การได้ยินสองหูและการระบุตำแหน่งเสียง

การได้ยินด้วยหูสองข้างช่วยให้ผู้ฟังสามารถระบุตำแหน่งเสียงในอวกาศและแยกเสียงผู้พูดเป้าหมายออกจากเสียงรบกวน การได้ยินสองหูใช้ประโยชน์จากความแตกต่างเล็กน้อยระหว่างสัญญาณที่หูทั้งสองข้าง โดยหลักคือความแตกต่างของเวลาที่เสียงมาถึงและความดังของเสียง รวมถึงการปรับแต่งสเปกตรัมที่เกิดจากศีรษะและหูชั้นนอก หัวข้อนี้ครอบคลุมถึงสัญญาณบอกทิศทางของเสียง กลไกที่เปรียบเทียบหูทั้งสองข้าง และประโยชน์ของการฟังสองหูสำหรับการได้ยินในสภาพแวดล้อมที่มีเสียงรบกวน

Definition

การได้ยินสองหู (Binaural hearing) คือการใช้หูทั้งสองข้างร่วมกันในการประมวลผลเสียง และการระบุตำแหน่งเสียง (sound localization) คือการที่ผู้ฟังกำหนดทิศทางและระยะห่างของแหล่งกำเนิดเสียงจากสัญญาณอะคูสติก โดยหลักคือความแตกต่างระหว่างสัญญาณที่ไปถึงหูแต่ละข้าง

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมถึงความแตกต่างของเวลาและความดังระหว่างหู (interaural time and level differences) สัญญาณสเปกตรัม (pinna cues) สำหรับการระบุระดับความสูงและการแยกแยะด้านหน้า-ด้านหลัง ความแม่นยำในการระบุตำแหน่ง การประมวลผลแบบสองหูที่รวมข้อมูลจากหูทั้งสองข้าง และข้อดีของการได้ยินสองหูสำหรับการทำความเข้าใจคำพูดในสภาพแวดล้อมที่มีเสียงรบกวน เนื้อหานี้เป็นข้อมูลอ้างอิงและสื่อการศึกษาเกี่ยวกับการได้ยินเชิงพื้นที่ ไม่ใช่คำแนะนำทางคลินิก

Core questions

• สัญญาณอะคูสติกใดที่บอกผู้ฟังว่าเสียงมาจากไหน?
• ระบบการได้ยินเปรียบเทียบเวลาและความดังที่หูทั้งสองข้างได้อย่างไร?
• อะไรที่ช่วยแก้ไขความกำกวม เช่น ด้านหน้าเทียบกับด้านหลัง หรือระดับความสูง?
• การฟังด้วยหูสองข้างช่วยในสภาพแวดล้อมที่มีเสียงรบกวนได้อย่างไร?

Key concepts

• ความแตกต่างของเวลาที่มาถึงหูทั้งสองข้าง (Interaural time difference)
• ความแตกต่างของความดังที่มาถึงหูทั้งสองข้าง (Interaural level difference)
• ทฤษฎี Duplex
• ฟังก์ชันการถ่ายโอนที่เกี่ยวข้องกับศีรษะและสัญญาณจากใบหู (Head-related transfer function and pinna cues)
• มุมการได้ยินขั้นต่ำ (Minimum audible angle)
• กรวยแห่งความสับสนและความกำกวมด้านหน้า-ด้านหลัง (Cone of confusion and front-back ambiguity)
• การลดเสียงรบกวนแบบสองหูและการปลดปล่อยเชิงพื้นที่จากการบดบัง (Binaural squelch and spatial release from masking)
• ปัญหาค็อกเทลปาร์ตี้ (The cocktail-party problem)

Key theories

ทฤษฎี Duplex ของการระบุตำแหน่ง

การระบุตำแหน่งในแนวนอนอาศัยสัญญาณเสริมสองอย่าง: ความแตกต่างของเวลาที่มาถึงหูทั้งสองข้างมีอิทธิพลหลักที่ความถี่ต่ำ ซึ่งศีรษะสร้างเงาเสียงเพียงเล็กน้อย และความแตกต่างของความดังที่มาถึงหูทั้งสองข้างมีอิทธิพลหลักที่ความถี่สูง ซึ่งศีรษะบดบังหูที่อยู่ไกลออกไป

แบบจำลองการตรวจจับการซ้อนทับ (ตำแหน่ง) ของเวลาที่มาถึงหูทั้งสองข้าง

Jeffress เสนอว่าความแตกต่างของเวลาที่มาถึงหูทั้งสองข้างถูกเข้ารหัสโดยเซลล์ประสาทที่ทำหน้าที่เป็นตัวตรวจจับการซ้อนทับตามแนวเส้นหน่วงเวลา ดังนั้นตำแหน่งของการตอบสนองของเซลล์ประสาทสูงสุดจึงแสดงถึงความล่าช้าระหว่างหูที่เฉพาะเจาะจงและดังนั้นจึงเป็นทิศทาง

Mechanisms

เสียงที่มาจากด้านใดด้านหนึ่งจะไปถึงหูที่อยู่ใกล้กว่าเล็กน้อยก่อน และที่ความถี่สูง เสียงจะมีความเข้มมากกว่า ทำให้เกิดความแตกต่างของเวลาและความดังระหว่างหู (interaural time and level differences) ซึ่งสมองส่วนก้านสมองจะนำมาเปรียบเทียบ โดย medial superior olive มีความไวต่อความแตกต่างของเวลา และ lateral superior olive มีความไวต่อความแตกต่างของความดัง รอยพับของใบหู (pinna) จะกรองเสียงในลักษณะที่ขึ้นอยู่กับทิศทาง เพิ่มสัญญาณสเปกตรัมที่ช่วยแก้ไขความกำกวมของระดับความสูงและด้านหน้า-ด้านหลัง ซึ่งสัญญาณระหว่างหูเพียงอย่างเดียวไม่สามารถแก้ไขได้ ด้วยการเปรียบเทียบหูทั้งสองข้าง ระบบการได้ยินยังช่วยปรับปรุงการตรวจจับและความเข้าใจในเป้าหมายที่อยู่ในสภาพแวดล้อมที่มีเสียงรบกวน ซึ่งเป็นประโยชน์ที่เรียกว่า spatial release from masking

Clinical relevance

การสูญเสียการได้ยินแบบไม่สมมาตรหรือข้างเดียวจะทำให้สัญญาณระหว่างหูที่จำเป็นสำหรับการระบุตำแหน่งและการแยกคำพูดออกจากเสียงรบกวนลดลง ซึ่งเป็นสาเหตุหนึ่งที่ผู้ที่มีการสูญเสียการได้ยินดังกล่าวรายงานว่าประสบปัญหาในสภาพแวดล้อมที่มีเสียงดัง แม้ว่าหูข้างหนึ่งจะได้ยินดี การฟื้นฟูการรับเข้าที่สมดุลของหูทั้งสองข้างเป็นเป้าหมายของแนวทางการฟื้นฟูหลายวิธี เนื้อหานี้อธิบายถึงการทำงานของระบบสองหู และไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการวินิจฉัยรายบุคคลหรือคำแนะนำเกี่ยวกับอุปกรณ์

Evidence & guidelines

ความแม่นยำในการระบุตำแหน่งถูกวัดโดย Mills (1958) ผ่านมุมการได้ยินขั้นต่ำ (minimum audible angle) และพื้นฐานทางระบบประสาทของความแตกต่างของเวลาที่มาถึงหูทั้งสองข้างถูกกำหนดโดย Jeffress (1948) บทบาทของการได้ยินสองหูในการแยกคำพูดออกจากเสียงรบกวนถูกเน้นโดย Cherry (1953) ในการอธิบายปัญหาค็อกเทลปาร์ตี้ (cocktail-party problem) และสาขาวิชานี้ได้รับการสังเคราะห์โดย Blauert (1997)

History

ทฤษฎี Duplex ของ Lord Rayleigh ในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 เสนอว่าความแตกต่างของเวลาและความดังมีบทบาทในย่านความถี่ที่แตกต่างกัน แบบจำลองการตรวจจับการซ้อนทับ (coincidence-detection model) ของ Jeffress ในปี 1948 ได้ให้คำอธิบายที่มีอิทธิพลว่าความแตกต่างของเวลาที่มาถึงหูทั้งสองข้างอาจถูกเข้ารหัสทางระบบประสาทได้อย่างไร และการวัดของ Mills ในปี 1958 ได้สร้างความแม่นยำของการระบุตำแหน่งของมนุษย์ งานของ Cherry เกี่ยวกับการเลือกความสนใจได้นำเสนอ 'ปัญหาค็อกเทลปาร์ตี้' และงานวิจัยต่อมาได้ให้รายละเอียดเกี่ยวกับฟังก์ชันการถ่ายโอนที่เกี่ยวข้องกับศีรษะ (head-related transfer functions) และการถอดหน้ากากเสียงแบบสองหู (binaural unmasking)

Debates

เวลาที่มาถึงหูทั้งสองข้างถูกเข้ารหัสโดยแผนที่ตำแหน่งแบบ Jeffress ในมนุษย์หรือไม่?

แบบจำลองการตรวจจับการซ้อนทับเหมาะสมกับสัตว์บางชนิดได้ดี แต่หลักฐานในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมชี้ให้เห็นว่าความแตกต่างของเวลาที่มาถึงหูทั้งสองข้างอาจถูกเข้ารหัสบางส่วนโดยความแตกต่างของอัตราการยิงระหว่างซีกสมองมากกว่าแผนที่ตำแหน่งที่ละเอียด และกลไกในมนุษย์ยังคงเป็นที่ถกเถียงกันอยู่

Key figures

• Lloyd Jeffress
• A. W. Mills
• Colin Cherry
• Jens Blauert
• John William Strutt (Lord Rayleigh)

Seminal works

• jeffress-1948
• mills-1958
• cherry-1953

Frequently asked questions

ความแตกต่างของเวลาและความดังที่มาถึงหูทั้งสองข้างคืออะไร?

คือความแตกต่างระหว่างสัญญาณที่หูทั้งสองข้าง ความแตกต่างของเวลาที่มาถึงหูทั้งสองข้างคือความแตกต่างเล็กน้อยของเวลาที่เสียงมาถึงสำหรับเสียงที่มาจากด้านใดด้านหนึ่ง และความแตกต่างของความดังที่มาถึงหูทั้งสองข้างคือความแตกต่างของความเข้มที่เกิดจากศีรษะบดบังหูที่อยู่ไกลออกไป โดยรวมแล้วสิ่งเหล่านี้เป็นสัญญาณหลักในการระบุตำแหน่งในแนวนอน

ทำไมการได้ยินในสภาพแวดล้อมที่มีเสียงรบกวนจึงยากกว่าเมื่อใช้หูข้างเดียวเทียบกับสองข้าง?

หูสองข้างช่วยให้ระบบการได้ยินเปรียบเทียบสัญญาณและใช้ประโยชน์จากการแยกเชิงพื้นที่ระหว่างเป้าหมายและพื้นหลัง ซึ่งเป็นข้อได้เปรียบที่เรียกว่า spatial release from masking เมื่อมีหูที่ใช้งานได้เพียงข้างเดียว สัญญาณสองหูเหล่านี้จะหายไป ทำให้การแยกคำพูดออกจากเสียงรบกวนทำได้ยากขึ้น