Слуховая маскировка - Auditory masking

Не путать с звуковая маскировка.

Слуховая маскировка происходит, когда восприятие одного звук зависит от наличия другого звука.[1]

Слуховая маскировка в частотная область известен как одновременная маскировка, частотная маскировка или же спектральная маскировка. Слуховая маскировка в область времени известен как временная маскировка или же неодновременное маскирование.

Маскированный порог

В демаскированный порог это самый тихий уровень сигнала, который можно воспринимать без маскирующего сигнала. В замаскированный порог это самый тихий уровень воспринимаемого сигнала в сочетании с определенным маскирующим шумом. Величина маскирования - это разница между замаскированным и немаскированным порогами.

Рисунок A - адаптировано из Гельфанда (2004).[1]

Гельфанд дает простой пример.[1] Предположим, что для данного человека звук кошки, царапающей столб в спокойной обстановке, сначала слышен на уровне 10. дБ SPL. Однако при наличии маскирующего шума (например, пылесос, который работает одновременно) этот же человек не может уловить звук кошачьего царапания, если уровень царапанья не превышает 26 дБ SPL. Мы бы сказали, что немаскированный порог для этого человека для целевого звука (т. Е. Кошачьего царапания) составляет 10 дБ SPL, а замаскированный порог - 26 дБ SPL. Величина маскирования - это просто разница между этими двумя порогами: 16 дБ.

Степень маскирования будет варьироваться в зависимости от характеристик как целевого сигнала, так и маскирующего устройства, а также будет зависеть от конкретного слушателя. В то время как человек в приведенном выше примере смог обнаружить кошачье царапание на уровне 26 дБ УЗД, другой человек может не услышать, как кошка царапает, пока вакуум был включен до тех пор, пока уровень звука кошачьего царапанья не увеличится до 30 дБ УЗД ( Таким образом, степень маскировки для второго слушателя составляет 20 дБ).

Одновременное маскирование

Одновременное маскирование происходит, когда звук становится неслышимым из-за шума или нежелательного звука той же длительности, что и исходный звук.[2] Например, мощный выброс на частоте 1 кГц будет иметь тенденцию замаскировать тон более низкого уровня на частоте 1,1 кГц. Кроме того, два синусоидальных тона с частотой 440 и 450 Гц могут быть четко различимы при разделении. Они не могут быть ясно восприняты при одновременном представлении.

Критическая пропускная способность

Если одновременно воспроизводятся два звука двух разных частот, часто можно услышать два отдельных звука, а не один комбинированный тон. Способность слышать частоты по отдельности известна как разрешение по частоте или же частотная избирательность. Когда сигналы воспринимаются как комбинированный тон, говорят, что они находятся в одном и том же критическая пропускная способность. Считается, что этот эффект возникает из-за фильтрации внутри улитка, орган слуха во внутреннем ухе. Сложный звук расщепляется на разные частотные компоненты, и эти компоненты вызывают пик в модели вибрации в определенном месте на ресничках внутри базилярная мембрана внутри улитки. Затем эти компоненты кодируются независимо на слуховой нерв который передает звуковую информацию в мозг. Это индивидуальное кодирование происходит только в том случае, если частотные составляющие достаточно различаются по частоте, иначе они находятся в одной критической полосе, кодируются в одном месте и воспринимаются как один звук вместо двух.[3]

Фильтры, отличающие один звук от другого, называются слуховые фильтры, каналы прослушивания или критическая пропускная способность. Разрешение по частоте происходит на базилярной мембране из-за того, что слушатель выбирает фильтр, центрированный по частоте, которую они ожидают услышать, - частоте сигнала. Точно настроенный фильтр имеет хорошее разрешение по частоте, поскольку пропускает центральные частоты, но не пропускает другие частоты (Пиклз, 1982). Повреждение улитки и внешних волосковых клеток в улитке может нарушить способность различать звуки (Moore 1986). Это объясняет, почему человеку с потерей слуха из-за повреждения улитки будет сложнее, чем человеку с нормальным слухом, различать разные согласные в речи.[4]

Маскирование иллюстрирует пределы частотной избирательности. Если сигнал маскируется маскером с частотой, отличной от частоты сигнала, то слуховая система не смог различить две частоты. Экспериментируя с условиями, при которых один звук может маскировать ранее услышанный сигнал, можно проверить частотную избирательность слуховой системы.[5]

Похожие частоты

Рисунок B - По материалам Ehmer

Насколько эффективен маскер при повышении порога сигнала, зависит от частоты сигнала и частоты маскера. Графики на рисунке B представляют собой серию шаблонов маскирования, также известных как маскирование. аудиограммы. На каждом графике показано количество маскирования, производимое на каждой частоте маскера, показанной в верхнем углу, 250, 500, 1000 и 2000 Гц. Например, на первом графике маскер представлен на частоте 250 Гц одновременно с сигналом. На график наносится величина, на которую маскер увеличивает порог сигнала, и это повторяется для различных частот сигнала, показанных на оси X. Частота маскера остается постоянной. Эффект маскировки показан на каждом графике при различных уровнях маскирующего звука.

Рисунок C - По материалам Гельфанда 2004 г.[1]
Рисунок D - По материалам Гельфанда 2004 г.[1]

На рисунке B по оси Y показана степень маскировки. Наибольшая маскировка возникает, когда маскирующий элемент и сигнал имеют одинаковую частоту, и она уменьшается по мере удаления частоты сигнала от частоты маскирующего устройства.[1] Это явление называется частотной маскировкой и возникает из-за того, что маскер и сигнал находятся в одном слуховом фильтре (рисунок C). Это означает, что слушатель не может различить их, и они воспринимаются как один звук, причем более тихий звук маскируется более громким (Рисунок D).

Рисунок E - адаптировано из Мура 1998 г.[5]

Степень, на которую маскер поднимает порог сигнала, намного меньше при маскировке вне частоты, но он имеет некоторый эффект маскировки, потому что часть маскера перекрывается со слуховым фильтром сигнала (рисунок E).[5]

Рисунок F - адаптировано из Мура 1998 г.[5]

Внечастотное маскирование требует, чтобы уровень маскирования был выше, чтобы иметь эффект маскирования; это показано на рисунке F. Это связано с тем, что только определенное количество маскировщика перекрывается со слуховым фильтром сигнала, и для покрытия сигнала требуется больше маскировщика.[5]

Более низкие частоты

Шаблон маскировки изменяется в зависимости от частоты маскирующего устройства и интенсивности (Рисунок B). Для низких уровней на графике 1000 Гц, таких как диапазон 20–40 дБ, кривая относительно параллельна. По мере увеличения интенсивности маскера кривые расходятся, особенно для сигналов с частотой выше, чем у маскера. Это показывает, что есть распространение эффекта маскировки вверх по частоте по мере увеличения интенсивности маскирующего устройства. Кривая на высоких частотах намного мельче, чем на низких. Это сглаживание называется восходящим распространением маскирования, и именно поэтому мешающий звук маскирует высокочастотные сигналы намного лучше, чем низкочастотные.[1]

Рисунок B также показывает, что по мере увеличения частоты маскирования шаблоны маскирования становятся все более сжатыми. Это демонстрирует, что высокочастотные маскирующие устройства эффективны только в узком диапазоне частот, близких к частоте маскирующего устройства. С другой стороны, низкочастотные маскеры эффективны в широком диапазоне частот.[1]

Рисунок G - адаптированный из диаграммы Гельфанда[1]

Харви Флетчер провели эксперимент, чтобы выяснить, какая часть полосы шума способствует маскировке тона. В эксперименте сигнал с фиксированным тоном имел различные полосы шума, сосредоточенные на нем. Маскированный порог записывался для каждой полосы пропускания. Его исследование показало, что существует критическая ширина полосы шума, которая вызывает максимальный эффект маскировки, а энергия за пределами этой полосы не влияет на маскировку. Это можно объяснить тем, что слуховая система имеет слуховой фильтр, центрированный по частоте тона. Полоса пропускания маскера, который находится внутри этого слухового фильтра, эффективно маскирует тон, но маскер вне фильтра не имеет никакого эффекта (Рисунок G).

Это используется в MP3 файлы, чтобы уменьшить размер аудиофайлов. Части сигналов, выходящие за пределы критической полосы пропускания, представлены с пониженной точностью. Части сигналов, воспринимаемые слушателем, воспроизводятся с большей точностью.[6]

Эффекты интенсивности

Рисунок H - адаптировано из Мура 1998 г.[5]

Различные уровни интенсивности также могут влиять на маскировку. Нижний конец фильтра становится более плоским с увеличением уровня децибел, тогда как верхний конец становится немного круче. Изменения наклона высокочастотной стороны фильтра с интенсивностью менее последовательны, чем на низких частотах. На средних частотах (1–4 кГц) наклон увеличивается с увеличением интенсивности, но на низких частотах нет четкого наклона с уровнем, и фильтры на высоких центральных частотах показывают небольшое уменьшение наклона с увеличением уровня. Резкость фильтра зависит от входного уровня, а не выходного уровня фильтра. Нижняя часть слухового фильтра также расширяется с увеличением уровня.[5] Эти наблюдения показаны на рисунке Н.

Временная маскировка

Временная маскировка или неодновременная маскировка возникает, когда из-за внезапного звука стимула не слышны другие звуки, которые присутствуют непосредственно перед или после стимула. Маскировка, которая заглушает звук, непосредственно предшествующий маскирующему, называется обратная маскировка или же предварительное маскирование и маскирование, которое затемняет звук сразу после маскирующего, называется прямой маскировкой или постмаскирование.[5] Эффективность временного маскирования экспоненциально затухает от начала и смещения маскера, при этом начальное затухание длится примерно 20 мс, а затухание смещения длится примерно 100 мс.

Подобно одновременной маскировке, временная маскировка показывает частотный анализ, выполняемый слуховой системой; пороги прямой маскировки для сложных гармонических тонов (например, пилообразный зонд с основная частота 500 Гц) имеют пороговые пики (т. е. высокие уровни маскировки) для полос частот, сосредоточенных на первых нескольких гармониках. Фактически, ширина полосы слуха, измеренная по порогам прямой маскировки, уже и точнее, чем измеренная с использованием одновременной маскировки.

Временную маскировку не следует путать с ушной акустический рефлекс, непроизвольная реакция среднего уха, которая активируется для защиты тонких структур уха от громких звуков.

Другие условия маскировки

рисунок I - ипсилатеральное одновременное маскирование

Ипсилатеральная («та же сторона») маскировка - не единственное условие, при котором происходит маскировка. Другая ситуация, когда происходит маскирование, называется одновременной маскировкой с противоположной стороны. В этом случае это тот случай, когда сигнал может быть слышен в одном ухе, но намеренно устраняется путем наложения маскирующего устройства на другое ухо.

Последняя ситуация, когда происходит маскирование, называется центральной маскировкой. Это относится к случаю, когда маскировщик вызывает повышение порога. Это может происходить в отсутствие или в дополнение к другому эффекту и связано с взаимодействиями внутри центральной нервной системы между отдельными нервными входами, полученными от маскера, и сигналом.[1]

Воздействие разных типов стимулов

Были проведены эксперименты, чтобы увидеть различные эффекты маскирования при использовании маскера, который имеет форму узкополосного шума или синусоидальный тон.

Когда синусоидальный сигнал и синусоидальный маскирующий сигнал (тон) представлены одновременно, огибающая комбинированного стимула колеблется в виде регулярных колебаний, описываемых как биения. Колебания происходят со скоростью, определяемой разницей между частотами двух звуков. Если разница частот небольшая, то звук воспринимается как периодическое изменение громкости отдельного тона. Если удары быстрые, это можно охарактеризовать как ощущение шероховатости. При большом разделении частот эти два компонента слышны как отдельные тона без шероховатости или биений. Удары могут указывать на наличие сигнала, даже если сам сигнал не слышен. Влияние биений можно уменьшить, используя узкополосный шум, а не синусоидальный тон для сигнала или маскера.[3]

Механизмы маскировки

Есть много разных механизмов маскировки, один из которых - подавление. Это когда происходит снижение реакции на сигнал из-за присутствия другого. Это происходит потому, что исходная нейронная активность, вызванная первым сигналом, снижается нейронной активностью другого звука.[7]

Комбинированные тона - это продукты сигнала и маскатора. Это происходит, когда два звука взаимодействуют, создавая новый звук, который может быть более слышимым, чем исходный сигнал. Это вызвано нелинейным искажением в ухе. Например, комбинированный тон двух маскировщиков может быть лучшим маскером, чем два исходных маскера по отдельности.[5]

Звуки взаимодействуют по-разному в зависимости от разницы в частоте между двумя звуками. Самые важные два - это кубические разностные тона.[необходимо определение ] и квадратичные разностные тона[необходимо определение ] .[5]

Тона кубической разности рассчитываются по сумме.[требуется разъяснение ]

2F1 - F2[8]

(F1 - первая частота, F2 - вторая). Они слышны большую часть времени, особенно когда уровень исходного тона низкий. Следовательно, они имеют большее влияние на кривые психоакустической настройки, чем квадратичные разностные тона.

Квадратичные разностные тона являются результатом[требуется разъяснение ]

F2 - F1

Это происходит на относительно высоких уровнях, следовательно, меньше влияет на кривые психоакустической настройки.[5]

Комбинированные тона могут взаимодействовать с первичными тонами, что приводит к вторичным комбинационным тонам из-за того, что они похожи на исходные первичные тона по своей природе, как стимул. Примером этого является

3F1 - 2F2

Вторичные комбинированные тона снова похожи на комбинированные тона основного тона.[5]

Вне частотного прослушивания

Слушание вне частоты - это когда слушатель выбирает фильтр чуть ниже частоты сигнала, чтобы улучшить свои слуховые характеристики. Этот «нечастотный» фильтр снижает уровень маскатора больше, чем сигнал на уровне выходного сигнала фильтра, что означает, что они могут слышать сигнал более четко, что приводит к улучшению слуховых характеристик.[2]

Приложения

Слуховая маскировка используется в маски для тиннитуса для подавления раздражающего звонка, шипения, гудения или шума в ушах, часто связанных с потерей слуха. Он также используется в различных видах аудиометрии, в том числе аудиометрия чистого тона, а стандарт проверка слуха для проверки каждого уха в одностороннем порядке и проверки распознавания речи при наличии частично маскирующего шума.

Слуховая маскировка используется для выполнения Сжатие данных для звуковых сигналов (MP3 ).

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c d е ж грамм час я j Гельфанд, С.А. (2004) Слух - Введение в психологическую и физиологическую акустику 4-е изд. Нью-Йорк, Марсель Деккер
  2. ^ а б Мур, Б.С.Дж. (2004) Введение в психологию слуха, 5-е изд. Лондон, Elsevier Academic Press
  3. ^ а б Мур, Б.С.Дж. (1986) Частотная избирательность в слухе, Лондон, Academic Press
  4. ^ Мур, Б.С.Дж. (1995) Перцепционные последствия повреждения улитки, Oxford, Oxford University Press
  5. ^ а б c d е ж грамм час я j k л Мур, Б.С.Дж. (1998) Кохлеарная потеря слуха, Лондон, Whurr Publishers Ltd
  6. ^ Селларс, П. (2000), Перцепционное кодирование: как работает сжатие MP3, Кембридж: звук на звуке, получено 12 декабря 2020
  7. ^ Oxenham, A.J. Плак, С.Дж. Подавление и распространение маскировки вверх, Журнал акустического общества Америки, 104 (6) стр. 3500–10.
  8. ^ Ли, Кьогу и Ким, Минджонг. Оценка амплитуды кубического разностного тона с использованием адаптивного фильтра Вольтерра третьего порядка, Материалы 8-й Международной конференции по цифровым звуковым эффектам (DAFx’05), Мадрид, Испания, 20–22 сентября 2005 г., с. 297
  • Пиклз, Дж. (1982) Введение в физиологию слуха, Лондон, Academic Press

внешняя ссылка