Psihoacustica

Psihoacustica este studiul percepției subiective a sunetelor umane. Mai precis, este studiul psihologiei percepției acustice.

Introducere

În multe aplicații de acustică și procesare a semnalului sonor devine strict necesar să știm cum sunetul este perceput de o ființă umană. Sunetul , al cărui stimul acustic este compus din unde de presiune care se propagă prin aer, poate fi măsurat cu precizie folosind echipamente sofisticate.

Cu toate acestea, înțelegerea modului în care aceste unde sunt primite și convertite în gânduri în creierul nostru nu trebuie subestimată: sunetul este un semnal analog continu care (aproximând volumul moleculelor de aer la zero) poate aduce teoretic un număr infinit de informații (existând un numărul infinit de frecvențe purtătoare, fiecare conținând informații referitoare la amplitudine și fază ). Identificarea caracteristicilor unice ale percepției auditive permite oamenilor de știință și ingineri să se concentreze asupra componentelor cu adevărat audibile pentru analiza și proiectarea instrumentelor și echipamentelor acustice.

De asemenea, este important să subliniem că ceea ce „auzi” nu este doar o consecință fiziologică legată de conformația urechii noastre, ci are și implicații psihologice.

Limitele percepției auditive

Frecvență

Urechea umană poate auzi sunete cuprinse între 20 Hz și 20 kHz. Această limită superioară tinde să scadă pe măsură ce îmbătrânim: mulți adulți nu pot auzi frecvențe peste 16 kHz. Urechea în sine nu este capabilă să răspundă la frecvențe mai mari sau mai mici decât intervalul indicat, dar aceasta din urmă poate fi percepută în continuare cu corpul prin simțul tactil sub formă de vibrații dacă este suficient de puternic în amplitudine.

În secțiunea de sensibilitate maximă a intervalului de frecvență sonor (în jur de 2-3 kHz) urechea are o rezoluție de aproximativ 2 Hz, în timp ce pe măsură ce vă îndepărtați de această zonă, rezoluția scade în același ritm.

Efectul frecvenței asupra urechii umane urmează o bază logaritmică . Cu alte cuvinte, modul în care tonul sunetului este perceput este o funcție exponențială a frecvenței. Scara muzicală comună a douăsprezece sunete este un exemplu: atunci când frecvența fundamentală a unei note este înmulțită cu $2^{1/12}$ ${\ displaystyle 2 ^ {1/12}}$ $2 ^ {{1/12}}$ , rezultatul este frecvența semitonului următor în direcția ascendentă. Mergând mai sus cu douăsprezece semitonuri sau o octavă , este același lucru cu înmulțirea frecvenței fundamentalului cu $2^{12/12}$ ${\ displaystyle 2 ^ {12/12}}$ ${\ displaystyle 2 ^ {12/12}}$ , sau dublați frecvența (pentru a afla mai multe vezi: temperament egal ).

Ca rezultat, rezoluția în recunoașterea frecvenței absolute este cel mai bine judecată de ureche în termeni de semitonuri sau în cenți , adică în sutimi de semiton.

Intensitate

Dacă se ia în considerare intensitatea sunetului, domeniul sonor este enorm: limita inferioară este definită la 0 dB , în timp ce limita superioară nu este fixată în prezent. Este posibil să găsiți o limită superioară aproximativă, luând în considerare punctul în care intensitatea sunetului este de natură să afecteze urechea. Limita depinde de durata sunetului, deoarece dacă este adevărat că urechea poate suporta 120 dB pentru o perioadă scurtă de timp, este de asemenea adevărat că poate suferi surditate permanentă dacă este expusă mult timp la un sunet peste 80 dB.

O exemplificare mai riguroasă a limitelor minime de audibilitate determină că pragul minim la care se poate auzi un sunet depinde de frecvența acestuia. Măsurând această intensitate minimă utilizând tonuri de testare la diferite frecvențe, putem obține o curbă „Frecvență Dependentă”, care spune pragul absolut de percepție a sunetului sau Pragul absolut al auzului (ATH). În general, urechea denotă un vârf de sensibilitate (de exemplu, ATH-ul său minim) cu o frecvență între 1 kHz și 5 kHz, iar acest prag pare să se schimbe odată cu vârsta: urechile mai în vârstă denotă o reducere a sensibilității mai mare de 2 kHz. ATH constă din cea mai mică dintre curbele cu contur egal sau cu intensitate egală . Curbele de intensitate egală indică nivelul presiunii sonore (în dB ), distribuit pe o gamă de frecvențe sonore, care sunt percepute la același nivel de volum sonor.

Curbele de intensitate sonoră egală au fost măsurate pentru prima dată de Fletcher și Munson în 1933 la AT&T Bell Laboratories folosind tonuri pure reproduse prin căști, iar datele obținute se numesc curbe Fletcher-Munson. Senzația de sunet a fost dificil de măsurat, deoarece a fost subiectivă, astfel încât curbele sunt media dintre percepțiile multor subiecți.

Robinson și Dadson au rafinat procesul în 1956 pentru a obține un nou set de curbe de intensitate sonoră egală pentru o sursă de sunet frontală măsurată într-o cameră fără reverberație ( cameră anecoică ). Curbele Robinson-Dadson au fost standardizate ca ISO 226 în 1986 . În 2003 , ISO 226 a fost revizuit folosind date din 12 studii internaționale.

Ce auzim?

Auzul uman este similar cu un analizor de spectru , astfel încât urechea rezolvă conținutul spectral al undei de presiune fără a lua în considerare faza semnalului. În practică, pot fi percepute unele informații ale fazei. Diferența de fază dintre o ureche și alta este o excepție notabilă care oferă o parte semnificativă în localizarea sunetului. Efectele de filtrare a capului oferă un alt indiciu direcțional important.

Efecte de mascare

În unele situații, un sunet normal audibil poate fi mascat de un alt sunet. De exemplu, conversația la o stație de autobuz poate deveni complet imposibilă dacă se apropie un autobuz zgomotos. Acest fenomen se numește „mascare”. Se spune că un sunet mai slab este „mascat” dacă este făcut inaudibil prin prezența unui sunet mai puternic.

Dacă două sunete sunt produse simultan și unul este mascat de celălalt, se numește mascare simultană . Un sunet cu o frecvență apropiată de cel al sunetului mai puternic este mai ușor mascat decât unul cu o frecvență foarte diferită. Din acest motiv, mascarea simultană se mai numește „mascare în frecvență”.

Tonul unui sunet este parțial determinat de această capacitate de a masca alte sunete. Modelele de calculatoare care calculează mascarea cauzată de sunete trebuie, prin urmare, să își clasifice vârful individual în spectru, acordându-și tonul.

În mod similar, un sunet slab emis imediat după sfârșitul sunetului înalt este mascat de sunetul înalt. Chiar și un sunet blând chiar înainte de un sunet puternic poate fi mascat de un alt sunet. Aceste două efecte sunt numite avans de mascare temporală și respectiv întârziere.

Note despre „Fantoma”

La cel mai scăzut nivel de audibilitate, notele joase pot fi adesea auzite clar numai atunci când nu există alte sunete la aceeași frecvență. Acest lucru se datorează faptului că urechea efectuează o sinteză a sunetelor de joasă frecvență derivând din diferențele dintre frecvențele armonice sonore prezente în sunetele în cauză. În unele echipamente comerciale, acest efect este utilizat pentru a da impresia unui răspuns extins la frecvențe joase atunci când sistemul nu este capabil să le reproducă în mod adecvat.

Psihoacustică și software

Dacă transportăm informații solide în lumea digitală, putem lua unele considerații.

Modelul psihoacustic conferă calitate tipului de compresie audio „lossy” (cu pierderi de informații) indicând ce parte a semnalului audio care trebuie comprimat poate fi eliminată sau puternic comprimată fără a genera probleme, adică fără pierderi semnificative în calitatea sunetului. Acest lucru explică, de exemplu, de ce o palmă ascuțită a palmelor dintre ele poate fi teribil de puternică într-o bibliotecă liniștită, dar cu greu auzită în traficul de mașini din timpul zilei într-un oraș mare. Acest lucru pare să aducă puține beneficii problemei generale a compresiei datelor, dar analizele psihoacustice conduc la fișiere comprimate care sunt chiar de 10 sau 12 ori mai mici decât originalele de înaltă calitate , toate cu o pierdere minimă de calitate perceptibilă. O rată de compresie similară este acum semnul distinctiv pentru aproape toate formatele de compresie audio, inclusiv MP3 , Ogg Vorbis , Musicam (utilizate de multe state ca standard pentru transmisia audio digitală over-the-air) și compresia pe care se bazează MiniDisc .

Psihoacustica se bazează puternic pe anatomia umană , în special - după cum se dovedește - pe limitele percepției urechii. Aceste limitări, pentru a rezuma, sunt:

Deoarece urechea nu funcționează la cel mai bun nivel atunci când este aproape de aceste limitări, un algoritm de compresie audio va acorda prioritate scăzută frecvențelor în afara intervalului auditiv. Furtând memoria de la aceste frecvențe neimportante și redistribuindu-le la cele utile, algoritmul asigură faptul că sunetele audibile sunt de cea mai înaltă calitate posibilă.

Psihoacustica și muzica

Psihoacustica include, de asemenea, descoperiri relevante cu privire la muzică , compoziția și interpretarea acesteia. Unii muzicieni, precum Benjamin Boretz , sunt convinși că rezultatele cercetărilor psihoacustice au sens doar într-un context muzical.

Aplicații

Psihoacustica este aplicată astăzi în multe domenii: de la ingineria computerelor la ingineria acustică , trecând prin apărare în raport cu posibilitatea dezvoltării și utilizării armelor acustice care pot provoca răni sau moarte. Desigur, se aplică și muzicii , unde muzicienii și artiștii continuă să creeze noi senzații acustice, încălcând percepția tradițională a sunetului real. Este, de asemenea, utilizat în educație, medicină și marketing .

Bibliografie

Andrea Di Giovanni, Ce aud urechile noastre. Acustică și psihoacustică. O călătorie în lumea fascinantă a sunetului , Casa Musicale Eco, 2012, ISBN 9788860534507 .
Ettore Carta, Acustică și psihoacustică , Lampi di Stampa, 2014, ISBN 9788848816984 .