СЕНСОРНЫЕ СИСТЕМЫ, 2015, том 29, № 1, с. 63-73
_ СЛУХОВАЯ _
СИСТЕМА
УДК 612.85
ВЛИЯНИЕ МАСКИРОВКИ НА ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ СЛУХА К ДИНАМИЧЕСКИМ ИЗМЕНЕНИЯМ СПЕКТРАЛЬНОГО РИСУНКА ЗВУКОВОГО СИГНАЛА В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ОТНОШЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТЕЙ МАСКЕРА И СИГНАЛА
© 2015 г. Д. И. Нечаев, О. Н. Милехина, А. Я. Супин
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем экологии эволюции
им. А.Н. Северцова РАН 119071, Москва, Ленинский проспект, д. 33 E-mail: dm.nechaev@yandex.ru
Поступила в редакцию 20.10.2014 г.
В работе изучено влияние трёх типов шумовых помех на чувствительность слуха к динамическим изменениям спектрального рисунка сложного звукового сигнала. В качестве тест-сигнала использовали узкополосный шум с гребенчатой структурой спектра, центральная частота которого составляла 2 кГц, а интенсивность 50 и 80 дБ УЗД. В качестве маскера применяли узкополосный шум, расположенный на частотной шкале ниже или выше тест-сигнала или совпадающий по частоте с тест-сигналом. Интенсивность маскера варьировали от 30 до 100 дБ УЗД. Задача испытуемого - определить наличие сдвига гребней спектра тест-сигнала по частотной шкале на фоне маскера. Было показано, что независимо от интенсивности тест-сигнала наибольший эффект маскировки наблюдается при совпадающих по частоте маскере и тест-сигнале. В этом случае повышение порогов чувствительности к частотному смещению спектра наблюдалось уже при отношении маскер/тест-сигнал 0 дБ, а отношение 10 дБ приводило к полной невозможности различения спектрального сдвига. При низкочастотной маскировке порог различения зависел не от отношения интенсивности маскер/тест-сигнал, а от абсолютного значения интенсивности маскера. При интенсивности тест-сигнала как 50, так и 80 дБ УЗД повышение порога различения частотного сдвига начиналось при интенсивности маскера 80 дБ УЗД. При высокочастотной маскировке эффект отсутствовал.
Ключевые слова: слух, частотная избирательность, гребенчатый спектр, маскировка.
ВВЕДЕНИЕ
Частотная избирательность - одна из важных характеристик слуховой системы, именно она определяет возможность анализа тонкой спектральной структуры звукового сигнала. Морфологической основой для первичного частотного анализа в слуховой системе служит базилярная мембрана и работа двух механизмов настройки: "активного" и "пассивного". Работу такой системы можно описать моделью, которая включает в себя набор частотно-избирательных фильтров, острота настройки которых и определяет способность системы к частотному анализу сигналов: чем уже полосы пропускания фильтров, тем острее частотная избирательность и точнее частотный анализ (Fletcher 1940; Veimeister, 1979).
Для изучения частотной избирательности слуха и определения формы слуховых фильтров было предложено несколько методов, основанных на эффекте маскировки, а именно: расчёт критических полос и критических отношений (Fletcher, 1940; Patterson, Moore, 1986), построение частотных настроечных кривых (Vogten, 1974), маскировка шумом с гребенчатой формой спектра (Houtgast, 1977; Pick, 1980), маскировка шумом со спектральным вырезом (Patterson, 1976; Moore et al., 1997).
Помимо маскировочных методов измерения частотной избирательности был предложен и принципиально другой подход, основанный на использовании теста реверсии фазы гребенчатого спектра. Суть теста заключалась в том, что испытуемому предъявляли сигнал с гребенчатым
спектром, который в некоторый момент времени заменялся на другой - также с гребенчатым спектром, с той же самой шириной спектральной полосы и интенсивностью, с той же плотностью и глубиной гребней, но с противоположным положением спектральных пиков и провалов на частотной шкале. Взаимная смена положения спектральных пиков и провалов и есть реверсия фазы гребней (Супин и др., 1999; Supin et al., 1994; 1998). Преимущество такой методики в отличие от методов с использованием маскировки - это возможность оценить реакцию слуховой системы на звуковой сигнал со сложной спектральной структурой, при этом происходит быстрая и прямая оценка частотной избирательности слуха.
Эксперименты с использованием такой методики показали следующее. Во-первых, оказалось, что частотная разрешающая способность (ЧРС) слуха в 2-3 раза выше, чем следует из эквивалентной прямоугольной ширины слуховых фильтров, определённой методами маскировки. Во-вторых, различение сложной гребенчатой структуры спектра не зависело от интенсивности в диапазоне от 40 до 90 дБ уровня звукового давления (УЗД) (Supin et al., 1994), хотя общепринятым фактом и является зависимость остроты частотной избирательности слуховых фильтров от интенсивности звукового сигнала. Предполагается, что это обусловлено работой двух взаимодополняющих механизмов частотного анализа: "пассивного", основанного на гидромеханических свойствах улитки, и "активного", основанного на электрокинетических свойствах наружных волосковых клеток. В модели слуховой системы, как набора частотно-полосовых фильтров, "пассивный" механизм соответствует основанию фильтра ("хвосту"), а "активный" отвечает за ширину пиковой части. При увеличении интенсивности сигнала происходит изменение соотношения между пиком и "хвостом" в пользу последнего (Glasberg, Moore, 2000). Однако именно пиковая часть характеристики ответственна за передачу основной мощности входного сигнала через фильтр, "хвост" характеристики передаёт лишь несколько процентов мощности. Поэтому пока имеется превышение пика над "хвостом", передача сигнала с гребенчатым спектром через набор фильтров практически не изменяется (Супин и др., 2002).
Эти факты убедительно показывают, насколько трудно предсказать реакцию слуховой системы на сложные сигналы, основываясь на измерениях, выполненных с использованием простых сигналов.
Помимо результатов, полученных в идеализированных условиях, т.е. при предъявлении тест-сигнала в отсутствии других звуков (помех), было показано, как ЧРС меняется на фоне шумовых помех различной конфигурации (Supin et al., 2001; 2005). В классической аудиологии для объяснения эффекта маскировки используются два механизма: энергетическая маскировка и механизм латерального подавления (lateral suppression). В зависимости от положения маскирующего сигнала относительно тест-сигнала на шкале частот, а также от интенсивности обоих сигналов, доминирует один или другой механизм. При совпадающих по спектру маскере и тест-сигнале основную роль играет энергетическая маскировка, а механизм латерального подавления имеет большее влияние при низкочастотном маскере и достаточно высокой интенсивности сигнала (Delgutte, 1990; Moore, Vickers, 1997; Oxenham, Plack, 1998). В случае тональных сигналов наиболее сильный эффект маскировки наблюдается при совпадающих по спектру маскере и сигнале (Oxenham, Plack, 1998; Yasin, Plack, 2003), а в случае же низкочастотного маскера эффект маскировки более растянут и полная маскировка наступает при большем соотношении интенсив-ностей маскера и сигнала.
Маскировка сигналов с гребенчатым спектром имела несколько другой характер. При высоких интенсивностях и совпадающих по спектру мас-кере и сигнале снижение ЧРС наступало только при равенстве интенсивностей маскера и сигнала, но зато полная маскировка наблюдалась уже при соотношении маскер/сигнал в 5 дБ. При низкочастотном маскере эффект маскировки наблюдался при соотношении маскер/сигнал в -20 дБ и возрастал постепенно (Супин и др., 2002; 2006; Супин, 2007).
Исследования, описанные ранее, касались анализа стационарных звуковых сигналов, но в естественных условиях многие звуковые стимулы характеризуются спектрально-временными рисунками, при которых их частотные спектры меняются в течение действия сигнала: смещаются, растягиваются, сжимаются. Поэтому в последующих работах проводили прямое измерение порогов обнаружения динамических изменений в сложном звуковом сигнале, т.е. определение того, насколько малые спектральные изменения в таком сигнале доступны для различения (Нечаев, Супин, 2011; Нечаев и др., 2013; Nechaev, Supin, 2013). В качестве модели сложного сигнала был взят сигнал с гребенчатой формой спектра, а моделью динамического изменения слу-
жило смещение гребенчатого рисунка спектра на частотной шкале. Измерения показали, что пороги смещения сложного спектрального рисунка значительно отличаются от частотных дифференциальных порогов для тоновых сигналов. Минимальный порог смещения гребенчатого спектра составлял 1% от центральной частоты спектра, для чистых же тонов он составляет около 0.2% (Wier et al., 1977; Sek, Moore, 1995; Klinge et al., 2009), а при использовании частотно-модулированных сигналов - от 0.4 до 0.5% (Sek, Moore, 1995).
Настоящая работа продолжает исследование влияния различных типов шумовых помех на пороги обнаружения частотных изменений сложных (гребенчатых) спектров звуковых сигналов. В предыдущей работе (Нечаев и др., 2014) было проанализировано влияние помех на обнаружение частотных сдвигов в гребенчатом спектре только для одного значения интенсивности тест-сигнала. Цель данной работы - установить, как эффект маскировки зависит от интенсивностей тест-сигнала и маскера.
МЕТОДИКА
В экспериментах принимали участие восемь испытуемых в возрасте от 21 до 60 лет. Перед экспериментальной серией для всех испытуемых были получены аудиограммы, которые не выявили значительных отклонений слуха от нормы. Семь испытуемых имели опыт участия в психоакустических экспериментах.
В качестве тест-сигнала использовали узкополосный шум с гребенчатой формой спектра (рис. 1, а). Огибающая спектра имела вид одного периода косинусоиды от логарифма частоты. Полная ширина спектральной полосы шума составляла одну октаву, ширина полосы на уровне 0.5 (-3 дБ) от максимальной спектральной мощности составляла 0.5 окт, таким образом, эквивалентная прямоугольная ширина также равнялась 0.5 окт. В пределах огибающей сигнал содержал периодически чередующиеся максимумы и минимумы спектральной плотности (гребни и провалы), интервалы между которыми были частотно-пропорциональны. Такая форма спектра описывается формулой
W = 1 + cos(2r ■ log xf) (1 + cos(
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.