Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Психоакустика - это раздел психофизики, включающий научное изучение восприятия звука и аудиологии - того, как люди воспринимают различные звуки. В частности, это отрасль науки, изучающая психологические реакции, связанные со звуком (включая шум , речь и музыку ). Психоакустика - это междисциплинарная область многих областей, включая психологию, акустику, электронную инженерию, физику, биологию, физиологию и информатику. [1]

Фон [ править ]

Слух - это не чисто механическое явление распространения волн , но также чувственное и перцептивное событие; Другими словами, когда человек что-то слышит, это что-то достигает уха в виде механической звуковой волны, распространяющейся по воздуху, но внутри уха она преобразуется в нейронные потенциалы действия . Наружные волосковые клетки (OHC) улитки млекопитающих вызывают повышенную чувствительность и лучшее [ необходимо уточнение ] частотное разрешение механической реакции перегородки улитки. Затем эти нервные импульсы попадают в мозг, где и воспринимаются. Следовательно, во многих проблемах в акустике, например, при обработке звука, полезно принимать во внимание не только механику окружающей среды, но и тот факт, что и ухо, и мозг участвуют в слушании человека. [ требуется пояснение ] [ необходима ссылка ]

Внутреннее ухо , например, делает значительную обработку сигнала при преобразовании звуковых форм сигналов в нервные раздражители, поэтому некоторые различия между формами волны могут быть незаметными. [2] Методики сжатия данных , такие как MP3 , используют этот факт. [3] Кроме того, ухо нелинейно реагирует на звуки разной интенсивности; этот нелинейный отклик называется громкостью . Телефонные сети и системы шумоподавления используют этот факт, нелинейно сжимая образцы данных перед передачей, а затем расширяя их для воспроизведения. [4] Другой эффект нелинейного отклика уха заключается в том, что звуки, близкие по частоте, создают ноты фантомных ударов или продукты интермодуляционных искажений. [5]

Термин «психоакустика» также возникает в дискуссиях о когнитивной психологии и о влиянии, которое личные ожидания, предрассудки и предрасположенности могут иметь на относительные оценки слушателей и сравнения звуковой эстетики и остроты зрения, а также на различные определения слушателей об относительных качествах различных музыкальных произведений инструменты и исполнители. Выражение «слышит то, что хочет (или ожидает) услышать», может иметь отношение к таким дискуссиям. [ необходима цитата ]

Пределы восприятия [ править ]

Равной громкости контура . Обратите внимание на пиковую чувствительность в районе 2–4 кГц в середине полосы частот голоса .

Обычно человеческое ухо может слышать звуки в диапазоне от 20 Гц (0,02 кГц) до 20 000 Гц (20 кГц). Верхний предел имеет тенденцию уменьшаться с возрастом; большинство взрослых не слышат выше 16 кГц. Самая низкая частота, которая была идентифицирована как музыкальный тон, составляет 12 Гц в идеальных лабораторных условиях. [6] Тоны от 4 до 16 Гц можно воспринимать через осязание тела .

Частотное разрешение уха составляет около 3,6 Гц в пределах октавы 1000–2000 Гц. То есть изменения высоты тона более 3,6 Гц можно ощутить в клинических условиях. [6] Однако даже меньшие различия в высоте тона можно ощутить и другими способами. Например, интерференцию двух нот часто можно услышать как повторяющееся изменение громкости тона. Эта амплитудная модуляция происходит с частотой, равной разности частот двух тонов, и называется биением .

Шкала полутонов, используемая в западной нотной записи, является не линейной шкалой частот, а логарифмической шкалой . Другие весы были получены непосредственно из экспериментов по восприятию человеческого слуха, такие как масштаб мела и масштаб Барка (они используются при изучении восприятия, но обычно не в музыкальной композиции), и они приблизительно логарифмические по частоте в конце высокочастотного , но почти линейный на низкочастотном конце.

Диапазон интенсивности слышимых звуков огромен. Барабаны человеческого уха чувствительны к колебаниям звукового давления и могут обнаруживать изменения давления от нескольких микропаскалей (мкПа) до более 100 кПа . По этой причине уровень звукового давления также измеряется логарифмически, при этом все давления приводятся к 20 мкПа (или 1,97385 × 10 -10 атм ). Поэтому нижний предел слышимости определяется как 0 дБ , но верхний предел не так четко определен. Верхний предел - это больше вопрос предела, при котором ухо будет физически повреждено или может вызватьпотеря слуха из-за шума .

Более тщательное исследование нижних пределов слышимости определяет, что минимальный порог, при котором звук может быть услышан, зависит от частоты. Измеряя эту минимальную интенсивность для тестирования тонов различных частот, можно получить частотно-зависимую кривую абсолютного порога слышимости (ATH). Как правило, ухо показывает пик чувствительности (то есть самое низкое значение ATH) в диапазоне 1–5 кГц, хотя пороговое значение изменяется с возрастом, а более старые уши демонстрируют снижение чувствительности выше 2 кГц. [7]

ATH - это самый низкий из контуров равной громкости . Контуры равной громкости показывают уровень звукового давления (дБ SPL) в диапазоне слышимых частот, которые воспринимаются как имеющие равную громкость. Контуры равной громкости были впервые измерены Флетчером и Мансоном в Bell Labs в 1933 году с использованием чистых тонов, воспроизводимых через наушники, и собранные ими данные называются кривыми Флетчера – Мансона . Поскольку субъективную громкость было трудно измерить, кривые Флетчера – Мансона были усреднены по многим испытуемым.

Робинсон и Дадсон усовершенствовали этот процесс в 1956 году, чтобы получить новый набор кривых равной громкости для фронтального источника звука, измеренного в безэховой камере . Кривые Робинсона-Дадсона были стандартизированы как ISO 226 в 1986 году. В 2003 году ISO 226 был пересмотрен как контур равной громкости с использованием данных, собранных в 12 международных исследованиях.

Звуковая локализация [ править ]

Локализация звука - это процесс определения местоположения источника звука. Мозг использует тонкие различия в громкости, тоне и времени между двумя ушами, чтобы мы могли локализовать источники звука. [8] Локализацию можно описать в терминах трехмерного положения: азимут или горизонтальный угол, зенитный или вертикальный угол, а также расстояние (для статических звуков) или скорость (для движущихся звуков). [9] Люди, как и большинство четвероногих животных , умеют определять направление по горизонтали, но в меньшей степени - по вертикали из-за симметричного расположения ушей. Некоторые виды сових уши расположены асимметрично и могут улавливать звук во всех трех плоскостях, что является приспособлением для охоты на мелких млекопитающих в темноте. [10]

Эффекты маскировки [ править ]

График маскировки звука

Предположим, что слушатель может слышать данный акустический сигнал в беззвучном режиме. Когда сигнал воспроизводится во время воспроизведения другого звука (маскирующего устройства), сигнал должен быть более сильным, чтобы слушатель мог его услышать. Для маскирования маскеру не нужны частотные составляющие исходного сигнала. Можно услышать замаскированный сигнал, даже если он слабее, чем маскирующий. Маскирование происходит, когда сигнал и маскер воспроизводятся вместе - например, когда один человек шепчет, а другой кричит, - и слушатель не слышит более слабый сигнал, поскольку он был замаскирован более громким маскером. Маскирование также может происходить, когда сигнал запускается после остановки маскера. Например, один внезапный громкий звук хлопка может привести к появлению неслышных звуков. Эффект обратной маскировки слабее, чем прямой.Эффект маскировки широко изучался в психоакустических исследованиях. Можно изменить уровень маскера и измерить порог, а затем создать диаграмму кривой психофизической настройки, которая выявит аналогичные особенности. Эффекты маскирования также используются при кодировании звука с потерями, напримерMP3 .

Отсутствует фундаментальный [ править ]

При представлении гармонического ряда частот в соотношении 2 f , 3 f , 4 f , 5 f и т. Д. (Где f - конкретная частота) люди склонны воспринимать высоту тона как f . Наглядный пример можно найти на YouTube. [11]

Программное обеспечение [ править ]

При перцептивном кодировании звука используются алгоритмы, основанные на психоакустике.

Психоакустическая модель обеспечивает высококачественное сжатие сигнала с потерями , описывая, какие части данного цифрового аудиосигнала можно безопасно удалить (или агрессивно сжать), то есть без значительных потерь в (сознательно) воспринимаемом качестве звука.

Это может объяснить, как резкий хлопок в ладоши может показаться мучительно громким в тихой библиотеке, но едва заметен после того, как автомобиль загорелся на оживленной городской улице. Это дает большое преимущество для общей степени сжатия, а психоакустический анализ обычно приводит к сжатым музыкальным файлам, размер которых составляет от 1/10 до 1/12 от размера высококачественных мастеров, но с заметно меньшей пропорциональной потерей качества. Такое сжатие характерно почти для всех современных форматов сжатия звука с потерями. Некоторые из этих форматов включают Dolby Digital (AC-3), MP3 , Opus , Ogg Vorbis , AAC , WMA , MPEG-1 Layer II (используется для цифрового аудиовещания.в некоторых странах) и ATRAC , сжатие используется в MiniDisc и некоторых моделях Walkman .

Психоакустика в значительной степени основана на анатомии человека , особенно на ограничениях уха в восприятии звука, о которых говорилось ранее. Подводя итог, эти ограничения:

  • Предел высокой частоты
  • Абсолютный порог слышимости
  • Временная маскировка (прямая маскировка, обратная маскировка)
  • Одновременное маскирование (также известное как спектральное маскирование)

Алгоритм сжатия может назначать более низкий приоритет звукам за пределами диапазона человеческого слуха. Путем осторожного смещения битов от неважных компонентов к важным, алгоритм обеспечивает наиболее точное представление звуков, которые слушатель, скорее всего, будет воспринимать.

Музыка [ править ]

Психоакустика включает темы и исследования, имеющие отношение к музыкальной психологии и музыкальной терапии . Теоретики, такие как Бенджамин Борец, считают некоторые результаты психоакустики значимыми только в музыкальном контексте. [12]

LP серии " Environments " Ирва Тейбеля (1969–79) представляют собой ранний пример коммерчески доступных звуков, выпущенных специально для улучшения психологических способностей. [13]

Прикладная психоакустика [ править ]

Психоакустическая модель

Психоакустика давно поддерживает симбиотические отношения с информатикой , компьютерной инженерией и компьютерными сетями . Пионеры Интернета JCR Licklider и Боб Тейлор закончили аспирантуру в области психоакустики, в то время как BBN Technologies изначально специализировалась на консультировании по вопросам акустики до того, как начала создавать первые компьютерные сети с коммутацией пакетов .

Ликлайдер написал статью под названием «Дуплексная теория восприятия высоты звука». [14]

Психоакустика применяется во многих областях разработки программного обеспечения, где разработчики отображают проверенные и экспериментальные математические закономерности в цифровой обработке сигналов. Многие кодеки сжатия звука, такие как MP3 и Opus, используют психоакустическую модель для увеличения степени сжатия. Успех обычных аудиосистем для воспроизведения музыки в театрах и дома можно отнести к психоакустике [15], а психоакустические соображения привели к появлению новых аудиосистем, таких как синтез психоакустического звукового поля . [16] Кроме того, ученые с ограниченным успехом экспериментировали по созданию нового акустического оружия, которое излучает частоты, которые могут ухудшить, повредить или убить.[17] Психоакустика также используется в ультразвуковой обработке, чтобы сделать несколько независимых параметров данных слышимыми и легко интерпретируемыми. [18] Это дает возможность слухового сопровождения без необходимости использования пространственного звука и в компьютерных играх с ультразвуковой обработкой [19] и других приложениях, таких какполеты на дронах и хирургия под визуальным контролем . [20] Это также применяется сегодня в музыке, где музыканты и артисты продолжают создавать новые слуховые ощущения, маскируя нежелательные частоты инструментов, вызывая усиление других частот. Еще одно применение - разработка небольших громкоговорителей или громкоговорителей более низкого качества, в которых может использоваться явлениеотсутствуют основы для создания эффекта низких частот на более низких частотах, чем акустические системы физически способны воспроизводить (см. ссылки).

Производители автомобилей проектируют свои двигатели и даже двери так, чтобы они имели определенный звук. [21]

См. Также [ править ]

Связанные поля [ править ]

  • Когнитивная нейробиология музыки
  • Музыкальная психология

Психоакустические темы [ править ]

  • A-взвешивание , обычно используемая функция передачи воспринимаемой громкости
  • ABX тест
  • Слуховые иллюзии
  • Анализ слуховой сцены, вкл. Восприятие 3D-звука, локализация
  • Бинауральные ритмы
  • Слепое разделение сигналов
  • Комбинированный тон (также тон Тартини)
  • Иллюзия шкалы Дойча
  • Эквивалентная прямоугольная полоса пропускания (ERB)
  • Эффект Франссена
  • Иллюзия глиссандо
  • Эффект Хааса
  • Гиперзвуковой эффект
  • Языковая обработка
  • Эффект левитина
  • Мизофония
  • Музыкальный тюнинг
  • Влияние шума на здоровье
  • Иллюзия октавы
  • Pitch (музыка)
  • Эффект приоритета
  • Психолингвистика
  • Теория скоростного искажения
  • Звуковая локализация
  • Звук скребков ногтей по классной доске
  • Звуковая маскировка
  • Распознавание речи
  • Тембр
  • Парадокс тритона

Ссылки [ править ]

Примечания [ править ]

  1. ^ Баллу, G (2008). Справочник для звукооператоров (Четвертое изд.). Берлингтон: Focal Press. п. 43.
  2. ^ Кристофер Дж Plack (2005). Чувство слуха . Рутледж. ISBN 978-0-8058-4884-7.
  3. ^ Ларс Альзен; Кларенс Сонг (2003). Sound Blaster Live! Книга . Пресс без крахмала. ISBN 978-1-886411-73-9.
  4. ^ Рудольф Ф. Граф (1999). Современный словарь электроники . Newnes. ISBN 978-0-7506-9866-5.
  5. Джек Кац; Роберт Ф. Буркард и Ларри Медветски (2002). Справочник по клинической аудиологии . Липпинкотт Уильямс и Уилкинс. ISBN 978-0-683-30765-8.
  6. ^ a b Олсон, Гарри Ф. (1967). Музыка, физика и инженерия . Dover Publications. С. 248–251. ISBN 978-0-486-21769-7.
  7. ^ Фастл, Хьюго; Цвикер, Эберхард (2006). Психоакустика: факты и модели . Springer. С. 21–22. ISBN 978-3-540-23159-2.
  8. ^ Томпсон, Дэниел М. Понимание звука: получение максимальной отдачи от вашего проекта или профессиональной студии звукозаписи. Бостон, Массачусетс: Беркли, 2005. Печать.
  9. ^ Дороги, Кертис. Учебник компьютерной музыки. Кембридж, Массачусетс: Массачусетский технологический институт, 2007. Печать.
  10. ^ Льюис, Д.П. (2007): Совиные уши и слух. Совиные страницы [Интернет]. Доступно: http://www.owlpages.com/articles.php?section=Owl+Physiology&title=Hearing [2011, 5 апреля]
  11. ^ Акустический, Музыкальный. «Отсутствует фундаментальный» . YouTube . Дата обращения 19 августа 2019 .
  12. ^ Стерн, Джонатан (2003). Звуковое прошлое: культурные истоки воспроизведения звука . Дарем: издательство Duke University Press. ISBN 9780822330134.
  13. ^ Каммингс, Джим. "Ирв Тейбель умер на этой неделе: создатель пластинок" Environments "1970-х . Земляное ухо . Проверено 18 ноября 2015 года .
  14. ^ Licklider, JCR (январь 1951). «Дуплексная теория восприятия высоты звука» (PDF) . Журнал акустического общества Америки . 23 (1): 147. Bibcode : 1951ASAJ ... 23..147L . DOI : 10.1121 / 1.1917296 . Архивировано (PDF) из оригинала на 2016-09-02.
  15. ^ Ziemer, Тим (2020). «Обычный стереофонический звук». Синтез звукового поля психоакустической музыки . Текущие исследования в систематическом музыкознании. 7 . Чам: Спрингер. С. 171–202. DOI : 10.1007 / 978-3-030-23033-3_7 . ISBN 978-3-030-23033-3.
  16. ^ Ziemer, Тим (2020). Синтез звукового поля психоакустической музыки . Текущие исследования в систематическом музыкознании. 7 . Чам: Спрингер. DOI : 10.1007 / 978-3-030-23033-3 . ISBN 978-3-030-23032-6. ISSN  2196-6974 .
  17. ^ "Архивная копия" . Архивировано из оригинала на 2010-07-19 . Проверено 6 февраля 2010 .CS1 maint: заархивированная копия как заголовок ( ссылка )
  18. ^ Зимер, Тим; Шультейс, Хольгер; Блэк, Дэвид; Кикинис, Рон (2018). «Психоакустическая интерактивная сонификация для ближней навигации». Acta Acustica объединилась с Acustica . 104 (6): 1075–1093. DOI : 10,3813 / AAA.919273 .
  19. ^ CURAT. «Игры и обучение минимально инвазивной хирургии» . CURAT . Бременский университет . Дата обращения 15 июля 2020 .
  20. ^ Зимер, Тим; Нучпрайун, Нуттавут; Шультайс, Хольгер (2019). «Психоакустическая сонификация как пользовательский интерфейс для взаимодействия человека с машиной» (PDF) . Международный журнал общества информатики . 12 (1). arXiv : 1912.08609 . DOI : 10,13140 / RG.2.2.14342.11848 . Дата обращения 15 июля 2020 .
  21. ^ Тарми, Джеймс (5 августа 2014 г.). «Двери Mercedes имеют фирменный звук: вот как» . Bloomberg Business . Дата обращения 10 августа 2020 .

Источники [ править ]

  • Э. Ларсен и Р. М. Аартс (2004 г.), Расширение звуковой полосы. Применение психоакустики, обработки сигналов и дизайна громкоговорителей. , J. Wiley.
  • Ларсен Э .; Аартс Р.М. (март 2002 г.). «Воспроизведение низкочастотных сигналов через небольшие громкоговорители» (PDF) . Журнал Общества звукорежиссеров . 50 (3): 147–64.[ мертвая ссылка ]
  • Oohashi T .; Kawai N .; Нишина Е .; Honda M .; Яги Р .; Накамура S .; Morimoto M .; Maekawa T .; Yonekura Y .; Шибасаки Х. (февраль 2006 г.). «Роль биологической системы, отличной от слуховой воздушной проводимости в возникновении гиперзвукового эффекта» . Исследование мозга . 1073–1074: 339–347. DOI : 10.1016 / j.brainres.2005.12.096 . PMID  16458271 .

Внешние ссылки [ править ]

  • Музыкальный слух - восприятие звука
  • Мюллер С., Шнидер П., Перстерер А., Опиц М., Нефьодова М. В., Бергер М. (1993). «[Прикладная психоакустика в космическом полете]». Wien Med Wochenschr (на немецком языке). 143 (23–24): 633–5. PMID  8178525 .—Моделирование слуха в свободном поле головными телефонами
  • GPSYCHO - психоакустическая и шумоформирующая модель с открытым исходным кодом для кодировщиков MP3 на основе ISO.
  • Определение: перцепционное звуковое кодирование
  • Java-апплет, демонстрирующий маскировку
  • Временная маскировка
  • Концепции гиперфизики - звук и слух
  • MP3 как стандартный объект