Äänen havaitseminen

Äänen havaitseminen perustuu ääniaallon aiheuttaman ilmanpaineen vaihtelun muuttumiseen hermoimpulsseiksi. Havaintoon vaikuttavat lukuisat kuulon, äänilähteen sekä tilan akustiset ominaisuudet. Kuuloaistimuksen vastaanottaa korva, mutta matalat äänet voidaan tuntea myös värähtelynä.

Ihminen havaitsee ääniaaltojen antamat signaalit ja muodostaa niistä käsitteitä. Alle sekunnin kestävästä äänestä voidaan havaita ominaisuuksia kuten äänenkorkeus, kesto, äänen väri ja äänen voimakkuus sekä suunta mistä ääni tulee. Näistä ihminen voi erottaa akustisia vihjeitä äänten merkityksestä sekä tunnistaa tutut äänteet. Noin sekunnin kestävästä äänestä voidaan jo erottaa äänenvirtaa, segmenttejä, dynamiikkaa, sykettä tai rytmiä, sekä harmoniaa ja dissonanssia, etenkin jos kyse on musiikin havaitsemisesta.

Äänen havaitsemisen fysiologia

Korvan rakenne mahdollistaa äänten havaitsemisen. Ääniaallot kulkeutuvat ulkokorvasta korvakäytävän kautta tärykalvolle ja välikorvaan, jonka kuuloluut voimistavat äänisignaalin sen saapuessa sisäkorvaan. Sisäkorvan simpukassa sijaitseva Cortin elin tunnistaa äänisignaalien ominaisuuksia kuten korkeuden ja voimakkuuden, ja lähettää signaalit kuuloaivokuorelle.

Äänten havaitsemiseen liittyvät aivotoiminnot

Kun ääniaallot ovat muuntuneet hermoimpulsseiksi sisäkorvassa, kuulohermo johtaa hermoimpulssit kuuloradan tumakkeisiin. Äänen tulosuunta ja sävelkorkeus havaitaan alustavasti jo tässä vaiheessa.

Äänitieto menee pääasiallisesti vasemmasta korvasta oikeaan aivopuoliskoon ja oikeasta korvasta vasempaan aivopuoliskoon. Vasen kuuloaivokuori on tärkeä puheen ymmärtämiselle, kun taas oikealla kuuloaivokuorella havaitaan useimmiten musiikilliset äänet. Kuitenkin on havaittu, että molemmat aivopuoliskot voivat osallistua etenkin monimutkaisen kuuloinformaation, kuten musiikin, havaitsemiseen ja ymmärtämiseen.

Kuuloalue / Äänenkorkeuden havaitseminen

Ihminen havaitsee normaalisti äänet 20 Hz ja 20 000 Hz välillä. Kuulossa on tosin yksilöllisiä eroja, ja vanhemmiten herkkyys korkeiden taajuuksien kuulemiseen katoaa. Eläimet havaitsevat erilaisia taajuuden aloja. Esimerkiksi koirat voivat kuulla taajuuksia 20 000 Hz yläpuolelta ja lepakot jopa 120 000 Hz yläpuolelta. Aivoissa ilmamolekyylien värähtelyn aiheuttamat hermoimpulssit muuttuvat ääniaistimukseksi. Aivot erottavat värähtelyn ominaisuuksista muun muassa äänen korkeuden, rytmin, melodian, tonaalisuuden ja siihen liittyvän tunnelman. Ihminen tulkitsee kuulemaansa ääntä – kuten musiikkia – kykynsä, aikaisempien kokemustensa ja mieltymystensä mukaan.

Äänenvärin havaitseminen

Äänenväri on hyvin moniulotteinen käsite, jonka havaitsemiseen liittyy muun muassa äänen spektri (suom. taajuusjakauma), eli energian määrä kullakin taajuudella. Taajuusjakaumaa voidaan tarkastella Fourier-analyysin avulla.

Taajuusyhdistelyn tuloksena muodostuu äänilähde, jonka taajuuskomponenteista äänenväri syntyy. Toisaalta äänenväri vaikuttaa myös peräkkäisyhdistelyyn. Ihmisen on vaikea yhdistää äänenväriltään erilaiset äänet kuulumaan samaan kuulovuohon, ja esimerkiksi selkeää melodialinjaa on vaikea hahmottaa, mikäli peräkkäisten sävelten äänenväri on erilainen. Äänenvärin havaitsemista on käytetty hyväksi musiikissa 1900-luvulle tultaessa ja usein esimerkiksi huilu soitti viulun kanssa samaa melodiaa, mutta oktaavia korkeammalta, jolloin soittimia ei havaittu erikseen vaan ainoastaan niiden tuottama erikoinen sointiväri.

Kuulon taajuuserottelukyky

Ihmisen kuulokynnys vaihtelee äänen taajuuden mukaan. Herkimmillään kuulo on taajuudeltaan 2–5 kHz korkuisille äänille. Kuulon taajuuserottelukyky heikkenee iän myötä.

Mitä korkeampi kuultava ääni on, sitä suurempi taajuusero (Hz) äänillä on oltava, jotta ihmiskorva pystyisi erottelemaan ne toisistaan. Toisin sanoen havaittu äänenkorkeus ei ole suoraan verrannollinen äänen taajuuteen ja päinvastoin. Esimerkiksi 10 000 Hz taajuudella erotamme noin 3 Hz:n taajuuden vaihtelun.

Ihminen hahmottaa kuulemiaan ääniä laajempina kokonaisuuksina. Tätä ominaisuutta kutsutaan taajuusyhdistelyksi. Taajuusyhdistelyyn vaikuttavat äänten lähekkäisyys, voimakkuusero ja harmoniset suhteet. Esimerkiksi kuulija yhdistää helpommin taajuudeltaan lähellä toisiaan olevat äänet samaan kokonaisuuteen. Yksittäinen melodia hahmotetaan helpommin samaksi kokonaisuudeksi, mikäli toisiaan seuraavien äänien taajuusero on tarpeeksi pieni tai tempo tarpeeksi hidas. Mitä nopeammassa tempossa melodia soitetaan, sitä pienempi toisiaan seuraavien äänien taajuuseron on oltava, jotta melodia yhä hahmotettaisiin yhdeksi kokonaisuudeksi.

Taajuusyhdistelyyn kuuluu läheisesti myös peräkkäisyhdistely, jossa ajallisesti toisiaan seuraavat kuulotapahtumat järjestyvät aivoissa kuulovuoksi. Samaan kuulovuohon valikoituvat sellaiset äänet, jotka muistuttavat läheisesti toisiaan ja ovat esimerkiksi taajuudeltaan lähellä toisiaan.

Tila- ja suuntakuulo

Vastaanottaja havaitsee äänilähteen sijainnin kaksikorvaisuutensa ansiosta. Myös pään muoto, yläruumis, korvien sijainti ja korvanlehdet vaikuttavat äänilähteen erotteluun ja suunnan havaitsemiseen. Kuuloaisti käyttää äänilähteen avaruudellisen paikantamisen vihjeinä muun muassa korvien aika- ja tasoeroa. Äänilähdettä lähempänä olevaan korvaan ääni saapuu hieman aikaisemmin ja voimakkaampana kuin kauempaan korvaan. Ero johtuu sekä korvien etäisyyserosta että pään varjostuksesta eli äänen vaimentumisesta. Matalampia ääniä pää ei juuri vaimenna. Äänen tulosuunnan erotuskyky on parhaimmillaan edestä tuleville äänille. Suunnan havaitsemiseen voidaan käyttää hyödyksi myös näköaistia. Tällöin näön avulla voidaan etsiä varmistusta äänen tulosuunnalle.

Äänen havaitsemisen tutkimus

Psykoakustiikka on tieteenala, joka tutkii äänen havaitsemiseen liittyviä tekijöitä sekä äänen, kuten puheen, musiikin ja melun fysiologisia ja psykologisia vaikutuksia. Puheen havaitsemista on tutkittu muun muassa fonetiikan, kielitieteen, kognitiivisen psykologian ja havaintopsykologian aloilla. Puheen havaitsemisen tutkimusta hyödynnetään käytännössä puhetta tunnistavien tietokoneiden suunnittelemisessa.

Katso myös

• Peittoilmiö
• Äänekkyys

Kirjallisuutta

• Karjalainen, Matti: Kommunikaatioakustiikka. (Suomenkielinen oppikirja) Espoo: TKK, Akustiikan ja äänenkäsittelytekniikan laboratorio, 1999. ISBN 951-22-4412-8
• Pulkki, Ville & Karjalainen, Matti: Communication Acoustics – An Introduction to Speech, Audio and Psychoacoustics. (Englanninkielinen oppikirja) New York: John Wiley & Sons, Ltd, 2015. ISBN 978-1-118-86654-2 [1] [2]