PROGI SŁYSZALNOŚCI I PERCEPCJA GŁOŚNOŚCI Próg słyszalności

Najmniejszy poziom ciśnienia akustycznego wywołujący zaledwie spostrze-gane wrażenie słuchowe nazywany jest progiem słyszalności (detekcji) dźwięku. Próg słyszalności może być zmierzony poprzez prezentowanie dźwięku za pomocą słuchawek, a pomiar natężenia z zastosowaniem małe-go mikrofonu umieszczonemałe-go w kanale słuchowym zewnętrznym. W innej metodzie dźwięk prezentowany jest w polu swobodnym przy użyciu głoś-ników w kabinie bezechowej. Pomiar poziomu dźwięku wówczas prze-prowadzany jest w tym miejscu pola dźwiękowego, w którym uprzednio znajdował się środek głowy słuchacza. Rezultaty uzyskiwane za pomocą powyższej metody różnią się nieco od tych otrzymywanych z wykorzysta-niem słuchawek, ponieważ zarówno głowa, małżowina uszna, jak i przewód słuchowy zewnętrzny mają wpływ na pole dźwiękowe. Próg słyszalności otrzymany w polu swobodnym przedstawiono na rycinie 1 (najniższa krzywa). Największa czułość słuchu przypada na zakres częstotliwości od 0,5 do 5 kHz i wynika między innymi z charakterystyki przeniesienia ucha zewnętrznego i środkowego.

Najniższa krzywa (przerywana) na rycinie 1 ilustruje średni próg w polu swobodnym uzyskany dla słuchaczy o słuchu prawidłowym. Jednak progi wyższe lub niższe o 20 dB w dalszym ciągu są uznawane za mieszczące się w normie.

Ryc. 1. Krzywe jednakowego poziomu głośności (Robinson, Dadson, 1956) Parametrem jest wartość poziomu głośności w fonach.

W ocenie słuchu progi słyszalności są zwykle wyrażane względem śred-niego progu otrzymanego dla młodych, zdrowych słuchaczy z prawidło-wym słuchem. Podaje się je w decybelach „poziomu słyszalnego”, dB HL (Hearing Level, w Europie) lub za pomocą decybeli „poziomu progu słyszal-ności”, dB HTL (Hearing Threshold Level, w USA). Próg 40 dB HL dla 1 kHz oznacza, że słuchacz ma próg o 40 dB wyższy niż próg normalny dla tej czę-stotliwości, choć odpowiada on w tym przypadku poziomowi ciśnienia dźwięku 46 dB SPL. Ubytki słuchu związane są z podwyższeniem progów i wykreśla się je na tak zwanych audiogramach. Średni próg normalny re-prezentowany jest przez poziomą linię na górze wykresu, oznaczoną jako 0 dB HL, a stopień ubytku słuchu jest wskazywany przez to, o ile próg leży poniżej tej linii.

1.1.1. Krzywe jednakowej głośności

Głośność dźwięku jest atrybutem wrażenia słuchowego, który pozwala na uszeregowanie dźwięków od cichych do głośnych. Jest to cecha

subiektyw-Poziom ciśnienia akustycznego dźwięku [dB SPL]

Częstotliwość [Hz]

na i nie można jej zmierzyć bezpośrednio. Mówiąc o głośności, najwygodniej jest posługiwać się skalą, która przyporządkowuje wielkości fizyczne (np.

natężenie) charakteryzujące dźwięki ich odpowiednikom subiektywnym (np. głośność) oraz taką, która umożliwia porównanie głośności dźwięków o różnej częstotliwości i o różnym składzie widmowym. Jedną z takich skal reprezentują krzywe jednakowej głośności (krzywe izofoniczne), które przedstawiono na rycinie 1 (Robinson, Dadson, 1956). Powstały one w wy-niku zrównania głośności analizowanego dźwięku (o dowolnej częstotliwo-ści) z głośnością tonu o częstotliwości 1 kHz. Wyznaczona w ten sposób miara głośności nazywana jest poziomem głośności. Poziom głośności anali-zowanego dźwięku jest równy poziomowi ciśnienia akustycznego tonu standardowego (1 kHz), z którym analizowany dźwięk jest jednakowo głoś-ny. Poziom głośności tonu o częstotliwości 1 kHz jest liczbowo równy jego poziomowi ciśnienia akustycznego.

Jednostką poziomu głośności jest fon: dźwięk ma tyle fonów, ile decybe- li SPL ma ton o częstotliwości 1 kHz, który jest z tym dźwiękiem jednakowo głośny. Parametrem krzywych na rycinie 1 jest wartość poziomu głośności w fonach. Dla niskich poziomów głośności kształt krzywych jednakowej głośności jest zbliżony do krzywej progu słyszalności, a dla wysokich po-ziomów krzywe te stają się bardziej płaskie. Tempo wzrostu głośności wraz ze wzrostem poziomu natężenia jest różne dla tonów o różnej częstotliwości.

Próg słyszalności tonu o częstotliwości 100 Hz jest o około 20 dB wyższy od progu dla częstotliwości 1000 Hz (odpowiednie progi są równe 24 i 4 dB SPL).

Jednakże tony te, przy poziomie głośności 100 fonów, mają poziomy ciśnie-nia akustycznego prawie takie same (102 i 100 dB SPL). Chcąc osiągnąć tę samą zmianę poziomu głośności, to jest od progu do 100 fonów, poziom ciśnienia akustycznego sygnału o częstotliwości 1000 Hz należy zwiększyć o 97 dB SPL, podczas gdy poziom tonu o częstotliwości 100 Hz trzeba zwiększyć o 79 dB. Dlatego szybkość wzrostu poziomu głośności wraz ze wzrostem natężenia jest większa dla małych częstotliwości niż dla średnich częstotliwości.

1.1.2. Skalowanie głośności

Wyznaczenie zależności wiążących natężenie dźwięku i jego subiektywną ocenę dokonywane jest zazwyczaj na podstawie tak zwanej skali głośności.

W metodach zmierzających do wyznaczania głośności zadaniem słuchacza jest podanie liczby odpowiadającej, w jego subiektywnym odczuciu,

głośno-ści wywoływanej przez prezentowany dźwięk. Na przykład w metodzie szacowania (oceny) wielkości (magnitude estimation) słuchaczowi prezentuje się dźwięk porównawczy, a po nim dźwięk o innym natężeniu. Jego zada-niem jest ocena drugiego z tych dźwięków względem dźwięku porów-nawczego, któremu arbitralnie przypisuje się pewną liczbę, na przykład 100 jednostek. Jeśli słuchacz ocenia prezentowany dźwięk jako dwa razy głoś-niejszy od dźwięku porównawczego, to przypisuje mu 200 jednostek; jeśli oceniany dźwięk jest 10 razy cichszy od dźwięku porównawczego – otrzy-muje 10 jednostek itp.

Opierając się na wynikach uzyskanych w powyższy sposób, Stevens (1957) stwierdził, że percypowana głośność G jest potęgową funkcją natęże-nia I, to znaczy

G = kI^0,3 (1)

gdzie:

k – stała zależna od słuchacza i zastosowanych jednostek.

Głośność dźwięku jest proporcjonalna do natężenia podniesionego do potęgi 0,3. Dwa dźwięki, z których jeden oceniany jest jako dwa razy głoś-niejszy od drugiego, różnią się o około 10 dB. Jednostką głośności dźwięku jest son. Głośność jednego sona to głośność tonu o częstotliwości 1000 Hz, o poziomie 40 dB SPL. Ton o częstotliwości 1 kHz i poziomie 50 dB SPL jest oceniany zwykle jako dwukrotnie głośniejszy od tonu 40 dB i ma głośność 2 sonów, a dźwięk o poziomie 60 dB SPL ma głośność 4 sonów.

Zależność głośności od natężenia opisana prawem potęgowym była wie-lokrotnie potwierdzana eksperymentalnie. Jednak mimo to skalowanie głoś-ności poddawano krytyce, bowiem żadna ze stosowanych metod badaw-czych nie jest wolna od efektów ubocznych. Wśród czynników, które mają wpływ na rezultaty wymienia się duże różnice międzyosobnicze i sposób prowadzenia eksperymentu. Kwestionuje się też ideę pytania słuchacza o ocenę samego wrażenia, gdyż w realnych sytuacjach dokonujemy nie tylko oceny samego dźwięku, ale również jego źródła.

Modele głośności dźwięku (Stevens, 1957; Zwicker, Scharf, 1965) zakła-dają zwykle, że głośność dźwięku złożonego jest równa ważonej sumie na-tężeń bądź wskaźników głośności z poszczególnych pasm częstotliwości (tercji, oktaw lub wstęg krytycznych). Modele te uwzględniają wzajemne maskowanie dźwięków z sąsiednich pasm częstotliwości, prowadząc do zbieżnych, choć niekoniecznie jednakowych, rezultatów. Najnowszy model Moore’a i Glasberga (1996) zakłada wiele etapów transformacji sygnału, z których najważniejszym wydaje się proces filtrowania peryferyjnego

w układzie filtrów słuchowych prowadzący do określenia pobudzenia. Po-budzenie to, rozumiane jako obwiednia amplitudowa drgań błony pod-stawnej, uwzględnia niemal wszystkie zjawiska zachodzące w tej fazie transformacji sygnału. Wśród nich najistotniejsze to przede wszystkim wza-jemny wpływ aktywności sąsiednich filtrów słuchowych (maskowanie lub wzmacnianie) oraz niezależna kompresja sygnału w poszczególnych pas-mach częstotliwości w pewnym zakresie dynamiki sygnału. Pobudzenie to umożliwia w następnym kroku określenie tak zwanej głośności właściwej, będącej pewną formą gęstości głośności, czyli głośności obserwowanej w poszczególnych filtrach słuchowych. Suma głośności właściwej (a właści-wie całka) ze wszystkich filtrów słuchowych jest całkowitą głośnością syg-nału. Zastosowanie tego modelu dla różnych typów sygnału umożliwiło zinterpretowanie największej ilości danych dotyczących głośności dźwięku, choć przewidywania tego modelu nie zawsze w pełni odzwierciedlają wy-niki badań eksperymentalnych.

1.1.3. Sumowanie w czasie. Progi różnicowe

Próg słyszalności oraz głośność są funkcjami czasu trwania sygnału. Dla czasów trwania dłuższych niż 500 ms natężenie dźwięku na progu jest w przybliżeniu niezależne od czasu trwania. Jednak dla czasów krótszych od 200 ms natężenie niezbędne do spostrzeżenia sygnału zwiększa się ze skracaniem jego czasu trwania. Garner i Miller (1947) stwierdzili, że ucho sumuje (integruje) energię bodźców w procesie detekcji krótkich odcinków tonu oraz że:

I · t = const. (2)

gdzie:

I – progowe natężenie dla impulsu tonu, t – czas trwania impulsu.

Próg słyszalności sygnału zależy od całkowitej energii sygnału, a nie od rozkładu energii w czasie. Wydaje się mało prawdopodobne, że układ słu-chowy potrafi sumować energię bodźca. Jest natomiast prawie pewne, że to aktywność neuronowa jest sumowana w czasie. Próg detekcji sygnału może obniżać swą wartość wraz ze zwiększaniem czasu trwania sygnału dlatego, że dłuższy sygnał dostarcza więcej możliwości spostrzeżenia go. Z badania zmian głośności jako funkcji czasu trwania sygnału wynika, że głośność wzrasta ze wzrostem czasu trwania aż do 100–200 ms.

Zdolność do rozróżniania natężeń dźwięków (dyskryminacja natężenia) wyraża tak zwany próg różnicowy natężenia. Spostrzegamy bardzo małe zmiany poziomu ciśnienia akustycznego dźwięku rzędu 0,5–2 dB dla szero-kiego zakresu poziomów dźwięku oraz bodźców różnego typu. Dyskrymi-nacja natężenia szumu spełnia prawo Webera: zaledwie spostrzegane przy-rosty natężenia są proporcjonalne do natężenia. Dyskryminacja natężenia tonów jest nieco lepsza niż przewiduje to prawo Webera. Dyskryminacja wyrażona jako frakcja (ułamek) Webera jest również niezależna od poziomu dźwięku dla pasm szumu.