Восприятие частоты, интенсивности и громкости

Частота и интенсивность — это две основные физические характеристики простого звука, и они, хотя и несовершенно, отображаются на перцептивные характеристики высоты тона и громкости. Эта тема охватывает то, насколько точно слушатели могут различать изменения частоты и уровня, как громкость увеличивается с физической интенсивностью и как воспринимаемая громкость зависит как от частоты, так и от распределения энергии по улитке. Эти взаимосвязи имеют центральное значение для аудиометрии и для того, как слуховые аппараты формируют звук.

Definition

Восприятие частоты, интенсивности и громкости — это исследование того, как физическая частота и амплитуда звука определяют восприятие слушателем высоты тона и его громкости, включая пороги обнаружения и различения этих величин.

Scope

Тема затрагивает дискриминацию частоты и интенсивности, слышимый диапазон и абсолютный порог, рост громкости с уровнем, суммирование громкости в критической полосе и зависимость громкости от частоты, выраженную в кривых равной громкости. Это справочный и образовательный материал по перцептивным измерениям, а не клиническое руководство.

Core questions

• Каково наименьшее обнаруживаемое изменение частоты или интенсивности?
• Как громкость увеличивается по мере роста физической интенсивности?
• Почему звук фиксированного физического уровня кажется громче на одних частотах, чем на других?
• Как распределение энергии по частоте изменяет воспринимаемую громкость?

Key concepts

• Абсолютный порог и слышимый диапазон
• Дифференциальный порог для частоты и интенсивности
• Высота тона как перцептивный коррелят частоты
• Громкость и шкала сон
• Уровень громкости и фон
• Кривые равной громкости
• Критическая полоса и суммирование громкости

Key theories

Степенное (сонное) шкалирование громкости

Громкость может быть количественно оценена по шкале отношений, шкале сон, на которой воспринимаемая громкость возрастает приблизительно как степенная функция интенсивности звука, так что громкость примерно удваивается при каждом увеличении уровня на 10 дБ в большей части диапазона.

Суммирование громкости в критической полосе

Когда энергия звука распространяется за пределы критической полосы, общая громкость увеличивается, даже если общая энергия остается постоянной, что показывает, что слуховая система интегрирует громкость в частотных полосах, определяемых кохлеарной фильтрацией.

Mechanisms

Частота кодируется местом максимального возбуждения вдоль базилярной мембраны и, на более низких частотах, фазово-синхронизированным нейронным таймингом; это поддерживает тонкую дискриминацию частоты. Интенсивность сигнализируется частотой разрядов волокон слухового нерва и рекрутированием дополнительных волокон по мере повышения уровня, но активный механизм улитки сжимает широкий диапазон физических уровней в более узкий диапазон нейронного ответа. Поэтому громкость компрессионно увеличивается с интенсивностью и суммируется по слуховым фильтрам, так что звук, охватывающий больше критических полос, громче, чем тональный звук равной энергии. Поскольку чувствительность улитки варьируется с частотой, равные физические уровни производят разную громкость, что отражается в кривых равной громкости.

Clinical relevance

Кохлеарная тугоухость обычно снижает частотную избирательность и усиливает рост громкости, явление, известное как рекруитмент громкости, при котором громкость аномально быстро возрастает выше порога. Это помогает объяснить, почему усиление должно восстанавливать слышимость, не делая умеренные звуки некомфортно громкими, и почему слуховые аппараты применяют частотно-зависимую компрессию. Эти пункты описывают перцептивные последствия потери слуха и не являются индивидуализированными инструкциями по подбору или лечению.

Evidence & guidelines

Зависимости громкости и равной громкости были впервые количественно определены Флетчером и Мансоном (1933) и теперь стандартизированы на международном уровне как кривые равного уровня громкости в ISO 226:2003, который определяет фон и эталонную зависимость между частотой, уровнем и громкостью для слушателей с нормальным слухом. Шкала громкости в сонах выводится из работы по шкалированию отношений в традиции Стивенса, а суммирование в критической полосе задокументировано в классических психофизических исследованиях.

History

Измерения Флетчера и Мансона 1933 года в Bell Laboratories привели к созданию первых систематических кривых равной громкости и концепции уровня громкости. Стивенс и его коллеги разработали шкалирование отношений громкости и высоты тона в 1930-х годах, что привело к появлению шкал сон и мел. Работа Цвикера в середине века по критической полосе связала суммирование громкости и маскировку с кохлеарным частотным анализом, а зависимость равной громкости позже была уточнена и стандартизирована.

Debates

Как именно громкость должна масштабироваться с интенсивностью?

Простой степенной закон описывает рост громкости в большей части диапазона, но функция сглаживается около порога и варьируется между слушателями и при потере слуха, поэтому один показатель является скорее приближением, чем точным законом.

Key figures

• Harvey Fletcher
• Wilden Munson
• Stanley Smith Stevens
• Eberhard Zwicker

Seminal works

• fletcher-munson-1933
• stevens-1937
• zwicker-1957

Frequently asked questions

В чем разница между интенсивностью и громкостью?

Интенсивность — это физическая величина, энергия, переносимая звуком, в то время как громкость — это субъективная величина, воспринимаемая слушателем. Громкость зависит от интенсивности, а также от частоты, ширины полосы и слуха слушателя, поэтому равные интенсивности не всегда звучат одинаково громко.

Что такое фон и что такое сон?

Фон — это единица уровня громкости: звук имеет уровень громкости N фонов, если он воспринимается как такой же громкий, как тон 1 кГц с N децибелами. Сон — это единица громкости по шкале отношений, определенная таким образом, что удвоение числа сонов соответствует удвоению воспринимаемой громкости.