การรับรู้ความถี่ ความเข้ม และความดัง

ความถี่และความเข้มเป็นสองมิติทางกายภาพหลักของเสียงธรรมดา และมีความสัมพันธ์ที่ไม่สมบูรณ์กับมิติการรับรู้ของระดับเสียงและความดัง หัวข้อนี้ครอบคลุมว่าผู้ฟังสามารถแยกแยะการเปลี่ยนแปลงของความถี่และระดับเสียงได้อย่างละเอียดเพียงใด ความดังเพิ่มขึ้นตามความเข้มทางกายภาพอย่างไร และความดังที่รับรู้ขึ้นอยู่กับความถี่และการกระจายพลังงานทั่วคอเคลียอย่างไร ความสัมพันธ์เหล่านี้มีความสำคัญต่อการตรวจสมรรถภาพการได้ยินและวิธีการที่เครื่องช่วยฟังปรับแต่งเสียง

Definition

การรับรู้ความถี่ ความเข้ม และความดัง คือการศึกษาว่าความถี่ทางกายภาพและแอมพลิจูดของเสียงกำหนดการรับรู้ความสูงของระดับเสียงและความดังของผู้ฟังอย่างไร รวมถึงเกณฑ์สำหรับการตรวจจับและแยกแยะปริมาณเหล่านี้

Scope

หัวข้อนี้กล่าวถึงการแยกแยะความถี่และความเข้ม ช่วงที่ได้ยินและเกณฑ์สัมบูรณ์ การเพิ่มขึ้นของความดังตามระดับเสียง การรวมความดังข้ามย่านวิกฤต และการพึ่งพาของความดังต่อความถี่ที่แสดงในเส้นโค้งความดังเท่ากัน เป็นข้อมูลอ้างอิงและสื่อการศึกษาเกี่ยวกับการวัดการรับรู้ ไม่ใช่คำแนะนำทางคลินิก

Core questions

• การเปลี่ยนแปลงความถี่หรือความเข้มที่น้อยที่สุดที่สามารถตรวจจับได้คืออะไร?
• ความดังเพิ่มขึ้นอย่างไรเมื่อความเข้มทางกายภาพเพิ่มขึ้น?
• ทำไมเสียงที่มีระดับทางกายภาพคงที่จึงดูดังกว่าที่ความถี่บางช่วงมากกว่าช่วงอื่น?
• การกระจายพลังงานข้ามความถี่เปลี่ยนแปลงการรับรู้ความดังอย่างไร?

Key concepts

• เกณฑ์สัมบูรณ์และช่วงที่ได้ยิน
• ขีดจำกัดความแตกต่างสำหรับความถี่และความเข้ม
• ระดับเสียงในฐานะความสัมพันธ์ทางประสาทสัมผัสของความถี่
• ความดังและมาตราส่วน sone
• ระดับความดังและหน่วย phon
• เส้นโค้งความดังเท่ากัน
• ย่านวิกฤตและการรวมความดัง

Key theories

การปรับขนาดความดังตามกฎกำลัง (sone)

ความดังสามารถวัดปริมาณได้ในมาตราส่วนอัตราส่วน ซึ่งคือมาตราส่วน sone ซึ่งความดังที่รับรู้จะเพิ่มขึ้นโดยประมาณเป็นฟังก์ชันกำลังของความเข้มเสียง ดังนั้นความดังจะเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าโดยประมาณสำหรับการเพิ่มขึ้น 10 dB ในระดับเสียงตลอดช่วงส่วนใหญ่

การรวมความดังของย่านวิกฤต

เมื่อพลังงานของเสียงกระจายเกินย่านวิกฤต ความดังโดยรวมจะเพิ่มขึ้นแม้ว่าพลังงานโดยรวมจะคงที่ ซึ่งแสดงให้เห็นว่าระบบการได้ยินจะรวมความดังภายในย่านความถี่ที่กำหนดโดยการกรองของคอเคลีย

Mechanisms

ความถี่ถูกเข้ารหัสโดยตำแหน่งของการกระตุ้นสูงสุดตามเยื่อฐาน และที่ความถี่ต่ำกว่า โดยการกำหนดเวลาของเส้นประสาทที่สัมพันธ์กับเฟส ซึ่งสนับสนุนการแยกแยะความถี่อย่างละเอียด ความเข้มถูกส่งสัญญาณโดยอัตราการยิงของเส้นใยประสาทการได้ยินและการเรียกใช้เส้นใยเพิ่มเติมเมื่อระดับเสียงสูงขึ้น แต่กลไกการทำงานของคอเคลียจะบีบอัดระดับทางกายภาพที่กว้างให้เป็นช่วงการตอบสนองของเส้นประสาทที่แคบลง ดังนั้นความดังจึงเพิ่มขึ้นแบบบีบอัดตามความเข้มและถูกรวมเข้าด้วยกันผ่านตัวกรองการได้ยิน ดังนั้นเสียงที่ครอบคลุมย่านวิกฤตมากขึ้นจึงดังกว่าเสียงโทนที่มีพลังงานเท่ากัน เนื่องจากความไวของคอเคลียแตกต่างกันไปตามความถี่ ระดับทางกายภาพที่เท่ากันจึงสร้างความดังที่แตกต่างกัน ซึ่งถูกบันทึกโดยเส้นโค้งความดังเท่ากัน

Clinical relevance

การสูญเสียการได้ยินของคอเคลียมักจะลดการเลือกความถี่และเพิ่มความชันของการเพิ่มขึ้นของความดัง ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่เรียกว่าการเพิ่มขึ้นของความดัง (loudness recruitment) ซึ่งความดังเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วผิดปกติเหนือเกณฑ์ สิ่งนี้ช่วยอธิบายว่าทำไมการขยายเสียงจึงต้องคืนความสามารถในการได้ยินโดยไม่ทำให้เสียงปานกลางดังจนรู้สึกไม่สบาย และทำไมเครื่องช่วยฟังจึงใช้การบีบอัดที่ปรับตามความถี่ ประเด็นเหล่านี้อธิบายผลกระทบทางประสาทสัมผัสของการสูญเสียการได้ยิน และไม่ใช่คำแนะนำในการปรับแต่งหรือการรักษาเฉพาะบุคคล

Evidence & guidelines

ความสัมพันธ์ของความดังและความดังเท่ากันได้รับการวัดปริมาณครั้งแรกโดย Fletcher และ Munson (1933) และปัจจุบันได้รับการกำหนดมาตรฐานสากลเป็นเส้นโค้งระดับความดังเท่ากันใน ISO 226:2003 ซึ่งกำหนดหน่วย phon และความสัมพันธ์อ้างอิงระหว่างความถี่ ระดับเสียง และความดังสำหรับผู้ฟังที่มีการได้ยินปกติ มาตราส่วน sone ของความดังได้มาจากการทำงานการปรับขนาดอัตราส่วนในแนวทางของ Stevens และการรวมย่านวิกฤตได้รับการบันทึกไว้ในการศึกษาจิตฟิสิกส์แบบคลาสสิก

History

การวัดของ Fletcher และ Munson ในปี 1933 ที่ Bell Laboratories ได้สร้างเส้นโค้งความดังเท่ากันที่เป็นระบบชุดแรกและแนวคิดของระดับความดัง Stevens และเพื่อนร่วมงานได้พัฒนาการปรับขนาดอัตราส่วนของความดังและระดับเสียงในช่วงทศวรรษ 1930 ซึ่งให้ผลเป็นมาตราส่วน sone และ mel งานของ Zwicker ในช่วงกลางศตวรรษเกี่ยวกับย่านวิกฤตเชื่อมโยงการรวมความดังและการบดบังกับการวิเคราะห์ความถี่ของคอเคลีย และความสัมพันธ์ของความดังเท่ากันได้รับการปรับปรุงและกำหนดมาตรฐานในภายหลัง

Debates

ความดังควรปรับขนาดตามความเข้มอย่างไร?

กฎกำลังอย่างง่ายจับการเพิ่มขึ้นของความดังในช่วงส่วนใหญ่ แต่ฟังก์ชันจะแบนลงใกล้เกณฑ์และแตกต่างกันไประหว่างผู้ฟังและกับการสูญเสียการได้ยิน ดังนั้นเลขชี้กำลังเดียวจึงเป็นค่าประมาณมากกว่ากฎที่แน่นอน

Key figures

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

Seminal works

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

Frequently asked questions

ความเข้มกับความดังแตกต่างกันอย่างไร?

ความเข้มเป็นปริมาณทางกายภาพ คือพลังงานที่เสียงนำพาไป ในขณะที่ความดังคือขนาดเชิงอัตวิสัยที่ผู้ฟังรับรู้ ความดังขึ้นอยู่กับความเข้ม แต่ยังขึ้นอยู่กับความถี่ แบนด์วิดท์ และการได้ยินของผู้ฟัง ดังนั้นความเข้มที่เท่ากันจึงไม่จำเป็นต้องฟังดูดังเท่ากันเสมอไป

phon คืออะไร และ sone คืออะไร?

phon คือหน่วยของระดับความดัง: เสียงมีระดับความดัง N phon หากถูกตัดสินว่าดังเท่ากับเสียงโทน 1 kHz ที่ N เดซิเบล sone คือหน่วยของความดังในมาตราส่วนอัตราส่วน ซึ่งกำหนดให้การเพิ่มจำนวน sone เป็นสองเท่าสอดคล้องกับการเพิ่มความดังที่รับรู้เป็นสองเท่า