Эффект предшествования или закон первого волнового фронта — это бинауральный психоакустический эффект , касающийся отражения звука и восприятия эха . Когда две версии одного и того же звука разделены достаточно короткой задержкой по времени (ниже порога эха слушателя), слушатели воспринимают одно слуховое событие; его воспринимаемое пространственное местоположение определяется местоположением первого прибывшего звука (первый волновой фронт ). Запаздывающий звук также влияет на воспринимаемое местоположение; однако его эффект в основном подавляется первым прибывшим звуком.
Эффект Хааса был описан в 1949 году Хельмутом Хаасом в его докторской диссертации. [1] Термин «эффект Хааса» часто вольно трактуется как включающий эффект предшествования, который лежит в его основе.
Джозеф Генри опубликовал работу «О пределе чувствительности прямого и отраженного звука» в 1851 году. [2]
«Закон первого волнового фронта» был описан и назван в 1948 году Лотаром Кремером. [3]
«Эффект предшествования» был описан и назван в 1949 году Уоллахом и др. [4] Они показали, что когда два одинаковых звука предъявляются в близкой последовательности, они будут слышны как один слитый звук. В их экспериментах слияние происходило, когда задержка между двумя звуками составляла от 1 до 5 мс для щелчков и до 40 мс для более сложных звуков, таких как речь или фортепианная музыка. Когда задержка была больше, второй звук слышался как эхо.
Кроме того, Уоллах и др. продемонстрировали, что когда последовательные звуки, исходящие из источников в разных местах, слышны как слитые, кажущееся местоположение воспринимаемого звука определяется местоположением звука, который первым достиг ушей (т. е. первым прибывшим волновым фронтом). Звук, прибывший вторым, оказывает лишь очень небольшое (хотя и измеримое) влияние на воспринимаемое местоположение слитого звука. Они обозначили это явление как эффект предшествования и отметили, что оно объясняет, почему локализация звука возможна в типичной ситуации, когда звуки отражаются от стен, мебели и т. п., тем самым обеспечивая множественные последовательные стимулы. Они также отметили, что эффект предшествования является важным фактором в восприятии стереофонического звука.
Уоллах и др. не варьировали систематически интенсивность двух звуков, хотя они ссылались на исследование Ленгмюра и др. [5], в котором предполагалось, что если второй поступивший звук по крайней мере на 15 дБ громче первого, эффект предшествования нарушается.
«Эффект Хааса» появился в 1951 году в статье Хельмута Хааса. [6] В 1951 году Хаас исследовал, как восприятие речи изменяется при наличии одного когерентного отражения звука. [7] Для создания безэховых условий эксперимент проводился на крыше отдельно стоящего здания. Другой тест проводился в комнате со временем реверберации 1,6 с. Тестовый сигнал (записанная речь) издавался двумя одинаковыми громкоговорителями, расположенными под углом 45° слева и справа на расстоянии 3 м от слушателя.
Хаас обнаружил, что люди локализуют источники звука в направлении первого прибывающего звука, несмотря на наличие одного отражения с другого направления, и что в таких случаях воспринимается только одно слуховое событие . Отражение, прибывающее позже, чем через 1 мс после прямого звука, увеличивает воспринимаемый уровень и объем (точнее, воспринимаемую ширину источника звука). Одиночное отражение, прибывающее с задержкой от 5 до 30 мс, может быть на 10 дБ громче прямого звука, не воспринимаясь как вторичное слуховое событие (т. е. оно не звучит как эхо). Этот временной промежуток варьируется в зависимости от уровня отражения. Если прямой звук приходит с того же направления, куда смотрит слушатель, направление отражения не оказывает существенного влияния на результаты. Если более высокие частоты отражения ослабляются, подавление эха продолжает происходить, даже если задержка между звуками несколько больше. Увеличенное время реверберации помещения также расширяет временной промежуток, доступный для подавления эха. [8]
Эффект предшествования возникает, если последующие волновые фронты приходят между 2 мс и примерно 50 мс позже первого волнового фронта. Этот диапазон зависит от сигнала. Для речи эффект предшествования исчезает при задержках более 50 мс, но для музыки эффект предшествования все еще может возникать при задержках, приближающихся к 100 мс. [9]
В экспериментах с опережением и задержкой с двумя щелчками эффекты локализации включают аспекты суммирования локализации , доминирования локализации и подавления дискриминации задержек . Последние два обычно считаются аспектами эффекта предшествования: [10]
При задержках более 50 мс (для речи) или около 100 мс (для музыки) задержанный звук воспринимается как эхо первого пришедшего звука, и каждое направление звука локализуется отдельно и правильно. Задержка восприятия эха зависит от характеристик сигнала. Для сигналов с импульсными характеристиками эхо воспринимается при задержках более 50 мс. Для сигналов с почти постоянной амплитудой порог восприятия эха может быть повышен до разницы во времени в 1–2 секунды.
Особым проявлением эффекта предшествования является эффект Хааса. Хаас показал, что эффект предшествования проявляется даже если уровень задержанного звука на 10 дБ выше уровня первого волнового фронта. В этом случае эффект предшествования работает только для задержек от 10 до 30 мс.
Эффект предшествования важен для слуха в закрытых помещениях. С помощью этого эффекта остается возможность определить направление источника звука (например, направление говорящего) даже при наличии отражений от стен.
Результаты исследований Хааса можно применить к системам звукоусиления и системам оповещения . Сигнал для громкоговорителей, размещенных в удаленных от сцены местах, может быть задержан электронным способом на величину, равную времени, которое требуется звуку для прохождения по воздуху от сцены до удаленного места, плюс около 10–20 миллисекунд, и воспроизводиться на уровне до 10 дБ громче, чем звук, достигающий этого места непосредственно со сцены. Первое поступление звука от источника на сцене определяет воспринимаемую локализацию, тогда как немного более поздний звук от задержанных громкоговорителей просто увеличивает воспринимаемый уровень звука, не оказывая отрицательного влияния на локализацию. В этой конфигурации слушатель будет локализовать весь звук с направления прямого звука, но он выиграет от более высокого уровня звука, который был усилен громкоговорителями. [11]
Эффект предшествования может быть использован для усиления восприятия окружения во время воспроизведения стереозаписей. [12] Если еще два динамика размещены слева и справа от слушателя (в дополнение к двум основным динамикам) и на них подается тот же программный материал, но с задержкой в 10–20 миллисекунд, компоненты окружения случайной фазы звука станут достаточно декоррелированными, чтобы их невозможно было локализовать. Это эффективно извлекает существующее окружение записи, в то же время оставляя ее передние «прямые» звуки по-прежнему исходящими спереди. [13] [14]
Этот эффект был учтен и использован в психоакустике декодера Fosgate Tate 101A SQ, разработанного Джимом Фосгейтом при консультации с Питером Шайбером и Мартином Уиллкоксом, для получения гораздо лучшей пространственности и направленности при матричном декодировании звука 4-2-4 ( квадрофонического SQ ).
Во многих старых конструкциях контрольных комнат LEDE («живой конец, тупик») использовались так называемые «кикеры Хааса» — отражающие панели, размещенные сзади для создания зеркальных отражений, которые, как считалось, обеспечивали более широкую зону прослушивания стерео или повышали разборчивость. [15] Однако то, что полезно для одного типа звука, вредно для других, поэтому кикеры Хааса, как и компрессионные потолки, больше не используются в контрольных комнатах. [16]
После докторской диссертации Хельмута Хааса, представленной в Гёттингенском университете, Гёттинген, Германия, под названием "Über den Einfluss eines Einfachechos auf die Hörsamkeit von Sprache"; переведенной на английский язык доктором инженером К. П. Р. Эренбергом, Building Research Station, Watford, Herts., England Library Communication № 363, декабрь 1949 г.; воспроизведенной в США под названием "The Influence of a Single Echo on the Audibility of Speech", J. Audio Eng. Soc., Vol. 20 (март 1972 г.), стр. 145-159.