научная статья по теме ВЛИЯНИЕ ШУМОВЫХ ПОМЕХ РАЗЛИЧНОЙ КОНФИГУРАЦИИ НА ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ К ДИНАМИЧЕСКИМ ИЗМЕНЕНИЯМ СПЕКТРАЛЬНОГО РИСУНКА ЗВУКОВОГО СИГНАЛА Биология

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ ШУМОВЫХ ПОМЕХ РАЗЛИЧНОЙ КОНФИГУРАЦИИ НА ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ К ДИНАМИЧЕСКИМ ИЗМЕНЕНИЯМ СПЕКТРАЛЬНОГО РИСУНКА ЗВУКОВОГО СИГНАЛА»

СЕНСОРНЫЕ СИСТЕМЫ, 2014, том 28, № 3, с. 68-75

УДК 812.85

влияние шумовых помех различной конфигурации на чувствительность к динамическим изменениям спектрального рисунка звукового сигнала

© 2014 г. д. и. нечаев, о. н. милёхина, А. Я. супин

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН 119071 Москва, Ленинский проспект, д. 33 E-mail: dm.nechaev@yandex.ru

Поступила в редакцию 19.02.2014 г.

Изучено влияние шумовых помех различной конфигурации на чувствительность слуха к динамическим изменениям спектрального рисунка сложного звукового сигнала. В качестве тест-сигнала использовали узкополосный шум с гребенчатой формой спектра, центрированный на частоте 2 кГц, с интенсивностью 80 дБ УЗД. В качестве шумовой помехи применяли узкополосный шум, расположенный на частотной шкале ниже или выше тест-сигнала или совпадающий с частотной полосой тест-сигнала. Интенсивность шумовой помехи варьировали от 60 до 100 дБ УЗД. Задачей испытуемых было определить наличие сдвига гребней спектра тест-сигнала по частотной шкале на фоне помехи. Наибольший эффект вызывала шумовая помеха, совпадающая по частоте с тестовым сигналом. В этом случае повышение порогов чувствительности к смещению гребенчатого рисунка спектра наблюдалось уже при соотношении помеха/сигнал - 10 дБ, а соотношение до 10 дБ приводило к полной невозможности различения спектрального сдвига. При помехе более низкой по частоте, чем тест-сигнал, полная блокировка различения спектрального сдвига происходила при соотношении помеха/сигнал в 20 дБ. При помехе более высокой по частоте, чем тест-сигнал, эффект помехи отсутствовал. Предложена качественная модель, способная объяснить выявленные закономерности.

Ключевые слова: слух, частотное различение, гребенчатые спектры, маскировка.

ВВЕДЕНИЕ

Распознавание сложных звуковых сигналов зависит от способности слуховой системы к различению тонкой спектрально-временной структуры сигнала. Согласно общепринятой модели, анализ слуховой информации в слуховой системе осуществляется набором каналов, каждый из которых содержит частотно-избирательный фильтр и интегратор, выделяющий огибающую соответствующего частотного компонента (Veimeister, 1979). В соответствии с такой моделью частотно-временная разрешающая способность зависит от остроты частотной настройки слуховых фильтров и от способности системы выделять модуляции сигнала на выходе этих фильтров.

В экспериментальной аудиологии было предложено множество способов для оценки частотной избирательности слуха, которые

основаны на различных методах частотно-зависимой маскировки и отличаются друг от друга в основном характером применяемых маскеров: маскировка чистыми тонами (тональная маскировка) (Zwicker, 1974) и построение настроечных кривых; маскировка широкополосными и узкополосными шумами (метод критических полос и критических отношений) (Moore, 1995); маскировка шумом со спектральным вырезом (Patterson, 1976; Patterson et al., 1982); маскировка шумом с гребенчатым спектром (Houtgast, 1974, 1977; Pick et al., 1977).

Однако данные об остроте настройки частотно-избирательных фильтров не всегда позволяют предсказать реакцию на сигнал со сложным спектром, так как слуховая система имеет заведомо нелинейную зависимость выходного сигнала от входного. В такой ситуации знание характеристик отдельных каналов-фильтров недостаточно для

оценки того, насколько точно и тонко анализируются сложные звуковые сигналы.

Для прямого измерения способности к различению сложных спектральных рисунков звукового стимула был предложен метод, основанный на применении тест-сигналов с гребенчатой формой спектра, т.е. спектра, содержащего в пределах своей огибающей набор чередующихся максимумов и минимумов спектральной мощности (Супин и др., 1999; Supin et al., 1994; 1998). Эксперименты показали, что способность к различению сложного спектрального рисунка не может быть предсказана моделью линейной системы с частотно-избирательными фильтрами, острота частотной избирательности которых оценена на основании работ с использованием различных типов маскировки (Supin et al., 1998).

Предыдущие работы касались анализа стационарных звуковых сигналов, но многие натуральные звуковые стимулы характеризуются спектрально-временными рисунками, при которых их частотные спектры варьируют в течение действия сигнала: смещаются, растягиваются, сжимаются. Поэтому следующим этапом работы стала попытка прямого измерения 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 принят шум с гребенчатой формой спектра, а моделью динамических изменений служило смещение гребенчатого рисунка спектра. Было установлено, что пороги смещения сложного спектрального рисунка значительно отличаются от частотных дифференциальных порогов для тоновых сигналов: минимальный определяемый сдвиг гребенчатого спектра составлял 1% от центральной частоты, в то время как для чистых тонов были получены значения 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).

Приведенные выше данные были получены в идеализированных условиях, когда тест-сигнал предъявлялся в отсутствие других звуков (помех). В естественных условиях, как правило, звуковой сигнал-цель действует на фоне других звуков, которые по отношению к сигналу-цели играют роль помех. Ранее было изучено изменение спектральной, но не спектрально-временной разрешающей способности слуха на фоне шумов различной конфигурации (Supin et al., 2001; 2005). В данной

работе исследуется влияние различных типов шумовых помех на пороги обнаружения частотных изменений сложных (гребенчатых) спектров звуковых сигналов.

МЕТОДИКА

В экспериментах принимали участие восемь испытуемых в возрасте от 21 до 60 лет, не имевшие признаков аномалии слуха. Семеро из них имели опыт участия в психоакустических экспериментах.

В качестве тест-сигнала использовали узкополосный шум с гребенчатой формой спектра. Огибающая спектра имела вид одного периода косинусоиды от логарифма частоты (рис. 1). Полная ширина спектральной полосы шума составляла одну октаву, эквивалентная прямоугольная ширина - 0.5 октавы. В пределах этой полосы спектр содержал периодически чередующиеся максимумы и минимумы спектральной плотности (гребни). интервалы между гребнями частотно-пропорциональны, на логарифмической шкале такие гребни выглядят равномерными. Плотность гребней В характеризовали количеством максимумов-минимумов спектральной плотности на октаву (цикл/окт). В такой метрике значение плотности гребней спектра в используемых стимулах было постоянным и составляло 3.5 цикл/ окт. Спектр центрирован на частоте 2 кГц, интенсивность сигнала составляла 80 дБ УЗД. Именно при таких параметрах в предыдущих работах получены наименьшие значения частотных дифференциальных порогов (Нечаев, Супин, 2011).

Частота, кГц

Рис. 1. Пример гребенчатого спектра тест-сигнала с плотностью 3,5 цикл/окт и центральной частотой 2 кГц. Пунктиром показан спектр, сдвинутый по частотной шкале. Точками - огибающая спектра.

для тестирования чувствительности к смещениям спектрального рисунка (нахождение частотных дифференциальных порогов) использовали два сигнала, которые различались положениями спектральных гребней в пределах спектральной полосы, все остальные параметры двух сигналов совпадали. Различие между положениями гребней в двух сигналах было частотно-пропорциональным и характеризовалось в процентах от частоты. На логарифмической шкале частот переключение от одного сигнала к другому выглядит как смещение всех гребней на одинаковую величину.

В качестве помехи использовали полосовой шум, огибающая которого также имела вид одного периода косинусоиды, а ширина спектра составляла одну октаву. В работе протестировано влияние трёх вариантов помехи (рис. 2). Помеха и тест-сигнал совпадали как по центральной частоте (2 кГц), так и по ширине спектральной полосы. Помеха имела частоту, на одну октаву ниже, чем частота тест-сигнала, т.е. 1 кГц. Помеха имела частоту, на одну октаву выше, чем частота тест-сигнала, т.е. 4 кГц. Интенсивность помехи варьировала от 60 до 100 дБ УЗД.

Все сигналы с описанными выше характеристиками синтезировали в цифровой форме. Программа синтеза включала следующие этапы. Сначала задавали форму желаемого гребенчатого спектра в двух вариантах, в которых плотность, глубина гребней и огибающая спектра были одинаковыми, а положение гребней на частотной шкале отличалось. Далее, для каждого из этих двух спектральных рисунков путём обратного преобразования Фурье получали передаточную функцию фильтра. Параллельно синтезировали белый шум - случайную последовательность чисел. Белый шум преобразовывали путём свёртки с полученной передаточной характеристикой одного или другого фильтра. Результатом преобразования была последовательность чисел, описывающая шум с заданным спектральным рисунком. Программный коммутатор переключал белый шум с входа одного фильтра на вход другого, и обратно. С выходов обоих фильтров полученные цифровые последовательности подавали на сумматор. При переключении белого шума с входа одного фильтра на другой, на выходе сумматора происходила смена сигнала со спектром, заданным одним фильтром, на сигнал со спектром, заданным другим фильтром, и обратно.

С использованием такой процедуры синтезировали переменный и постоянный сигналы. При

Частота. кГц

рис. 2. Три варианта положения полосы помехи на частотной шкале относительно полосы тест-сигнала: а - помеха, совпадающая по частоте с тест-сигналом; б -низкочастотная помеха; в - высокочастотная помеха .

синтезе переменного сигнала для фильтрации белого шума использовали два фильтра, отличающихся один от другого сдвигом гребенчатого рисунка на частотной шкале. Каждые 400 мс программный коммутатор переключал белый шум

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.

Показать целиком