Kritik grup - Critical band

Gelen odyoloji ve psikoakustik kavramı kritik bantlar tarafından tanıtılan, Harvey Fletcher 1933 yılında ve 1940 yılında rafine tarif frekans bant genişliği tarafından oluşturulan "işitsel filter" koklea içinde işitme duyusu organı iç kulakta . Kabaca, kritik bant, içinde ikinci bir tonun işitsel maskeleme yoluyla birinci tonun algılanmasına müdahale edeceği ses frekansları grubudur .

Psikofizyolojik olarak , vurma ve işitsel pürüzlülük hisleri, işitsel frekans analizi mekanizmasının frekans farkı kritik bant genişliğinden daha küçük olan girdileri çözümleyememesine ve mekanik sistemin ( baziler membran ) ortaya çıkan düzensiz "gıdıklaması" na bağlanabilir. bu tür girdilere yanıt olarak. Kritik bantlar aynı zamanda işitsel maskeleme fenomeni ile de yakından ilgilidir - aynı kritik bant içinde daha yüksek yoğunlukta ikinci bir sinyalin varlığında bir ses sinyalinin duyulabilirliğinin azalması. Maskeleme fenomeni, ses yüksekliği (algısal referans çerçevesi) ve yoğunluk (fiziksel referans çerçevesi ) arasındaki karmaşık bir ilişkiden ses sıkıştırma algoritmalarına kadar geniş bir etkiye sahiptir .

İşitsel filtreler

Filtreler , periferik işitme sistemi dahil olmak üzere odyoloji ve psikoakustiğin birçok yönünde kullanılmaktadır . Filtre, belirli frekansları artıran ve diğerlerini zayıflatan bir cihazdır . Özellikle, bir bant geçiren filtre , bant genişliği içindeki bir dizi frekansın, kesme frekanslarının dışındakileri durdururken geçmesine izin verir.

Merkez frekansı (Fc), alt (F1) ve üst (F2) kesilen frekansları ve bant genişliğini gösteren bir bant geçiren filtre. Üst ve alt kesme frekansları, genliğin tepe genliğinin altında 3dB'ye düştüğü nokta olarak tanımlanır. Bant genişliği, üst ve alt kesme frekansları arasındaki mesafedir ve filtreden geçen frekans aralığıdır.

Baziler membranın şekli ve organizasyonu, farklı frekansların özellikle membran boyunca farklı noktalarda güçlü bir şekilde rezonansa girdiği anlamına gelir. Bu , membran boyunca frekans aralıklarına duyarlılığın tonotopik bir organizasyonuna yol açar ve bu, "işitsel filtreler" olarak bilinen bir dizi örtüşen bant geçiren filtre olarak modellenebilir. İşitsel filtreler, baziler membran boyunca noktalarla ilişkilendirilir ve kokleanın frekans seçiciliğini ve dolayısıyla dinleyicinin farklı sesler arasındaki ayrımını belirler. Doğrusal değildirler, seviyeye bağımlıdırlar ve baziler membrandaki ayar yüksek frekanstan alçak frekansa değiştikçe bant genişliği kokleanın tabanından tepesine doğru azalır. İşitsel filtrenin bant genişliği, ilk olarak Fletcher (1940) tarafından önerildiği gibi kritik bant genişliği olarak adlandırılır. Bir sinyal ve maskeleyici aynı anda sunulursa, o zaman sadece kritik bant genişliğine düşen maskeleme frekansları sinyalin maskelemesine katkıda bulunur. Kritik bant genişliği ne kadar büyükse, sinyal-gürültü oranı (SNR) o kadar düşük olur ve sinyal o kadar fazla maskelenir.

Merkez frekansı ile ilgili ERB. Diyagram, Glasberg ve Moore formülüne göre ERB'ye karşı merkez frekansını göstermektedir.

İşitsel filtre ile ilişkili diğer bir kavram, eşdeğer dikdörtgen bant genişliğidir (ERB). ERB, işitsel filtre, frekans ve kritik bant genişliği arasındaki ilişkiyi gösterir. Bir ERB, karşılık geldiği işitsel filtre ile aynı miktarda enerjiyi geçirir ve giriş frekansı ile nasıl değiştiğini gösterir. Düşük ses seviyelerinde ERB, Glasberg ve Moore'a göre aşağıdaki denklemle yaklaşık olarak hesaplanır:

ERB (f) = 24,7 * (4,37 f / 1000 + 1),

ERB, Hz cinsindendir ve f, Hz cinsinden merkez frekansıdır.

Her bir ERB'nin baziler membranda yaklaşık 0,9 mm'ye eşdeğer olduğu düşünülmektedir. ERB, frekansla ilgili olan ve baziler membran boyunca işitsel filtrenin konumunu gösteren bir ölçeğe dönüştürülebilir. Örneğin, 3.36'lık bir ERB numarası, baziler membranın apikal ucundaki bir frekansa karşılık gelirken, 38.9'luk bir ERB numarası, tabana karşılık gelir ve 19.5'lik bir değer, ikisi arasında yarıya düşer.

İşitsel filtreleri modellemek için kullanılan bir filtre türü gamaton filtresidir . Bu nedenle uygulanması kolay olan, ancak işitme sisteminin doğrusal olmayan yönlerini tek başına hesaba katamayan basit bir doğrusal filtre sağlar; yine de çeşitli işitme sistemi modellerinde kullanılmaktadır . İşitsel filtrelemenin gamaton modelinin varyasyonları ve iyileştirmeleri arasında gammachirp filtresi, tüm kutuplu ve bir sıfır gamaton filtreleri, iki taraflı gamaton filtresi ve filtre kademeli modelleri ve bunların çeşitli seviyeye bağlı ve dinamik olarak doğrusal olmayan versiyonları bulunur.

Psikoakustik ayar eğrileri

İşitsel filtrelerin şekilleri, bir öznenin maskeleyici parametrelerinin bir fonksiyonu olarak bir tonu algılama eşiğini gösteren grafikler olan psikoakustik ayarlamanın analizi ile bulunur.

Psikoakustik ayarlama eğrileri çentikli gürültü yöntemi kullanılarak ölçülebilir. Bu ölçüm şekli önemli miktarda zaman alabilir ve her bir maskelenmiş eşiği bulması yaklaşık 30 dakika sürebilir . Çentikli gürültü yönteminde deneğe maskeleyici olarak çentikli bir ses ve sinyal olarak bir sinüzoid (saf ton) sunulur. Çentikli gürültü, deneğin sinüzoidal bir maskeleyici kullanıldığında meydana gelen vuruşları işitmesini önlemek için bir maskeleyici olarak kullanılır. Çentikli gürültü, öznenin algılamaya çalıştığı sinyalin frekansı etrafında bir çentik bulunan gürültüdür ve belirli bir bant genişliği içinde gürültü içerir. Gürültü değişikliklerinin bant genişliği ve sinüzoid için maskelenmiş eşikler ölçülür. Maskelenmiş eşikler, sinyal özneye maskeleyici ile aynı anda ve sonrasında değil oynatıldığında eşzamanlı maskeleme yoluyla hesaplanır.

Bir konuda işitsel filtrelerin gerçek bir temsilini elde etmek için, birçok psikoakustik ayarlama eğrisinin sinyalle farklı frekanslarda hesaplanması gerekir. Ölçülen her psikoakustik ayarlama eğrisi için, farklı çentik genişlikleriyle en az beş, ancak tercihen on üç ila on beş eşik hesaplanmalıdır. Ayrıca, işitsel filtreler asimetrik olduğu için çok sayıda eşiğin hesaplanması gerekir, bu nedenle eşikler de sinyalin frekansına asimetrik çentik ile ölçülmelidir. Gereken birçok ölçüm nedeniyle, bir kişinin işitsel filtrelerinin şeklini bulmak için gereken süre çok uzundur. Gereken süre miktarını azaltmak için, maskelenmiş eşikleri bulurken artan yöntem kullanılabilir. Eşiği hesaplamak için artan yöntem kullanılırsa, filtrenin şeklini hesaplamak için gereken süre önemli ölçüde azalır, çünkü eşiği hesaplamak yaklaşık iki dakika sürer. Bunun nedeni, eşiğin, belirli bir uyaran seviyesine zamanın belirli bir yüzdesinde yanıt verdiklerinde değil, denek tonu ilk duyduğunda kaydedilmesidir.

Baziler zarın anatomisi ve fizyolojisi

İnsan kulağı üç bölgeden oluşur: dış, orta ve iç kulak. İç kulakta koklea bulunur . Koklea, iletken bir yol yerine sensörinöral bir yolla ses iletimini sağlayan salyangoz şekilli bir oluşumdur. Koklea, üç kat sıvıdan oluşan karmaşık bir yapıdır. Scala vestibuli ve scala media, Reissner's Membrane ile ayrılırken, scala media ve scala timpani, baziler membran ile bölünür. Aşağıdaki şema, bölmelerin ve bölmelerinin karmaşık düzenini göstermektedir:

Koklea boyunca farklı bölmeleri gösteren enine kesit (yukarıda açıklandığı gibi)

Baziler membran, tabandan tepeye doğru ilerledikçe genişler. Bu nedenle, taban (en ince kısım) tepeden daha büyük bir sertliğe sahiptir. Bu, baziler membrandan geçen bir ses dalgasının genliğinin koklea içinden geçerken değiştiği anlamına gelir. Kokleada bir titreşim taşındığında, üç bölme içindeki sıvı, baziler membranın dalga benzeri bir şekilde yanıt vermesine neden olur. Bu dalgaya 'gezici dalga' denir; bu terim, baziler zarın basitçe tabandan tepeye doğru bir birim olarak titreşmediği anlamına gelir.

İnsan kulağına bir ses geldiğinde, dalganın koklea içinden geçmesi için geçen süre sadece 5 milisaniyedir.

Düşük frekanslı hareket eden dalgalar kokleadan geçerken, dalganın amplitüdü kademeli olarak artar, ardından hemen azalır. Titreşimin koklea üzerine yerleştirilmesi, sunulan uyaranların sıklığına bağlıdır. Örneğin, daha düşük frekanslar, kokleanın tabanını uyaran daha yüksek frekanslara kıyasla çoğunlukla apeksi uyarır. Baziler zarın fizyolojisinin bu niteliği, bir yer-frekans haritası şeklinde gösterilebilir:

Tabandan tepeye karakteristik frekanstaki değişikliği gösteren baziler membranın basitleştirilmiş şeması

Baziler membran , skala ortamı içinde bulunan Corti organını destekler . Corti organı hem dış hem de iç saç hücrelerinden oluşur. Bir kulakta bu saç hücrelerinden yaklaşık 15.000 ile 16.000 arasında bulunur. Dış saç hücrelerinde , Corti organının üzerinde oturan teknik zara doğru uzanan stereosili vardır . Stereocilia, bir ses koklea yoluyla titreşime neden olduğunda teknik zarın hareketine tepki verir. Bu gerçekleştiğinde, stereosilyalar ayrılır ve kimyasal işlemlerin gerçekleşmesine izin veren bir kanal oluşur. Sonunda sinyal sekizinci sinire ulaşır ve ardından beyinde işlenir.

Maskelemeyle ilişkisi

İşitsel filtreler, ölçülme biçimleri ve işitme sistemindeki çalışma biçimleri açısından maskeleme ile yakından ilişkilidir. Daha önce açıklandığı gibi, filtrenin kritik bant genişliği, artan frekansla birlikte boyut olarak artar, bununla birlikte, artan seviyeyle birlikte filtre daha asimetrik hale gelir.

İşitsel filtrenin asimetrisi. Şema, artan giriş seviyesi ile işitsel filtrenin artan asimetrisini göstermektedir. Vurgulanan filtreler, 90 dB giriş seviyesi (pembe) ve 20 dB giriş seviyesi (yeşil) için şekli gösterir. Yuvarlatılmış (roex) filtre şekillerini gösteren, Moore ve Glasberg'den uyarlanan diyagram.

İşitsel filtrenin bu iki özelliğinin, maskelemenin yukarı doğru yayılmasına, yani düşük frekansların yüksek frekansları tersinden daha iyi maskelemesine katkıda bulunduğu düşünülmektedir. Seviyenin yükseltilmesi, düşük frekans eğimini daha sığ hale getirdiğinden, genliğini artırarak, düşük frekanslar yüksek frekansları daha düşük bir giriş seviyesinden daha fazla maskelemektedir.

İşitsel filtre, frekans dışı dinlemeyi kullanarak arka plan gürültüsünde bir sinyali dinlerken bir maskeleyicinin etkilerini azaltabilir. Bu, maskeleyicinin merkez frekansı sinyalinkinden farklı olduğunda mümkündür. Çoğu durumda dinleyici, sinyale odaklanan işitsel filtreyi 'içinden' dinlemeyi seçer, ancak mevcut bir maskeleyici varsa, bu uygun olmayabilir. Sinyale merkezlenmiş işitsel filtre ayrıca, filtrenin SNR'sinin düşük olmasına ve dinleyicinin sinyali algılama yeteneğini azaltmasına neden olan büyük miktarda maskeleyici içerebilir. Bununla birlikte, dinleyici hala önemli miktarda sinyal içeren ancak daha az maskeleyici olan biraz farklı bir filtreden dinlediyse, SNR artırılarak dinleyicinin sinyali algılamasına izin verilir.

Frekans dışı dinleme. Şema A, sinyale odaklanan işitsel filtreyi ve maskeleyicinin bir kısmının bu filtreye nasıl düştüğünü ve bunun sonucunda düşük SNR'yi gösterir. Şema B, baziler membran boyunca daha ileride, sinyal üzerinde merkezlenmemiş, ancak bu sinyalin önemli bir miktarını ve daha az maskeleyici içeren bir filtreyi göstermektedir. Bu kayma, SNR'yi artırarak maskeleyicinin etkisini azaltır. Gelfand'dan (2004) uyarlanan diyagram.

Yukarıdaki ilk diyagram, sinyalin merkezinde bulunan işitsel filtreyi ve maskeleyicinin bir kısmının bu filtreye nasıl düştüğünü göstermektedir. Bu, düşük SNR ile sonuçlanır. İkinci diyagram, baziler membran boyunca sinyal üzerinde merkezlenmemiş ancak bu sinyalin önemli bir miktarını ve daha az maskeleyici içeren bir sonraki filtreyi göstermektedir. Bu, SNR'yi artırarak maskeleyicinin etkisini azaltır.

Yukarıdakiler, maskelemenin güç spektrumu modeli için geçerlidir. Genel olarak bu model, işitsel filtreler dizisini içeren işitme sistemine ve merkezinde sinyal veya en iyi SNR ile filtreyi seçmeye dayanır. Yalnızca işitsel filtreye düşen maskeleyici, maskelemeye katkıda bulunur ve kişinin sinyali duyma eşiği o maskeleyici tarafından belirlenir.

Normal ve bozulmuş işitme filtreleri

'Normal' bir kulakta işitme filtresi aşağıda gösterilene benzer bir şekle sahiptir. Bu grafik, baziler membranın frekans seçiciliğini ve ayarını yansıtır.

"Normal" bir kokleanın işitsel filtresi

Akort baziler membranın mekanik yapısı nedeniyle. Baziler zarın tabanında dar ve serttir ve en çok yüksek frekanslara duyarlıdır. Bununla birlikte, apekste membran geniş ve esnektir ve en çok düşük frekanslara duyarlıdır. Bu nedenle, baziler zarın farklı bölümleri sesin frekansına bağlı olarak titreşir ve o belirli frekansta maksimum yanıt verir.

Bozulmuş bir kulakta, işitsel filtre, 'normal' kulağa kıyasla farklı bir şekle sahiptir.

Bozulmuş bir kokleanın işitsel filtresi

Bozulmuş bir kulağın işitme filtresi, normal bir kulağa kıyasla daha düz ve daha geniştir. Bunun nedeni, dış tüylü hücreler hasar gördükçe baziler zarın frekans seçiciliği ve ayarının azalmasıdır. Yalnızca dış tüylü hücreler hasar gördüğünde, filtre düşük frekans tarafında daha geniştir. Hem dış hem de iç tüylü hücreler hasar gördüğünde, filtre her iki tarafta da daha geniştir. Bu daha az yaygındır. İşitsel filtrenin genişletilmesi, esas olarak filtrenin düşük frekans tarafındadır. Bu, düşük frekanslı maskelemeye, yani yukarıda tarif edildiği gibi maskelemenin yukarı doğru yayılmasına duyarlılığı arttırır.

Ayrıca bakınız

Referanslar

Dış bağlantılar

  • Vassilakis, PN ve Fitz, K. (2007) . SRA: Ses Sinyallerinin Spektral ve Pürüzlülük Analizi için Web Tabanlı Bir Araştırma Aracı. Doğu Washington Üniversitesi'nden J. Middleton'a Northwest Academic Computing Consortium hibesi tarafından desteklenmiştir