Cómo oímos

Para lograr una mayor apreciación de la manera en que funciona el sonido direccional es necesario comprender básicamente la manera en que la audición humana funciona y cómo el procesamiento del sonido le permite al oyente localizar con una precisión sorprendente la fuente de un sonido.

El oído humano es, esencialmente, un sistema mecánico extremadamente sensible a varios cambios pequeños en las ondas sonoras que viajan por el aire. Las ondas sonoras son cambios en la presión atmosférica que provienen de la vibración de algún objeto, como por ejemplo un instrumento musical, una maquinaria en funcionamiento o las cuerdas vocales de las personas.

Nuestros oídos poseen tres partes principales: El oído externo, el oído medio y el oído interno. El oído externo tiene forma cónica con curvas y formas que atrapan el sonido y lo llevan por el canal auditivo hacia la membrana timpánica, o tímpano. El tímpano es una capa de piel delgada y rígida que separa el oído externo del oído medio. Cuando el sonido llega al tímpano vibra, moviéndose rápidamente para las ondas sonoras de mayor frecuencia al mismo tiempo que se mueve hacia distancias mayores para los sonidos más fuertes.

El oído medio es una cavidad llena de aire que alberga tres pequeños huesos, huesecillos, cuya función primaria es amplificar en aproximadamente 20 veces la presión recibida desde el tímpano. El primero de estos huesos, el martillo, está conectado al centro del tímpano y transfiere las vibraciones desde el tímpano hacia los otros dos huesos. El último de los huesos, el estribo, se conecta con la cóclea, un canal lleno de fluido en el oído interno. Los huesecillos vibran al mismo tiempo que el tímpano, lo que permite que el estribo actúe como un pistón creando ondas líquidas en la cóclea que representan las ondas sonoras captadas por el tímpano.

La cóclea, una estructura con forma de caracol con tres tubos llenos de fluidos separados por membranas, convierte o traduce estas vibraciones físicas en impulsos nerviosos que el cerebro reconoce como sonido. Las ondas líquidas que viajan por la membrana basilar de la cóclea estimulan las miles de diminutas células capilares en el órgano de Corti, que yace en la superficie de la membrana basilar y se extiende por la cóclea. Cuando una onda líquida estimula una frecuencia resonante particular, la membrana libera energía que mueve las células capilares en ese punto. Esto, a su vez, envía un impulso eléctrico a través del nervio coclear al cerebro. Así, la cóclea envía los datos en bruto que el cerebro debe procesar, analizar e interpretar. Este procesamiento neuronal es increíblemente rápido y explica nuestra capacidad de detectar la fuente de un sonido.

Señalización de la ubicación del sonido 
Diferentes factores básicos explican nuestra capacidad para localizar un sonido dado con una precisión sorprendente, en especial si se trata de un sonido de banda ancha. ¹, ², ³, ⁴, ⁵

La anatomía del oído externo y el hecho de que contamos con un oído a cada lado de la cabeza nos permiten capturar diferencias sutiles en el sonido que nos brindan las señales para localizar una fuente de sonido. Estas señales son las diferencias interaureales de tiempo (ITD), las diferencias interaureales de intensidad (IID) y la función de transferencia relacionada con la cabeza (HRTF).

El concepto de las ITD puede explicarse como ondas sonoras que viajan hacia los oídos. La cresta de cada onda sonora alcanzará al oído más próximo antes de alcanzar al oído del costado más lejano de la cabeza (ver Gráfico 1). Así, un sujeto atento a un sonido tenderá a ubicar la fuente del sonido hacia el costado de la primera cresta de la onda que llegue al oído.

En el caso de la IID, una diferencia en intensidad ocurre en ambos oídos de un oyente inmóvil ante tonos puros de sonido hacia un costado, ya que un oído se ve ensombrecido por la cabeza (ver Gráfico 2). Como resultado, los dos oídos perciben una diferencia significativa en la sonoridad. Ante frecuencias muy bajas, la sombra de la cabeza no sufre impactos, y por lo tanto no existe diferencia perceptible en el sonido. Con frecuencias superiores a los 5000 Hz, sin embargo, la diferencia en la percepción de la sonoridad entre los dos oídos alcanza los 30 dB. Con sonidos complejos tales como el habla, la música y el sonido de banda ancha no existe solamente una diferencia en la sonoridad e intensidad sino que también existe un cambio en el espectro del sonido, ya que los componentes de alta frecuencia se pierden en el oído del costado más alejado de la cabeza.

Withington ¹ y otras fuentes ^4, 5 establecen que las diferencias en intensidad y tiempo pueden ocasionar errores en la localización para el oyente cuando se utilizan sonidos de banda angosta o de frecuencias únicas. Sin embargo, casi nunca se presenta una confusión de este tipo con fuentes de banda ancha y sonidos con una duración suficiente como para permitir que los oyentes muevan la cabeza.5

El oído externo es clave para la función de transferencia relacionada con la cabeza (HRTF). La forma del oído atenúa algunas frecuencias y amplifica otras, filtrando el campo del sonido como se lo representa en el Gráfico 3. La HRTF cambia dependiendo de la ubicación de la fuente del sonido, suministrando una señal de localización adicional que es particularmente importante para determinar si la fuente se encuentra frente o detrás nuestro. La HRTF opera sobre una gama de frecuencias, pero pareciera ser más eficaz entre los 5.000 Hz y 10.000 Hz. En combinación con el movimiento de la cabeza del oyente, la HRTF suministra un método de localización independiente que complementa y refuerza las capacidades de la ITD y la IID.

Si bien estas tres señales brindan medios complementarios y redundantes para localizar el sonido, un cuarto fenómeno psicoacústico asegura que demasiadas ondas sonoras provenientes de espacios altamente reverberantes no causan confusión. Esto se le atribuye al “efecto de prioridad”. El oído puede discernir y fijarse en el primer sonido que recibe y no concentrarse en sonidos posteriores o en un sonido reflejado. La señal que llega primero suprime la capacidad del oído de oír otras señales, incluyendo la reverberación, que se recibe hasta aproximadamente 40 milisegundos después que la señal inicial. Una señal direccional de banda ancha pulsante hace un buen uso del efecto de prioridad y puede compensar las condiciones de audición que no fueran óptimas. Incluso en espacios altamente reverberantes, en los que cada superficie fue reflectora del sonido, los sujetos evaluados no han presentado problemas para determinar la ubicación del receptor acústico direccional.

Notas finales
1. Withington, Deborah J., “Localisable Alarms,” extract from Human Factors in Auditory Warnings, (eds.) Stanton, Neville A. and Judy Edworthy, Ashgate Publishing Ltd. 1999.

2. F.L. Wightman and D.J. Kistler, “Sound Localization”, in W.A. Yost, A. N. Popper and R.R. Fay (eds), Human Psychophysics, New York: Springer-Verlag (1993).

3. Blauert, J., Spatial Hearing:the Psychophysics of Human Sound Localization, Cambridge, MA: MIT Press. (1997)

4. Stevens, S. S., Davis, H., Acoustical Society of America, “Hearing, Its Psychology and Physiology,” American Institute of Physics, New York, NY (1983), 169-172.

5. Small, Jr., A.M., Gales, R. S., “Chapter 17, Hearing Characteristics,” in C.M. Harris(ed.), Handbook of Acoustical Measurements and Noise Control, 3rd Edition, Acoustical Society of America, Melville, NY, (1998), 17.2.

Por Daniel J. O’Connor, PE, FSFPE