Критическая группа
В аудиологии и психоакустике концепция критических полос , введенная Харви Флетчером в 1933 году. [1] и усовершенствован в 1940 году, [2] описывает частот полосу «слухового фильтра», создаваемого улиткой , органом слуха во внутреннем ухе . Грубо говоря, критическая полоса — это полоса звуковых частот , в пределах которой второй тон будет мешать восприятию первого тона посредством слуховой маскировки .
Психофизиологически . ощущения биения и слуховой шероховатости могут быть связаны с неспособностью механизма слухового частотного анализа распознавать входные сигналы, разница частот которых меньше критической полосы пропускания, и, как следствие, с нерегулярным «щекотанием» [3] механической системы ( базилярной мембраны ), которая резонирует в ответ на такие входные сигналы. Критические полосы также тесно связаны с явлениями слуховой маскировки – снижением слышимости звукового сигнала при наличии второго сигнала более высокой интенсивности в пределах той же критической полосы. Явление маскировки имеет широкие последствия: от сложной взаимосвязи между громкостью (система восприятия) и интенсивностью (физическая система отсчета) до алгоритмов сжатия звука .
Слуховые фильтры
[ редактировать ]Фильтры используются во многих аспектах аудиологии и психоакустики, включая периферическую слуховую систему. Фильтр – это устройство, которое усиливает одни частоты и ослабляет другие. В частности, полосовой фильтр пропускает диапазон частот в пределах полосы пропускания, блокируя при этом частоты за пределами частот среза. [4]
Форма и организация базилярной мембраны означают, что разные частоты особенно сильно резонируют в разных точках мембраны. Это приводит к тонотопической организации чувствительности к частотным диапазонам вдоль мембраны, которую можно смоделировать как массив перекрывающихся полосовых фильтров, известных как «слуховые фильтры». [5] Слуховые фильтры связаны с точками вдоль базилярной мембраны и определяют частотную избирательность улитки и, следовательно, различение слушателем различных звуков. [4] [6] Они нелинейны, зависят от уровня, и полоса пропускания уменьшается от основания к вершине улитки по мере того, как настройка базилярной мембраны меняется с высокой частоты на низкую. [4] [6] [7] Полоса пропускания слухового фильтра называется критической полосой пропускания, как впервые предложил Флетчер (1940). Если сигнал и маскер представлены одновременно, то только частоты маскера, попадающие в критическую полосу пропускания, способствуют маскировке сигнала. Чем больше критическая полоса пропускания, тем ниже отношение сигнал/шум (SNR) и тем сильнее маскируется сигнал.
Другая концепция, связанная со слуховым фильтром, — это эквивалентная прямоугольная полоса пропускания (ERB). ERB показывает взаимосвязь между слуховым фильтром, частотой и критической полосой пропускания. ERB пропускает то же количество энергии, что и слуховой фильтр, которому он соответствует, и показывает, как оно меняется в зависимости от входной частоты. [4] [6] При низких уровнях звука ERB аппроксимируется следующим уравнением согласно Гласбергу и Муру: [6]
- ЕРБ(f) = 24,7 * (4,37 f/1000 + 1),
где ERB находится в Гц, а f — центральная частота в Гц.
Считается, что каждый ERB эквивалентен примерно 0,9 мм на базилярной мембране. [6] [7] ERB можно преобразовать в шкалу, которая относится к частоте и показывает положение слухового фильтра вдоль базилярной мембраны. Например, число ERB 3,36 соответствует частоте на апикальном конце базилярной мембраны, тогда как число ERB 38,9 соответствует основанию, а значение 19,5 находится на полпути между ними. [6]
Одним из типов фильтров, используемых для моделирования слуховых фильтров, является гамматоновый фильтр . Он обеспечивает простой линейный фильтр , который, следовательно, легко реализовать, но сам по себе он не может учитывать нелинейные аспекты слуховой системы; тем не менее, он используется в различных моделях слуховой системы . Вариации и улучшения гамматоновой модели слуховой фильтрации включают гамма-чирп-фильтр, всеполюсные и однонулевые гамматоновые фильтры, двусторонний гамматоновый фильтр и каскадные модели фильтров, а также их различные зависящие от уровня и динамически нелинейные версии. [8]
Кривые психоакустической настройки
[ редактировать ]Формы слуховых фильтров обнаруживаются путем анализа психоакустической настройки, которая представляет собой графики, показывающие порог чувствительности субъекта к обнаружению тона в зависимости от параметров маскера. [9]
Кривые психоакустической настройки можно измерить с помощью метода режек-шума. Эта форма измерения может занять значительное время и может занять около 30 минут, чтобы найти каждый замаскированный порог . [10] В методе режекционного шума испытуемому предоставляется режекционный шум в качестве маскера и синусоида (чистый тон) в качестве сигнала. Режущий шум используется в качестве маскера, чтобы предотвратить слышание субъектом биений, возникающих при использовании синусоидального маскера. [7] Режущий шум — это шум с понижением частоты сигнала, который субъект пытается обнаружить, и содержит шум в определенной полосе пропускания. Изменяется полоса пропускания шума и измеряются маскированные пороги для синусоиды. Пороги маскировки рассчитываются путем одновременного маскирования, когда сигнал воспроизводится субъекту одновременно с маскером, а не после него.
Чтобы получить истинное представление о слуховых фильтрах у одного субъекта, необходимо рассчитать множество кривых психоакустической настройки с сигналом на разных частотах. Для каждой измеряемой кривой психоакустической настройки необходимо рассчитать не менее пяти, но предпочтительно от тринадцати до пятнадцати порогов с различной шириной выреза. [10] Кроме того, необходимо рассчитать большое количество пороговых значений, поскольку слуховые фильтры асимметричны, поэтому пороговые значения также следует измерять с отсечкой, асимметричной частоте сигнала. [9] Из-за необходимости проведения множества измерений время, необходимое для определения формы слуховых фильтров человека, очень велико. Чтобы сократить необходимое время, при нахождении маскированных порогов можно использовать метод возрастания. Если для расчета порога используется восходящий метод, время, необходимое для расчета формы фильтра, значительно сокращается, поскольку расчет порога занимает около двух минут. [10] Это связано с тем, что порог записывается, когда субъект впервые слышит тон, а не когда он реагирует на определенный уровень стимула в определенный процент времени.
Анатомия и физиология базилярной мембраны
[ редактировать ]Человеческое ухо состоит из трех областей: наружного, среднего и внутреннего уха. Во внутреннем ухе находится улитка . Улитка представляет собой образование в форме улитки, которое обеспечивает передачу звука по нейросенсорному пути, а не по проводящему пути. [11] Улитка представляет собой сложную структуру, состоящую из трех слоев жидкости. Лестница преддверия и средняя лестница разделены мембраной Рейсснера, тогда как средняя лестница и барабанная лестница разделены базилярной мембраной. [11] На схеме ниже показана сложная компоновка отсеков и их делений: [4]
Базилярная мембрана расширяется по мере продвижения от основания к вершине. Поэтому основание (самая тонкая часть) имеет большую жесткость, чем вершина. [4] Это означает, что амплитуда звуковой волны, проходящей через базилярную мембрану, меняется по мере прохождения через улитку. [11] Когда вибрация передается через улитку, жидкость внутри трех отделов заставляет базилярную мембрану реагировать волнообразно. Эту волну называют «бегущей волной»; этот термин означает, что базилярная мембрана не просто вибрирует как единое целое от основания к вершине.
Когда звук попадает в человеческое ухо, время, необходимое волне для прохождения через улитку, составляет всего 5 миллисекунд. [11]
Когда низкочастотные бегущие волны проходят через улитку, волна постепенно увеличивается по амплитуде, а затем почти сразу же затухает. Расположение вибрации в улитке зависит от частоты предъявляемых стимулов. Например, более низкие частоты в большей степени стимулируют верхушку улитки, чем более высокие частоты, которые стимулируют основание улитки. Этот признак физиологии базилярной мембраны можно проиллюстрировать в виде частотно-местной карты: [12]
Базилярная мембрана поддерживает кортиев орган , расположенный внутри средней лестницы. [4] Кортиев орган состоит из наружных и внутренних волосковых клеток. В одном ухе содержится примерно от 15 000 до 16 000 таких волосковых клеток. [11] Наружные волосковые клетки имеют стереоцилии , выступающие в сторону текториальной мембраны, которая находится над кортиевым органом. Стереоцилии реагируют на движение текториальной мембраны, когда звук вызывает вибрацию через улитку. Когда это происходит, стереоцилии разделяются и образуется канал, позволяющий протекать химическим процессам. В конце концов сигнал достигает восьмого нерва, после чего обрабатывается в мозгу. [11]
Отношение к маскировке
[ редактировать ]Слуховые фильтры тесно связаны с маскировкой по способу их измерения, а также по тому, как они работают в слуховой системе. Как описано ранее, критическая полоса пропускания фильтра увеличивается с увеличением частоты, при этом фильтр становится более асимметричным с увеличением уровня.
Считается, что эти два свойства слухового фильтра способствуют распространению маскировки вверх, то есть низкие частоты маскируют высокие частоты лучше, чем наоборот. Поскольку увеличение уровня делает наклон низких частот более пологим, за счет увеличения его амплитуды низкие частоты маскируют высокие частоты больше, чем при более низком уровне входного сигнала.
Слуховой фильтр может уменьшить влияние маскера при прослушивании сигнала в фоновом шуме с использованием внечастотного прослушивания. Это возможно, когда центральная частота маскера отличается от частоты сигнала. В большинстве ситуаций слушатель предпочитает слушать «через» слуховой фильтр, который сосредоточен на сигнале, однако, если присутствует маскер, это может быть нецелесообразно. Слуховой фильтр, ориентированный на сигнал, также может содержать большое количество маскера, что приводит к низкому SNR фильтра и снижению способности слушателей обнаруживать сигнал. Однако если слушатель прослушивал немного другой фильтр, который по-прежнему содержал значительное количество сигнала, но меньше маскировщика, SNR увеличивается, позволяя слушателю обнаружить сигнал. [4]
На первой диаграмме выше показан слуховой фильтр, сосредоточенный на сигнале, и то, как часть маскера попадает в этот фильтр. Это приводит к низкому SNR. На второй диаграмме показан следующий фильтр вдоль базилярной мембраны, который не сосредоточен на сигнале, но содержит значительное количество этого сигнала и меньше маскера. Это уменьшает эффект маскера за счет увеличения SNR.
Вышеизложенное применимо к модели маскировки со спектром мощности. В целом эта модель опирается на слуховую систему, содержащую массив слуховых фильтров и выбирающую фильтр с сигналом в центре или с лучшим соотношением сигнал/шум. Маскированию способствует только маскер, попадающий в слуховой фильтр, и порог слышимости сигнала человеком определяется этим маскером. [6]
Нормальные и нарушенные слуховые фильтры
[ редактировать ]В «нормальном» ухе слуховой фильтр имеет форму, похожую на показанную ниже. Этот график отражает частотную избирательность и настройку базилярной мембраны.
Настройка . базилярной мембраны обусловлена ее механической структурой У основания базилярной мембраны она узкая и жесткая и наиболее чувствительна к высоким частотам. Однако на вершине мембрана широкая и гибкая и наиболее чувствительна к низким частотам. Следовательно, разные участки базилярной мембраны вибрируют в зависимости от частоты звука и дают максимальный отклик именно на этой частоте.
Однако в поврежденном ухе слуховой фильтр имеет другую форму по сравнению с формой «нормального» уха. [14]
Слуховой фильтр поврежденного уха более плоский и широкий по сравнению с нормальным ухом. Это связано с тем, что частотная избирательность и настройка базилярной мембраны снижаются по мере повреждения внешних волосковых клеток. Когда повреждены только внешние волосковые клетки, фильтр становится шире на низкочастотной стороне. Когда повреждены как внешние, так и внутренние волосковые клетки, фильтр становится шире с обеих сторон. Это встречается реже. Расширение слухового фильтра происходит главным образом на низкочастотной стороне фильтра. Это увеличивает восприимчивость к низкочастотному маскированию, т.е. к распространению маскирования вверх, как описано выше. [6]
См. также
[ редактировать ]- Громкость
- Психоакустика , Маскирующие эффекты
- Слуховая маскировка
- Созвучие и диссонанс
- Эквивалентная прямоугольная полоса пропускания , шкала Барка , шкала Мела
Ссылки
[ редактировать ]- ^ https://archive.org/details/bstj12-4-377 | Технический журнал Bell System, октябрь 1933 г., «Громкость, ее определение, измерение и расчет».
- ^ Флетчер, Харви (1940). «Слуховые паттерны». Обзоры современной физики . 12 (1): 47–65. Бибкод : 1940РвМП...12...47Ф . дои : 10.1103/RevModPhys.12.47 .
- ^ Кэмпбелл, М.; Грейтед, К. (1987). Руководство музыканта по акустике . Нью-Йорк: Книги Ширмера. ISBN 978-0-02-870161-5 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я Гельфанд, С.А. (2004). Слух: введение в психологическую и физиологическую акустику (4-е изд.). Нью-Йорк: Марсель Деккер. ISBN 978-0-585-26606-0 .
- ^ Мунконг, Р.; Биинг-Хван Джуанг (май 2008 г.). «Слуховое восприятие и познание». Журнал обработки сигналов IEEE . 25 (3): 98–117. Бибкод : 2008ISPM...25...98M . дои : 10.1109/MSP.2008.918418 . S2CID 10077677 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я Мур, BCJ (1998). Кохлеарная потеря слуха . Whurr Publishers Ltd. Лондон: ISBN 978-0-585-12256-4 .
- ^ Jump up to: а б с Мур, BCJ (1986). «Параллели между частотной избирательностью, измеренной психофизически и механикой улитки». Скан. Аудио доп. (25): 129–52.
- ^ РФ Лион; А.Г. Кациамис; Э. М. Дракакис (2010). «История и будущее моделей слуховых фильтров» (PDF) . Учеб. ИСКАС . IEEE.
- ^ Jump up to: а б Глазберг, БР; Мур, BCJ (1990). «Вывод форм слухового фильтра на основе данных режекторного шума». Слышать. Рез . 47 (1–2): 103–138. дои : 10.1016/0378-5955(90)90170-T . ПМИД 2228789 . S2CID 4772612 .
- ^ Jump up to: а б с Накаичи, Такеши; Ватануки, Кейсуке; Сакамото, Шиничи (2003). «Упрощенный метод измерения слуховых фильтров для слабослышащих слушателей» . Акустическая наука и технология . 24 (6): 365–375. дои : 10.1250/ast.24.365 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж Плевес, К. (2006). Анатомия и физиология уха .
- ^ «Прогулка вокруг Улитки» . 2003.
- ^ Мур, BCJ; Глазберг, БР (1987). «Формулы, описывающие частотную избирательность как функцию частоты и уровня, и их использование при расчете моделей возбуждения». Исследование слуха . 28 (2–3): 209–225. дои : 10.1016/0378-5955(87)90050-5 . ISSN 0378-5955 . ПМИД 3654390 . S2CID 4779671 .
- ^ Мур, BCJ (2003). Введение в психологию слуха (5-е изд.). Сан-Диего, Калифорния: Academic Press. ISBN 978-0-12-505627-4 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Василакис П.Н. и Фитц К. (2007). Архивировано 18 ноября 2019 г. в Wayback Machine . SRA: веб-инструмент для исследования спектрального анализа и анализа шероховатости звуковых сигналов. При поддержке гранта Северо-Западного академического компьютерного консорциума Дж. Миддлтона, Университет Восточного Вашингтона.