Закройте глаза и попросите кого-нибудь щёлкнуть пальцами где-то рядом. Вы укажете направление с точностью в несколько градусов. Но у звука нет координат, ухо воспринимает лишь колебания давления. Положение источника мозг вычисляет из различий, которые возникают между двумя ушами.
Разница во времени
Звук, пришедший справа, достигает правого уха раньше левого. Максимальная задержка при ширине головы около 18 сантиметров составляет примерно 0,6–0,7 миллисекунды. Мозг замечает разницу в десятки микросекунд, ему этого хватает, чтобы различить источник, смещённый на один-два градуса. Время сравнивается в верхней оливе ствола мозга. Для сипухи Ллойд Джеффресс в 1948 году предложил схему «линий задержки» с нейронами-детекторами совпадений, и у сов, как позже показали Мазакадзу Кониси и Кэтрин Карр, такие нейроны действительно нашлись.
Разница в громкости
Для высоких звуков голова создаёт «звуковую тень»: ближнее ухо слышит громче дальнего. Лорд Рэлей сформулировал в 1907 году «дуплексную теорию»: низкие частоты (до 1,5 килогерц) определяют по времени, высокие по громкости. Другая ветвь верхней оливы сравнивает громкость.
Загадка конуса
Время и громкость одинаковы для всех точек, находящихся впереди, сзади и сверху, ведь они равноудалены от обоих ушей. Почему же мы отличаем звук спереди от звука сзади? Здесь помогает ушная раковина: её извилины по-разному искажают спектр в зависимости от угла, а мозг научился читать эти искажения. Кроме того, мы поворачиваем голову: когда звук слева спереди, при повороте влево разница уменьшается, а когда слева сзади, растёт.
Эксперимент с новыми ушами
Пол Хофман, Мартин ван Рисвик и Джон ван Опсталь в 1998 году вставили добровольцам в ушные раковины силиконовые формы, изменявшие их рельеф. Сразу после этого направление по высоте определялось плохо: звуки казались идущими не оттуда. Но через несколько недель люди научились распознавать новые искажения и снова точно показывали источник. Когда вставки убрали, прежняя точность вернулась сразу, и обучение не мешало прежним навыкам. Мозг, оказывается, может держать две «карты» одновременно.
Практические следствия
Локализация хуже при потере слуха на одно ухо и у пользователей слуховых аппаратов, если аппарат искажает сигнал. Поэтому, например, при потере слуха на одно ухо трудно ориентироваться в шуме. Производители наушников для виртуальной реальности используют индивидуальные «функции головы и уха», стараясь воспроизвести те же искажения.