АКУСТИКА ЖИВЫХ СИСТЕМ. ^^^^^^^^^^ БИОЛОГИЧЕСКАЯ АКУСТИКА
УДК 612.85
РОЛЬ СПЕКТРАЛЬНЫХ КОМПОНЕНТОВ ПЕРЕДАТОЧНЫХ ФУНКЦИЙ ГОЛОВЫ В ОЦЕНКЕ ВИРТУАЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ ИСТОЧНИКА ЗВУКА В ВЕРТИКАЛЬНОЙ ПЛОСКОСТИ
© 2010 г. Е. С. Малинина, И. Г. Андреева
Институт эволюционной физиологии и биохимии им. И.М. Сеченова РАН 194223 Санкт-Петербург, просп. М. Тореза 44 E-mail: malinina-es@mail.ru; ig-andreeva@mail.ru Поступила в редакцию 18.08.09 г.
Психофизическое исследование по оценке стимулов, имитирующих движение источника звука между точками пространства с координатами от —45° до 45° элевации (азимут 0°), выполнено с участием слушателей 57—73 лет методом имитации движения, основанным на использовании реальной передаточной функции головы и реконструкции спектральных компонентов, характерных для этой функции. Точность опознания слушателями направления движения возрастала в следующей последовательности способов имитации: движение имитировалось смещением спектрального минимума в отрезках широкополосного шума в диапазоне 5—12 кГц (ширина минимума составляла 1 кГц и была постоянна); изменением ширины спектрального минимума в диапазоне 6—12 кГц; изменением ширины спектрального максимума в диапазоне 4—8 кГц; изменением ширины спектрального минимума и максимума; смещением спектрального минимума и изменением ширины спектрального максимума; смещением спектрального минимума и изменением ширины и мощности спектрального максимума. Для последнего стимула средняя вероятность правильных ответов (90 ± 5%) достоверно не отличалась от таковой для стимула, синтезированного на основе реальной передаточной функции (94 ± 3%), которая использовалась в качестве образца при реконструкции спектральных компонентов.
ВВЕДЕНИЕ
Общепризнано, что локализация источника звука в вертикальной плоскости основана на информации, извлекаемой слуховой системой человека и животных из так называемых передаточных функций головы [1—3], которые являются результатом преобразования звукового сигнала при его переходе из свободного звукового поля к барабанной перепонке. В результате этого преобразования в первичном спектре широкополосного звукового сигнала происходит усиление или ослабление отдельных спектральных компонентов, зависимое от направления источника звука. В ранних исследованиях было показано, что систематическое смещение первого спектрального минимума (спектральной вырезки) в передаточных функциях головы человека в частотном диапазоне от 6 до 12 кГц соответствует сдвигу угла элевации источника звука снизу вверх [4]. Основной спектральный максимум (пик) в передаточных функциях головы, по данным этой работы, приходится на частоту 4 кГц, т.е. предшествует спектральному минимуму, и не обнаруживает заметной связи с положением источника звука.
Позже, однако, были получены доказательства, что область частот, значимых для локализации по вертикали, захватывает как область смещения первого спектрального минимума, так и область основного спектрального максимума [5]. Несмотря на длительную дискуссию о роли спектральных минимумов и максимумов в локализации источника звука, окончательно этот вопрос не решен [6, 7]. Вместе с тем, решение этого вопроса имеет немаловажное значение в связи с разработкой стимулов, имитирующих движение источника звука по вертикали.
На современном этапе моделирование перемещения источника звука по вертикали связано с регистрацией и воспроизведением параметров передаточных функций, отражающих положение источника звука в пространстве. Недостаток этого подхода заключается в том, что передаточные функции, отражающие одну и ту же точку пространства, могут значительно отличаться у разных людей [5]. Насколько важна эта индивидуализация передаточных функций для локализации источника звука, окончательно не установлено даже для неподвижных звуков, и не исследова-
лось для движущихся звуков. С одной стороны, было показано, что неподвижные звуки, синтезированные с использованием собственных передаточных функций, локализуются точнее, чем с использованием чужих (неиндивидуализиро-ванных) передаточных функций [8]. С другой стороны, существуют данные, что сглаживание или усреднение индивидуальных передаточных функций не вызывает нарушения локализации неподвижных звуков [7, 9]. При том, что спектральный анализ передаточных функций выполнялся неоднократно [5, 6], не вполне ясно, какие их характеристики могут обеспечить возможность сходной локализации стимулов в виртуальном акустическом пространстве у большинства, в идеале — у всех слушателей.
Приступая к созданию стимулов, имитирующих движение источника звука в вертикальной плоскости, мы пытались оценить вклад различных параметров передаточных функций в локализацию движущегося источника звука в этой плоскости. Предварительно нами было выполнено исследование по оценке звуковых стимулов, имитирующих движение источника звука по вертикали на основе неиндивидуализированных передаточных функций головы различных слушателей [10]. Было показано, что для определения направления виртуального движения испытуемые 19—27 лет в качестве признаков локализации используют не только регулярное смещение спектрального минимума по частотной шкале, но и динамическое изменение общей мощности стимулов. По данным спектрального анализа, изменение общей мощности стимулов было обусловлено, главным образом, динамическими изменениями мощности спектральных компонентов в области спектрального максимума. Мы не могли, однако, исключить, что менее выраженные изменения мощности спектральных компонентов в области смещения спектрального минимума все-таки могли иметь значение для локализации источника звука в вертикальной плоскости. Поэтому задачей настоящего исследования было определение вклада изменений мощности в двух полосах частот, характерных для смещений спектральных минимумов и максимумов в передаточных функциях головы, в оценку направления движения источника звука по вертикали. Учитывая, что вопрос о роли высоких и низких частот для локализации источника звука по вертикали является особенно важным для слушателей старшего возраста с характерным снижением слуховой чувствительности на высоких частотах [11, 12], исследования выполнены с участием слушателей 6—8 декады жизни.
МЕТОДИКА
В экспериментах участвовало 10 испытуемых в возрасте 57—73 лет (трое мужчин, семь женщин, средний возраст — 65 лет). Слуховая чувствительность испытуемых оценивалась при помощи тональной пороговой аудиометрии (диапазон частот 125 Гц — 10 кГц, клинический аудиометр МА-31, Германия). Снижение слуха на 30 дБ и более на высоких частотах либо для одного уха, либо для обоих ушей было отмечено у всех испытуемых: у трех испытуемых снижение слуха проявлялось только на частоте 10 кГц, у трех испытуемых — начиная с частоты 8 кГц, у двух испытуемых — начиная с частоты 4 кГц, у двух испытуемых — начиная с частоты 2 кГц.
В работе использовали звуковые стимулы, имитирующие движение источника звука в вертикальной плоскости на основе передаточной функции головы и спектральных компонентов, характерных для этой функции. Стимул состоял из двух сигналов, подаваемых на левое и правое уши испытуемых. Все сигналы были сформированы из 17 отрезков широкополосного шума (ширина полосы 0.5—16 кГц), длительность каждого отрезка составляла 50 мс, время нарастания-спадения — 5 мс. Отрезки шума частично перекрывались таким образом, чтобы исключить перепады интенсивности между ними и обеспечить непрерывность звучания. Общая длительность сигналов составляла 940 мс. Схема формирования сигналов приводилась нами в работе [10].
В качестве базового при реконструкции спектральных компонентов использовался стимул, сознанный на основе передаточных функций головы слушателя № 119 из банка передаточных функций "С1Р1С" лаборатории университета Калифорнии, США, записанных отдельно для левого и правого ушей. Стимул № 119 был отобран на основании предварительной оценки 23 комплектов неиндивидуализированных передаточных функций различных слушателей. Направление виртуального движения стимулов, синтезированных на основе комплекта функций № 119, опознавалось как молодыми (19—27 лет), так и пожилыми (52—73 года) испытуемыми с наибольшей вероятностью по сравнению со стимулами, синтезированными на основе остальных 22 комплектов из того же банка передаточных функций [10]. Имитация движения стимула № 119 осуществлялась за счет преобразования отрезков шума набором передаточных функций, соответствующих последовательным положениям источника звука с шагом 5.6° между точками пространства с координатами по элевации от —45 до +45° при движении вверх и от +45 до —45° при движении вниз (азимут 0°). Сонограмма сигнала № 119 для левого уха приводится на рис. 1, а. Динамические изменения сигнала № 119 для левого уха были сле-
—1-1-1-1-1-1-1-1-Н 1-1-1-1-1-1-1-1-1-г-
100 200 300 400 500 600 700 800 мс 100 200 300 400 500 600 700 800 мс
Рис. 1. Сонограммы звуковых сигналов, используемых при имитации движения источника звука вверх. Обозначения стимулов приводятся на сонограммах. Движение имитируется: а — на основе передаточных функций субъекта № 119 для левого уха; б — регулярным смещением спектрального минимума в отрезках шума; в — изменением ширины спектрального минимума; г — изменением ширины спектрального максимума; д — изменением ширины спектральных минимума и максимума; е — сочетанием смещения спектрального минимума и изменения ширины спектрального максимума; ж — сочетанием смещения спектрального минимума и изменения ширины и мощности спектрального максимума.
По оси абсцисс — время, мс; по оси ординат — частота, кГц; более темные участки сонограмм соответствуют ослаблению частотных компонентов сигнала, более светлые — усилению.
дующими: диапазон смещения первой спектральной вырезки составлял 6—12 кГц, величина изменения общей мощности составляла 7.4 дБ.
Динамические изменения сигнала № 119 для правого уха имели сходные параметры. При имитации движения вверх спектральная вырезка сме-
Таблица 1. Динамические характеристики звуковых сигналов, используемых для имитации движения источника звука в вертикальной плоскости
Харак
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.