WikiDer > Критическая группа

Critical band

В аудиология и психоакустика Концепция чего-либо критические полосы, представлен Харви Флетчер в 1933 г.[1] и усовершенствован в 1940 г.,[2] описывает частота пропускная способность «слухового фильтра», созданного улитка, орган слуха внутри внутреннее ухо. Грубо говоря, критическая полоса - это полоса звуковые частоты в котором второй тон будет мешать восприятию первого тона слуховая маскировка.

Психофизиологически, избиение и слуховая грубость ощущения могут быть связаны с неспособностью слухового частотно-аналитического механизма распознавать входные данные, частота разница меньше критической полосы пропускания и приводит к нерегулярному "щекотанию"[3] механической системы (базилярная мембрана), который резонирует в ответ на такие входы. Критические полосы также тесно связаны с слуховая маскировка явления - снижение слышимости звукового сигнала при наличии второго сигнала большей интенсивности в той же критической полосе. Явления маскировки имеют широкие последствия, начиная от сложной взаимосвязи между громкость (система восприятия) и интенсивность (физическая система отсчета) на звук алгоритмы сжатия.

Слуховые фильтры

Фильтры используются во многих аспектах аудиологии и психоакустика включая периферическую слуховую систему. Фильтр - это устройство, которое повышает определенные частоты и ослабляет других. В частности, полосовой фильтр позволяет пропускать диапазон частот в пределах полосы пропускания, останавливая при этом частоты за пределами частот среза.[4]

Полосовой фильтр, показывающий центральную частоту (Fc), нижнюю (F1) и верхнюю (F2) частоты среза и полосу пропускания. Верхняя и нижняя частоты отсечки определяются как точка, в которой амплитуда падает до 3 дБ ниже пиковой амплитуды. Полоса пропускания - это расстояние между верхней и нижней частотами среза и диапазон частот, пропускаемых фильтром.

Форма и организация базилярной мембраны означает, что разные частоты особенно сильно резонируют в разных точках вдоль мембраны. Это приводит к тонотопный организация чувствительности к частотным диапазонам вдоль мембраны, которую можно смоделировать как набор перекрывающихся полосовых фильтров, известных как «слуховые фильтры».[5] Слуховые фильтры связаны с точками вдоль базилярной мембраны и определяют частотную избирательность улитки и, следовательно, различение разных звуков слушателем.[4][6]Они нелинейны, зависят от уровня, и ширина полосы пропускания уменьшается от основания к вершине улитки, поскольку настройка базилярной мембраны изменяется с высокой на низкую.[4][6][7] Полоса пропускания слухового фильтра называется критической полосой пропускания, как впервые было предложено Флетчером (1940). Если сигнал и маскирующий элемент представлены одновременно, то только маскирующие частоты, попадающие в критическую полосу пропускания, способствуют маскированию сигнала. Чем больше критическая пропускная способность, тем ниже соотношение сигнал шум (SNR) и тем больше маскируется сигнал.

Рисунок 2: ERB, связанный с центральной частотой. На диаграмме показана зависимость ERB от центральной частоты по формуле Гласберга и Мура.[6]

Еще одна концепция, связанная со слуховым фильтром, - это эквивалентная прямоугольная полоса пропускания (ЕРБ). 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 изменяется с входной частотой.[4][6] При низких уровнях шума ERB аппроксимируется следующим уравнением по Гласбергу и Муру:[6]

ERB (f) = 24,7 * (4,37 f / 1000 + 1),

где ERB выражается в Гц, а f - центральная частота в Гц.

Считается, что каждый ERB равен 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 посередине 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 не может учитывать нелинейные аспекты слуховой системы; тем не менее он используется во множестве моделей слуховая система. Варианты и улучшения гамматоновой модели слуховой фильтрации включают гамматоновый фильтр, всеполюсный и один-нулевой гамматоновые фильтры, двусторонний гамматоновый фильтр и каскадные модели фильтров, а также их различные зависящие от уровня и динамически нелинейные версии.[8]

Кривые психоакустической настройки

Формы слуховых фильтров обнаруживаются путем анализа психоакустической настройки, которые представляют собой графики, показывающие порог обнаружения тона субъектом в зависимости от параметров маскера.[9]

Кривые психоакустической настройки могут быть измерены с использованием метода режекторного шума. Эта форма измерения может занять много времени и около 30 минут, чтобы найти каждый замаскированный порог.[10] В методе режекторного шума субъект представлен в виде режекторного шума в качестве маскера и синусоиды (чистого тона) в качестве сигнала. Зазубренный шум используется в качестве маскера, чтобы предотвратить снижение слуха пациента, возникающее при использовании синусоидального маскера.[7] Зазубренный шум - это шум с зазубриной вокруг частоты сигнала, который объект пытается обнаружить, и содержит шум в пределах определенной полосы пропускания. Полоса пропускания шума изменяется и замаскированные пороги для синусоиды измеряются. Маскированные пороги вычисляются путем одновременного маскирования, когда сигнал воспроизводится для объекта одновременно с маскирующим устройством, 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 пороговых значений с разной шириной надрезов.[10] Также необходимо рассчитать большое количество пороговых значений, поскольку слуховые фильтры асимметричны, поэтому пороговые значения также следует измерять с режектором, асимметричным частоте сигнала.[9] Из-за большого количества необходимых измерений время, необходимое для определения формы слуховых фильтров человека, очень велико. Чтобы сократить время, необходимое для поиска замаскированных пороговых значений, можно использовать метод возрастания. Если для расчета порога используется метод возрастания, время, необходимое для расчета формы фильтра, значительно сокращается, так как для расчета порога требуется около двух минут.[10] Это связано с тем, что порог регистрируется, когда субъект впервые слышит тон, а не когда он реагирует на определенный уровень стимула в определенном процентном соотношении.

Анатомия и физиология базилярной мембраны

Человек 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 нейросенсорным путям, а не по проводящим путям.[11] Улитка - сложная структура, состоящая из трех слоев жидкости. Вестибульная лестница и средняя лестница разделены мембраной Рейсснера, тогда как средняя лестница и барабанная лестница разделены базилярной мембраной.[11] Схема ниже иллюстрирует сложную компоновку отсеков и их разделений:[4]

Поперечный разрез улитки, показывающий различные отделы (как описано выше)

Базилярная мембрана расширяется по мере продвижения от основания к вершине. Следовательно, основание (самая тонкая часть) имеет большую жесткость, чем вершина.[4] Это означает, что амплитуда звуковой волны, проходящей через базилярную мембрану, изменяется по мере ее прохождения через улитку.[11] Когда через улитку проходит вибрация, жидкость в трех отделениях заставляет базилярную мембрану реагировать волнообразно. Эта волна называется «бегущей волной»; этот термин означает, что базилярная мембрана не просто колеблется как одно целое от основания к вершине.

Когда звук доносится до человеческого уха, время, необходимое для прохождения волны через улитку, составляет всего 5 миллисекунд.[11]

Когда низкочастотные бегущие волны проходят через улитку, волна постепенно увеличивается по амплитуде, а затем почти сразу затухает. Размещение вибрации на улитке зависит от частоты предъявляемых раздражителей. Например, более низкие частоты в основном стимулируют верхушку улитки по сравнению с более высокими частотами, которые стимулируют основание улитки. Этот признак физиологии базилярной мембраны может быть проиллюстрирован в виде карты частот мест:[12]

Упрощенная схема базилярной мембраны, показывающая изменение характеристической частоты от основания к вершине

Базилярная мембрана поддерживает орган Корти, который находится в scala media.[4] Кортиев орган состоит как из наружных, так и внутренних волосковых клеток. В одном ухе находится примерно от 15 000 до 16 000 таких волосковых клеток.[11] Наружные волосковые клетки имеют стереоцилии простирается к текториальной мембране, которая находится над кортиевым органом. Стереоцилии реагируют на движение текториальной мембраны, когда звук вызывает вибрацию улитки. Когда это происходит, стереоцилии отделяются и образуется канал, позволяющий протекать химическим процессам. В конце концов сигнал достигает восьмого нерва, после чего обрабатывается в головном мозге.[11]

Отношение к маскировке

Слуховые фильтры тесно связаны с маскировкой в ​​способах их измерения, а также в том, как они работают в слуховой системе. Как описано ранее, критическая полоса пропускания фильтра увеличивается в размере с увеличением частоты, наряду с этим фильтр становится более асимметричным с увеличением уровня.

Асимметрия слухового фильтра. Диаграмма показывает возрастающую асимметрию слухового фильтра с увеличением входного уровня. Выделенные фильтры показывают форму для входного уровня 90 дБ (розовый) и входного уровня 20 дБ (зеленый). Диаграмма адаптирована из Мура и Гласберга,[13] который показал округлые (roex) формы фильтра.

Считается, что эти два свойства слухового фильтра способствуют распространению маскировки вверх, то есть низкие частоты маскируют высокие частоты лучше, чем наоборот. По мере того, как увеличение уровня делает крутизну низкой частоты более мелкой, за счет увеличения ее амплитуды низкие частоты маскируют высокие частоты больше, чем при более низком входном уровне.

Слуховой фильтр может уменьшить эффекты маскера при прослушивании сигнала в фоновом шуме с использованием прослушивания вне частоты. 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 неприемлемым. Слуховой фильтр, сконцентрированный на сигнале, может также содержать большое количество маскера, что приводит к снижению отношения сигнал / шум фильтра и снижению способности слушателей обнаруживать сигнал. Однако, если слушатель слушал через немного другой фильтр, который все еще содержал значительный объем сигнала, но меньше маскатора, SNR увеличивается, позволяя слушателю обнаруживать сигнал.[4]

Внечастотное прослушивание. Диаграмма A показывает слуховой фильтр с центром в сигнале и то, как часть маскатора попадает в этот фильтр, что приводит к низкому SNR. Диаграмма B показывает фильтр дальше по базилярной мембране, который не центрирован по сигналу, но содержит значительную часть этого сигнала и меньше маскатора. Этот сдвиг уменьшает эффект маскирования за счет увеличения отношения сигнал / шум. Схема адаптирована из Гельфанда (2004).[4]

Первая диаграмма выше показывает слуховой фильтр, сосредоточенный на сигнале, и то, как часть маскатора попадает в этот фильтр. Это приводит к низкому SNR. На второй диаграмме показан следующий фильтр вдоль базилярной мембраны, который не центрирован по сигналу, но содержит значительную часть этого сигнала и меньше маскатора. Это снижает эффект маскера за счет увеличения отношения сигнал / шум.

Сказанное выше относится к модели маскирования по спектру мощности. В целом эта модель полагается на слуховую систему, содержащую массив слуховых фильтров, и выбор фильтра с сигналом в центре или с наилучшим SNR. Только маскировщик, попадающий в слуховой фильтр, способствует маскированию, и этот маскер определяет порог слышимости сигнала человеком.[6]

Нормальные и нарушенные слуховые фильтры

В «нормальном» ухе слуховой фильтр имеет форму, аналогичную показанной ниже. Этот график отражает частотную избирательность и настройку базилярной мембраны.

Слуховой фильтр «нормальной» улитки

В настройка базилярной мембраны обусловлено 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 на этой конкретной частоте.

Однако в пораженном ухе слуховой фильтр имеет другую форму по сравнению с «нормальным» ухом.[14]

Слуховой фильтр нарушенной улитки

Слуховой фильтр поврежденного уха более плоский и широкий по сравнению с нормальным ухом. Это связано с тем, что частотная избирательность и настройка базилярной мембраны снижается по мере повреждения наружных 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 в основном на низкочастотной стороне фильтра. Это увеличивает восприимчивость к низкочастотной маскировке, то есть к распространению маскирования вверх, как описано выше.[6]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ https://archive.org/details/bstj12-4-377 | Технический журнал Bell System, октябрь 1933 г., «Громкость, ее определение, измерение и расчет»
  2. ^ Флетчер, Харви (1940). «Слуховые паттерны». Обзоры современной физики. 12 (1): 47–65. Bibcode:1940РвМП ... 12 ... 47Ф. Дои:10.1103 / RevModPhys.12.47.
  3. ^ Кэмпбелл, М .; Greated, C. (1987). Путеводитель по акустике для музыкантов. Нью-Йорк: Книги Ширмера. ISBN 978-0-02-870161-5.
  4. ^ а б c d е ж грамм 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.
  5. ^ Munkong, R .; Бин-Хван Цзюань (май 2008 г.). «Слуховое восприятие и познание». Журнал IEEE Signal Processing Magazine. 25 (3): 98–117. Bibcode:2008ISPM ... 25 ... 98 млн. Дои:10.1109 / MSP.2008.918418.
  6. ^ а б c d е ж грамм час я Мур, Б. С. Дж. (1998). Кохлеарная потеря слуха. Лондон: Whurr Publishers Ltd. ISBN 978-0-585-12256-4.
  7. ^ а б c Мур, Б. С. Дж. (1986). «Параллели между частотной избирательностью, измеренной психофизически и в кохлеарной механике». Сканд. Audio Suppl. (25): 129–52.
  8. ^ Р. Ф. Лион; А. Г. Кациамис; Э. М. Дракакис (2010). «История и будущее моделей слуховых фильтров» (PDF). Proc. ISCAS. IEEE.
  9. ^ а б Glasberg, B.R .; Мур, Б. С. Дж. (1990). «Получение формы слухового фильтра из данных с надрезом». Слышать. Res. 47 (1–2): 103–138. Дои:10.1016 / 0378-5955 (90) 90170-Т.
  10. ^ а б c Накаичи, Такеши; Ватануки, Кейсуке; Сакамото, Шиничи (2003). «Упрощенный метод измерения слуховых фильтров для слабослышащих слушателей». Акустическая наука и технологии. 24 (6): 365–375. Дои:10.1250 / аст.24.365.
  11. ^ а б c d е ж Плевес, К. (2006). Анатомия и физиология уха.
  12. ^ "Променад" вокруг улитки ". 2003.
  13. ^ Moore, B.C.J .; Гласберг, Б. Р. (1987). «Формулы, описывающие частотную избирательность как функцию частоты и уровня, и их использование при расчете диаграмм возбуждения». Слуховые исследования. 28 (2–3): 209–225. Дои:10.1016/0378-5955(87)90050-5. ISSN 0378-5955. PMID 3654390.
  14. ^ Мур, Б. С. Дж. (2003). Введение в психологию слуха (5-е изд.). Сан-Диего, Калифорния: Academic Press. ISBN 978-0-12-505627-4.

внешняя ссылка

  • Василакис, П. и Фитц, К. (2007). SRA: веб-инструмент исследования спектрального анализа и анализа шероховатости звуковых сигналов. При поддержке гранта Северо-Западного академического компьютерного консорциума Дж. Миддлтон, Университет Восточного Вашингтона