingsmanoeuvre reageren op een waarschuwingssignaal in zijn 3D-koptelefoon, zonder dat hij op zijn radarscherm hoeft te kijken. Met een normale koptelefoon weet de piloot niet uit welke richting het gevaar komt.

Tot nu toe konden onderzoekers echter geen koptelefoon met virtueel driedimensionaal geluid ontwikkelen die voor iedereen bruikbaar zou zijn. ,,Het ongemak van huidige 3D virtuele hoofdtelefoons is dat een onderzoeker ingewikkelde metingen moet doen nabij het trommelvlies van de luisteraar”, verklaart Langendijk.

Daarnaast hoort ieder individu anders. Het gehoorcentrum registreert ieder aspect van geluid uit allerlei richtingen in aparte gebiedjes in de hersenen. De oorschelp speelt daarin een grote rol. Als een filter bepaalt die de gehoorintensiteit en de richting waar het geluid vandaan komt. Ook de positie van het lichaam en de kamer waarin iemand staat zijn belangrijk. Veel prullaria in een kamer dempen of weerkaatsen het geluid en een klein knikje met het hoofd geeft ook weer een andere geluidsweergave.

Kleurendoof

Rekeninghoudend met al deze kenmerken is het onmogelijk dat twee mensen exact hetzelfde horen. Daarom is driedimensionaal virtueel geluid over een koptelefoon voor iedereen anders. ,,Iedereen heeft zijn eigen klankkleur waarmee hij bepaalt waar hij zich bevindt”, aldus Langendijk. Iemand die dat niet kan bepalen, zouden we – volgens een van zijn stellingen uit zijn proefschrift – kleurendoof kunnen noemen.

Langendijk onderzocht tijdens zijn promotieonderzoek of het mogelijk was om toch al die variaties in gehoor te generaliseren. Inzet: een hoofdtelefoon die 3D virtueel geluid reproduceert en bruikbaar is voor meerdere mensen.

Maar een geluidsonderzoek met proefpersonen is nog niet zomakkelijk. Ze mogen hun hoofd niet bewegen, mogen niet weten waar de geluidsbron vandaan komt en de kamer moet zo kaal mogelijk zijn zodat geluidsreflecties van de muren en de apparaten in de kamer tot een minimum zijn gereduceerd.

Urenlang zaten Langendijks proefpersonen met slangetjes in de oren, met daaraan microfoontjes van nog geen halve millimeter die het geluid van een luidspreker registreerden. De luidspreker stond op een enorme arcade, die vanuit bijna duizend posities de oren van de luisteraars teisterde.

De onderzoeker kwam tot de volgende ontdekking: geluid, van bijvoorbeeld een draaiorgel, komt uit verschillende richtingen met een grillige golf in de lucht ons oor binnen. Deze trilling wordt door het trommelvlies overgebracht op het slakkenhuis, die de trillingen vertaalt in frequenties. Afhankelijk van de richting van het geluid worden sommige frequenties versterkt en anderen verzwakt. Daardoor ontstaan pieken en dalen in het frequentiespectrum ontstaan. Deze (richtingsafhankelijke) pieken en dalen wist Langendijk afzonderlijk te beïnvloeden. Daardoor kon hij in een lokalisatie-experiment bepalen welke piek of welk dal van belang is voor welke richting.

De onderzoeker ontdekte dat de eerste piek in het frequentiespectrum ervoor zorgt dat we geluid van boven horen. Met het eerste dal horen we geluid van onderen en een tweede piek bepaalt of we geluid van voren of van achter horen.

Stereo

Door die pieken en dalen na te bootsen kan een hoofdtelefoon worden gemaakt met driedimensionaal virtueel geluid dat niet alleen van links of rechts lijkt te komen, zoals bij normale stereo weergave, maar uit elke willekeurige richting – dus ook van boven en van onderen en van voor en achten. ,,Het is wel belangrijk de kleine subtiele verschillen in geluidsspectra tussen mensen aan te brengen”, zegt Langendijk. ,,Dit kan met een soort equalizer, die makkelijk persoonlijk in te stellen is.” De toekomstige equalizer kan worden ingebouwd in de huidige equalizers of direct in de hoofdtelefoon, zodat een persoonlijke, unieke driedimensionale virtuele hoofdtelefoon wordt gemaakt. Wanneer die in de winkels ligt is nog niet bekend. Jammer, vindt Langendijk. ,,Zo’n systeem is beter dan een Dolby Surround System met vijf luidsprekers.”

Als iemand hard ‘au!’ roept, weten we precies waar dat geluid vandaan komt. Ondanks vele onderzoeken weten wetenschappers niet hoe onze hersenen geluiden uit de ruimte om ons heen registreren. En dat is wel nodig voor de weergave van virtueel geluid via toekomstige koptelefoons.

Als een draaiorgel speelt, horen we waar dat geluid vandaan komt. Zouden we het geluid opnemen en thuis het geluid via een koptelefoon afluisteren, dan horen we het in ons hoofd. Erno Langendijk van de (inmiddels voormalige) sectie Akoestiek en Perceptie onderzocht bij TNO-Technische Menskunde in Soesterberg of geluid zó te vervormen is, dat we het wél driedimensionaal kunnen horen via een koptelefoon. Zodat de orgelman in de head set aan de overkant van de straat lijkt te zijn, in plaats van in ons hoofd.

Met zo’n driedimensionaal virtueel geluid worden je spelletjes op de computer levensecht. Een andere toepassing is de luchtvaart. Dreigt een piloot tegen een ander vliegtuig aan te vliegen, dan kan hij onmiddellijk met een uitwijkingsmanoeuvre reageren op een waarschuwingssignaal in zijn 3D-koptelefoon, zonder dat hij op zijn radarscherm hoeft te kijken. Met een normale koptelefoon weet de piloot niet uit welke richting het gevaar komt.

Tot nu toe konden onderzoekers echter geen koptelefoon met virtueel driedimensionaal geluid ontwikkelen die voor iedereen bruikbaar zou zijn. ,,Het ongemak van huidige 3D virtuele hoofdtelefoons is dat een onderzoeker ingewikkelde metingen moet doen nabij het trommelvlies van de luisteraar”, verklaart Langendijk.

Daarnaast hoort ieder individu anders. Het gehoorcentrum registreert ieder aspect van geluid uit allerlei richtingen in aparte gebiedjes in de hersenen. De oorschelp speelt daarin een grote rol. Als een filter bepaalt die de gehoorintensiteit en de richting waar het geluid vandaan komt. Ook de positie van het lichaam en de kamer waarin iemand staat zijn belangrijk. Veel prullaria in een kamer dempen of weerkaatsen het geluid en een klein knikje met het hoofd geeft ook weer een andere geluidsweergave.

Kleurendoof

Rekeninghoudend met al deze kenmerken is het onmogelijk dat twee mensen exact hetzelfde horen. Daarom is driedimensionaal virtueel geluid over een koptelefoon voor iedereen anders. ,,Iedereen heeft zijn eigen klankkleur waarmee hij bepaalt waar hij zich bevindt”, aldus Langendijk. Iemand die dat niet kan bepalen, zouden we – volgens een van zijn stellingen uit zijn proefschrift – kleurendoof kunnen noemen.

Langendijk onderzocht tijdens zijn promotieonderzoek of het mogelijk was om toch al die variaties in gehoor te generaliseren. Inzet: een hoofdtelefoon die 3D virtueel geluid reproduceert en bruikbaar is voor meerdere mensen.

Maar een geluidsonderzoek met proefpersonen is nog niet zomakkelijk. Ze mogen hun hoofd niet bewegen, mogen niet weten waar de geluidsbron vandaan komt en de kamer moet zo kaal mogelijk zijn zodat geluidsreflecties van de muren en de apparaten in de kamer tot een minimum zijn gereduceerd.

Urenlang zaten Langendijks proefpersonen met slangetjes in de oren, met daaraan microfoontjes van nog geen halve millimeter die het geluid van een luidspreker registreerden. De luidspreker stond op een enorme arcade, die vanuit bijna duizend posities de oren van de luisteraars teisterde.

De onderzoeker kwam tot de volgende ontdekking: geluid, van bijvoorbeeld een draaiorgel, komt uit verschillende richtingen met een grillige golf in de lucht ons oor binnen. Deze trilling wordt door het trommelvlies overgebracht op het slakkenhuis, die de trillingen vertaalt in frequenties. Afhankelijk van de richting van het geluid worden sommige frequenties versterkt en anderen verzwakt. Daardoor ontstaan pieken en dalen in het frequentiespectrum ontstaan. Deze (richtingsafhankelijke) pieken en dalen wist Langendijk afzonderlijk te beïnvloeden. Daardoor kon hij in een lokalisatie-experiment bepalen welke piek of welk dal van belang is voor welke richting.

De onderzoeker ontdekte dat de eerste piek in het frequentiespectrum ervoor zorgt dat we geluid van boven horen. Met het eerste dal horen we geluid van onderen en een tweede piek bepaalt of we geluid van voren of van achter horen.

Stereo

Door die pieken en dalen na te bootsen kan een hoofdtelefoon worden gemaakt met driedimensionaal virtueel geluid dat niet alleen van links of rechts lijkt te komen, zoals bij normale stereo weergave, maar uit elke willekeurige richting – dus ook van boven en van onderen en van voor en achten. ,,Het is wel belangrijk de kleine subtiele verschillen in geluidsspectra tussen mensen aan te brengen”, zegt Langendijk. ,,Dit kan met een soort equalizer, die makkelijk persoonlijk in te stellen is.” De toekomstige equalizer kan worden ingebouwd in de huidige equalizers of direct in de hoofdtelefoon, zodat een persoonlijke, unieke driedimensionale virtuele hoofdtelefoon wordt gemaakt. Wanneer die in de winkels ligt is nog niet bekend. Jammer, vindt Langendijk. ,,Zo’n systeem is beter dan een Dolby Surround System met vijf luidsprekers.”