СЕНСОРНЫЕ СИСТЕМЫ, 2010, том 24, № 2, с. 151-160
СЛУХОВАЯ СИСТЕМА
УДК 812.85
ВЛИЯНИЯ ПОМЕХ НА ЧАСТОТНУЮ РАЗРЕШАЮЩУЮ СПОСОБНОСТЬ СЛУХА ЧЕЛОВЕКА: ЭФФЕКТЫ СПЕКТРАЛЬНО-ВРЕМЕННОЙ СТРУКТУРЫ ПОМЕХИ
© 2010 г. О.Н. Милехина, А.Я. Супин
Институт проблем экологии и эволюции РАН 119071 Москва, Ленинский просп., 33 E-mail: alex_supin@sevin.ru
Поступила в редакцию 16.10.2009 г.
Методом предъявления тест-сигналов в виде шумов с гребенчатыми спектрами в сочетании с тестом реверсии гребней спектра измерена частотная разрешающая способность слуха человека в условиях воздействия различных видов помех: неструктурированной (полосовой шум с постоянным спектром) и структурированной (полосовой шум с гребенчатым спектром, с периодической реверсией фазы гребней). Измерения выполнены при диотическом и при дихотическом предъявлении тест-сигнала и помехи. При диотическом (идентично на оба уха) предъявлении тест-сигнала и помехи наблюдалось снижение частотной разрешающей способности на фоне помехи по сравнению с контролем, если частота помехи была ниже или равна частоте тест-сигнала. Достаточно интенсивная помеха приводила к полной невозможности различать тонкую структуру тест-сигнала. Структурированная помеха вызывала более глубокое снижение частотной разрешающей способности, чем неструктурированная. При дихотическом предъявлении (тест сигнал на одно ухо, помеха - на другое) влияние неструктурированной помехи на частотную разрешающую способность было пренебрежимым в широком диапазоне отношений помеха/сигнал. Структурированная помеха снижала частотную разрешающую способность даже при дихотическом предъявлении. Предполагается, что структурированный характер помехи включает механизм информационной маскировки, являющийся дополнительным фактором снижения частотной разрешающей способности слуха.
Ключевые слова: слух, частотная разрешающая способность, маскировка, информационная маскировка, дихотическое освобождение.
ВВЕДЕНИЕ
В естественной обстановке слуховая система постоянно сталкивается с необходимостью выделять сигнал от какого-то одного источника звука на фоне множества сигналов от других источников, которые в этом случае играют роль помех. Наиболее изученный случай влияния помех на различение полезных сигналов - классическая, или энергетическая маскировка, возникающая тогда, когда спектры сигнала-цели и помехи значительно перекрываются. При этом сигнал-цель и помеха воздействуют на одни и те же частотные каналы-фильтры слуховой системы, и возникающая в этих каналах конкуренция затрудняет восприятие сигнала-цели.
Помимо классической энергетической маскировки, достаточно эффективна и "неэнергетическая" маскировка, проявляющаяся при несовпадении спектров сигнала-цели и помехи. Этот эффект известен как информационная маскировка (Watson, 1987; Durlach et al., 2003), которая существенно вли-
яет на распознавание звуков речи (Kidd et al., 1998). Информационный механизм взаимодействия сигнала и помехи подразумевает, что эффективность маскировки зависит от информационной нагрузки не только сигнала, но и помехи.
Предполагается, что в основе информационной маскировки лежит то обстоятельство, что при сложной и не детерминистичной структуре сигнала-цели его слияние с помехой делает затруднительным выделение отдельных частотных компонентов (Watson, 1987). Для собственно информационной маскировки (т.е. зависящей от информационных характеристик сигнала и помехи) такой механизм наиболее вероятен.
Однако информационный механизм не исключает других механизмов неэнергетической маскировки. В частности, было показано, что шумовая помеха, даже не совпадающая по частотному составу с сигналом-целью, вызывает значительное снижение частотной разрешающей способности (ЧРС) слуховой системы, т.е. способности различать тонкую
структуру частотного спектра сигнала (Супин и др., 2002; 2006; Supin et al., 2001; 2003; 2005). Очевидно, что вызванное помехой снижение ЧРС должно приводить к худшему различению сложных звуковых сигналов, т.е. создавать эффект маскировки -как энергетической (при совпадении частотных спектров сигнала-цели и помехи), так и неэнергетической (при несовпадении спектров).
Важным аспектом взаимодействия сигнала и помехи является возможность полного или частичного освобождения от маскировки при значительной интерауральной разности интенсивностей тест-сигнала и помехи, когда сигнал воздействует преимущественно на одно ухо, а помеха - на другое. Такая интерауральная разность может возникать либо при стимуляции в открытом поле, когда источник звука смещен относительно средней плоскости головы в одну сторону, а источник помехи - в другую, либо при дихотическом (раздельном) предъявлении сигнала и помехи через головные телефоны (Durlach, Colburn, 1978). Давно было показано (Cherry, 1953), что при одновременном предъявлении двух речевых сигналов (фраз) отделение одной из фраз от другой не представляет трудностей, если они предъявляются раздельно на два уха, однако происходит со значительным количеством ошибок, если смесь обеих фраз предъявляется на одно и то же ухо. Пространственное освобождение от маскировки было детально исследовано во многих работах (Plomp, Mimpen, 1981; Bronkhorst, Plomp, 1989; Nilsson et al., 1994; Koehnke, Besing, 1996; Peissig, Kollmeier, 1997; Hawley et al., 1999, 2004; Shinn-Cunningham et al., 2001). Пространственное разделение источников сигнала и помехи в значительной степени ответственно за "коктейль-эффект" (cocktail-party effect) - способность воспринимать речь собеседника в обстановке, где собралось большое количество одновременно говорящих людей (cocktail-party).
Эффект пространственного или дихотического освобождения от маскировки в основном изучен в ситуации энергетической маскировки (при значительном перекрытии частотных спектров сигнала и помехи), но имеет место и в случае неэнергетической (предположительно, информационной) маскировки, при минимальном перекрытии спектров речевого сигнала-цели и помехи. Это показано как при дихотическом предъявлении сигнала-цели и помехи (Gallun et al., 2005), так и в свободном поле, за счет пространственного разнесения источников таргет-сигнала и маскера (Kidd et al., 1998; Freyman et al., 1999; 2001; Brungart, 2001; Brungart et al., 2001; Arbogast et al., 2002).
Установлено, что важным компонентом пространственного или дихотического освобождения от маскировки, как энергетической, так и неэнер-
гетической, является устранение влияния помех на ЧРС слуха: при предъявлении тест-сигнала на одно ухо, а помехи на другое ЧРС практически не снижалась даже при очень высоком отношении уровней помеха/сигнал (Супин и др., 2007; 2008; 2009; Supin et al., 2010).
Однако до сих пор влияние помех на ЧРС слуха исследовалось в условиях, когда помехой служил монотонный шум с некоторой шириной спектральной полосы, т.е. без сложного спектрально-временного рисунка. Учитывая данные о возможности информационного взаимодействия сигнала и помехи, резонно предположить, что усложнение спектрально-временного рисунка помехи может быть небезразлично для влияния помехи на ЧРС. Поэтому в данной работе предпринята попытка исследовать влияние помех на ЧРС слуха в зависимости от того, является ли помеха простым монотонным шумом или имеет некоторую достаточно сложную спектрально-временную структуру.
Для измерения ЧРС в данном исследовании применена методика, основанная на предъявлении тест-сигналов со сложным спектрально-временным рисунком. Эта техника измерения ЧРС была описана ранее (Supin et al., 1994; 1997; 1998) и использует тест-сигналы с "гребенчатыми" спектрами, т.е. спектрами, содержащими периодически чередующиеся максимумы и минимумы спектральной мощности. Процедура измерений состоит в том, что испытуемому предъявляется тест-сигнал - шум гребенчатым спектром, и в некоторый момент времени этот сигнал заменяется на другой также с гребенчатым спектром, с той же самой шириной спектральной полосы и интенсивностью, с той же плотно с-тью и глубиной гребней, но с противоположным положением спектральных максимумов и минимумов на частотной шкале. Таким образом, происходит взаимная смена положения спектральных максимумов и минимумов - реверсия фазы гребней (примеры спектров с альтернативным положением пиков-провалов приведены на рис. 1). Эта реверсия воспринимается испытуемым как некоторое изменение тембра сигнала, но только в том случае, если гребенчатая структура спектра доступна для различения. Если дробность структуры спектра настолько высока, что не доступна для различения (спектральные гребни сливаются в сплошной спектр), то реверсия фазы гребней не может быть обнаружена, поскольку по всем параметрам, кроме положения спектральных пиков и провалов на частотной шкале, сигналы до и после реверсии идентичны. Таким образом, наивысшая плотность гребней частотного спектра, при которой испытуемый способен обнаружить реверсию фазы гребней, используется как удобная количественная мера ЧРС.
Частота
Рис. 1. Спектры тест-сигнала и помех. а - тест-сигнал с плотностью гребней 9 отн. ед. Жирная и тонкая линии - альтернативные варианты спектра, замещающие друг друга в тесте реверсии фазы гребней. б-г - спектры неструктурированных помех: низкочастотной (б), изочастотной (в) и высокочастотной (г); д-ж - спектры структурированных помех: низкочастотной (д), изочастотной (е) и высокочастотной (ж). Плотность гребней 3.5 отн. ед., жирная и тонкая линии - альтернативные варианты спектра, замещающие друг друга в ходе предъявления помехи.
МЕТОДИКА
Испытуемые. В экспериментах участвовало четверо испытуемых в возрасте от 35 до 55 лет. Все они были праворукими, не имели каких-либо явных признаков аномалии слуха и имели опыт участия в психоакустических измерениях.
Характеристики тест-сигнала. В качестве тест-сигналов использовали шумы с гребенчатыми спектрами, пример которых показан на рис. 1, а. Тест-сигнал имел спектральную полосу с огибающей в виде одного периода косинусоиды от логарифма частоты. Центральная частота тест-сигнала была равна 2 кГц. Период косинусоидальной огибающей составлял 1 октаву, т.е. ширина полосы на ур
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.