Fundamentos y procedimientos para la Conceptos b´ asicos de la Psicoac´ ustica Seminario de Audio. Instituto de Ingenier´ıa El´ ectrica IIE Facultad de Ingenier´ıa - UDELAR Montevideo - Uruguay Agosto - Diciembre 2005 Ing. Andr´ es Rodr´ıguez mailto:andres101@adinet.com.uy September 12, 2005
TRANSPARENTE.
Psicoac´ ustica
Definici´ on Estudia la interconexi´ on entre las propiedades f´ısicas del sonido y la interpretaci´ on que el ser humano hace de esas propiedades.
Objetivos 1. La interpretaci´ on de las se˜ nales ac´ usticas. 2. Caracterizar la respuesta de nuestro sistema auditivo. 3. Obtener el umbral absoluto de la sensaci´ on. 4. Obtener el umbral diferencial de determinados par´ ametros de los est´ımulos, estos umbrales son la m´ınima variaci´ on y m´ınima diferencia perceptibles. 5. Comprender y obtener la capacidad de resoluci´ on del sistema auditivo para separar est´ımulos simult´ aneos, o para conjugar est´ımulos separados para crear sensaciones. 6. Entender la variaci´ on temporal de la sensaci´ on del est´ımulo.
M´ etodos de medidas 1. M´ etodo de ajuste. 2. M´ etodo de seguimiento o tracking. 3. M´ etodo de estimaci´ on de magnitud. 4. M´ etodo binario o m´ etodo S´ı - No. 5. M´ etodo por elecci´ on forzada de dos intervalos. 6. M´ etodo adaptable. 7. M´ etodo de comparaci´ on de pares de est´ımulos.
TRANSPARENTE.
Conceptos b´ asicos de la Psicoac´ ustica
Umbrales Por lo general son f´ aciles de medir y corresponden al m´ınimo nivel que un determinado est´ımulo debe tener para provocar una reacci´ on en el sujeto bajo ensayo. B´ asicamente existen dos tipos diferentes de umbrales, estos son; • El umbral absoluto. • El umbral diferencial.
Umbrales absolutos Los umbrales absolutos de la audici´ on son aquellos valores de uno de los par´ ametros del est´ımulo f´ısico a partir del cual la sensaci´ on comienza a o deja de producirse. Dentro de este tipo de umbral esta el umbral auditivo, el cual est´ a definido por el valor m´ınimo o la presi´ on m´ınima para que un sonido pueda ser percibido. Este umbral no depende s´ olo de la intensidad o presi´ on, sino que tambi´ en es dependiente de la frecuencia del sonido senoidal de prueba. En general para determinar estos umbrales se utilizan dos variantes del m´ etodo S´ı - No: 1. El m´ etodo de los m´ınimos cambios 2. El m´ etodo de est´ımulos constantes
Umbrales absolutos
Umbrales absolutos
Umbrales diferenciales Se˜ nalan las m´ınimas variaciones de uno de los par´ ametros del est´ımulo f´ısico, necesarias para que se produzca un cambio en la sensaci´ on. Para la determinaci´ on del umbral diferencial pueden utilizarse el m´ etodo de los m´ınimos cambios o el de est´ımulos constantes, o bien el m´ etodo del error promedio. Otra clasificaci´ on de los m´ etodos para la medici´ on de los umbrales pueden ser la siguiente; 1. Umbrales de m´ınima variaci´ on perceptible, MVP. 2. Umbrales de m´ınima diferencia perceptible, MDP. Los umbrales pueden ser umbrales diferenciales de intensidad o umbrales diferenciales de frecuencia.
Umbrales diferenciales A la izquierda; umbral de MVP de intensidad, para una frecuencia de modulaci´ on de 4 Hz, para un sonido senoidal de 1 kHz y para ruido blanco, en funci´ on del nivel de presi´ on sonora del sonido de prueba. A la derecha, umbral de MVP para un sonido senoidal de 1 kHz y ruido blanco en funci´ on de la frecuencia de modulaci´ on.
Umbrales diferenciales Izquierda, umbral de MDP para un sonido senoidal con una frecuencia de 1 kHz en funci´ on de su nivel de presi´ on sonora. A la Derecha, podemos apreciar el umbral de MVP en funci´ on de la frecuencia del sonido senoidal de prueba.
Enmascaramiento sonoro Es parte de los fen´ omenos estudiados en psicoac´ ustica que busca determinar como la presencia de un sonido afecta la percepci´ on de otro sonido. El enmascaramiento sonoro pude ser definido como un proceso en el cual el umbral de audibilidad correspondiente a un sonido se eleva, debido a la presencia de otro sonido. Una magnitud muy ´ util para medir el valor del enmascaramiento, es el on sonora de umbral de enmascaramiento, definido como “el nivel de presi´ un sonido de prueba necesario para que ´ este sea apenas audible en presencia de una se˜ nal enmascarante”. Entonces si graficamos el umbral de enmascaramiento en funci´ on de la frecuencia obtenemos el patr´ on de enmascaramiento.
Enmascaramiento sonoro B´ asicamente existen dos tipos de enmascaramiento: 1. Enmascaramiento simult´ aneo. 2. Enmascaramiento no simult´ aneo.
Enmascaramiento simult´ aneo Este tipo de enmascaramiento se presenta cuando el sonido de prueba y el sonido enmascarnate coinciden temporalmente. Basicamente se estudian; 1. Enmascaramiento de tonos puros por ruido de banda ancha. 2. Enmascaramiento de tonos puros por ruido de banda angosto. 3. Dependencia del patr´ on de enmascaramiento con el nivel de la se˜ nal. 4. Patrones de enmascaminento para tonos enmascarados con tonos. 5. Patrones de enmascaminento para tonos enmascarados con un complejo tonal.
Enmascaramiento de tonos puros por ruido de banda ancha.
Enmascaramiento de tonos puros por ruido de banda angosto.
Dependencia del patr´ on de enmascaramiento con el nivel de la se˜ nal.
Patrones de enmascaminento para tonos enmascarados con tonos.
Patrones de enmascaminento para tonos enmascarados con un complejo tonal.
Enmascaramiento no simult´ aneo El enmascaramiento no simult´ aneo es aquel que se produce cuando el sonido de prueba no se superpone temporalmente con el sonido enmascarador. Se distinguen dos tipos de enmascaramiento no simult´ aneo; • Pre-enmascaramiento. • Post-enmascaramiento.
Pre-enmascaramiento Es un fen´ omeno completamente perturbante ya que sonidos que a´ un no existen pueden enmascarar sonidos ya existentes, algo dif´ıcil de imaginar. Sin embargo, un estudio m´ as minucioso permite justificar la existencia del pre-enmascaramiento. Para ello tenemos que recordar que cualquier sensaci´ on, y en este caso la sensaci´ on sonora no se produce instant´ aneamente, sino que se requiere de un cierto tiempo para que se origine. Algunos estudios han revelado que las se˜ nales de gran intensidad requieren de un tiempo de formaci´ on de la sensaci´ on menor que el de las se˜ nales de baja intensidad. La comprensi´ on que se tiene del pre-enmascaramiento es muy vaga sin embargo se sabe que el fen´ omeno depender´ıa de la relaci´ on de tiempo entre el sonido de prueba y el sonido emascarante (20 ms), independientemente del nivel de ´ esta.
Post-enmascaramiento Se determina experimentalmente mediante se˜ nales de prueba de corta duraci´ on, aplicadas luego de una se˜ nal enmascarante de duraci´ on variable.
Las causas de este enmascaramiento se creen que tiene or´ıgenes fisiol´ ogicos distintos. 1. Propiedades mec´ anicas de la MB (duraciones menores a 20 ms). 2. Efectos de adaptaci´ on neural (duraciones mayores).
Post-enmascaramiento La duraci´ on de la se˜ nal enmascaradora influye notoriamente sobre el enmascaramiento, en general el efecto de una se˜ nal enmascarante de corta duraci´ on decae m´ as r´ apidamente que el de una se˜ nal de larga duraci´ on.
Bandas cr´ıticas El concepto de banda cr´ıtica permite explicar por qu´ e, dado un tono de una cierta frecuencia, una ruido de ancho de banda angosto centrada en dicha frecuencia produce la misma cantidad de enmascaramiento sobre el tono que un ruido de gran ancho de banda. El ancho de banda cr´ıtico es un concepto desarrollado por Fletcher , que puede interpretarse como una medida de la selectividad en frecuencia de nuestro sistema auditivo. Sin embargo el concepto moderno de banda cr´ıtica fue desarrollado por Zwicker, en el contexto de la suma de sonoridades o intensidades subjetivas.
Bandas cr´ıticas La comprensi´ on detallada del significado de las bandas cr´ıticas se logra luego de estudiar algunos experimentos psicoac´ usticos relacionados con la sonoridad.
Filtros de bandas cr´ıticas Es habitual considerar al sistema auditivo perif´ erico como un conjunto de filtros pasabanda, con bandas superpuestas. Fletcher considero la aproximaci´ on en la cual el filtro auditivo es rectangular. Luego investig´ o las consecuencias de asumir que la detecci´ on (apenas perceptible) ocurr´ıa cuando la relaci´ on se˜ nal ruido era unitaria hallando el ancho de banda cr´ıtico o critical ratio. Sin embargo las bandas cr´ıticas no tiene forma rectangular, por lo cual tampoco la tiene los filtros de bandas cr´ıticas. En realidad si consideramos una escala lineal y niveles sonoros moderados las bandas cr´ıticas tienen una forma gausseana.
Escala de bandas cr´ıticas La caracter´ıstica m´ as importante de las bandas cr´ıticas es el ancho. En 1961 Zwicker public´ o los anchos de banda cr´ıticos en la escala Bark o de Munich. Posteriormente en los a˜ nos 80s, los experimentos de enmascaramiento con ruido de ancho de banda estrecho describieron otra serie de bandas cr´ıticas denominadas bandas cr´ıticas de Cambridge. Ambos conjunto de bandas cr´ıticas tienen el mismo ancho de banda rectangular equivalente, BER . Por lo general se utilizan aproximaciones para su c´ alculo.
Escala de bandas cr´ıticas Una primera aproximaci´ on para el modelado de la selectividad en frecuencia consiste en subdividir el rango de frecuencias audibles en intervalos contiguos de bandas cr´ıticas de ancho tal, que no se superpongan entre s´ı.
Esta divisi´ on esta muy ampliamente difundida para describir la distribuci´ on de las bandas criticas en funci´ on de la frecuencia, denominando al n´ umero de banda con la unidad Bark. Entonces 1 Bark es un intervalo de una banda cr´ıtica de ancho en cualquier punto del rango de frecuencias audibles.
Escala de bandas cr´ıticas Se puede obtener una relaci´ on entre la escala de las bandas cr´ıticas y el ancho de las mismas, sin embargo se utiliza una aproximaci´ on (con un error menor a ±0, 2).
Sonoridad o Loudness La sonoridad o loudness es un atributo vinculado a la intensidad del sonido. No depende s´ olo de la intensidad de un sonido, sino tambi´ en de su frecuencia, del ancho de banda, del contenido espectral y la duraci´ on del sonido. El rango din´ amico que nuestro sistema auditivo es capaz de manejar es enorme, por lo que se suele utilizar una escala logar´ıtmica de modo de comprimir este rango. Para ello se utiliza el nivel de presi´ on sonora o dBSP L definido como;
dBSP L = 20 · log
Pef Pref
! o dBSP L = 10 · log ´
I
!
Iref
El principal argumento para adoptar esta escala es la suposici´ on del comportamiento logar´ıtmico del sistema auditivo perif´ erico.
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Curvas de igual sonoridad Una forma pr´ actica de abordar el problema de la sonoridad es medir el nivel de sonoridad, es decir, determinar cu´ ando un sonido es igual de fuerte que otro. En 1933, Fletcher y Munson realizaron la determinaci´ on psicoac´ ustica basada en la comparaci´ on entre dos tonos puros, luego graficando los resultados en funci´ on de la frecuencia, obtuvieron para cada intensidad de referencia una curva de igual sonoridad.
Las curvas de igual sonoridad pueden utilizarse para asignar una valoraci´ on num´ erica a la sonoridad, con este objetivo en mente es que se define el nivel de sonoridad o loudness level , N S, f on o f ono, como el nivel de presi´ on sonora del tono de 1 kHz que se encuentra sobre la misma curva.
Filtros de ponderaci´ on Luego de los trabajos de Fletcher y Munson se intent´ o crear un instrumento de medici´ on capaz de reflejar la sensaci´ on de sonoridad producida por un sonido cualquiera, proponiendose filtros de ponderaci´ on. Esta idea se topo con grandes dificultades; 1. No hay una curva ´ unica. 2. Las curvas de igual NS s´ olo son v´ alidas para tonos puros. Sin embargo se propusieran tres curvas de ponderaci´ on diferentes: las curvas A,B y C.
Escala de sonoridad El NS permite objetivar las diferencias de percepci´ on de intensidad en relaci´ on con la frecuencia (un tono de 60 f ons pruduce la misma percepci´ on de intensidad cualquiera sea su frecuencia), no refierendose a la valoraci´ on de la intensidad de la sensaci´ on. Los estudios psicof´ısicos sobre la sensaci´ on de sonoridad mostraron que las estimaciones de la sonoridad son proporcionales a una potencia de la intensidad;
S = kI p ,
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Luego de varios estudios, Stevens en 1995, luego de tomar varias medidas decidi´ o establecer el exponente p en 0, 3 (para est´ımulos de m´ as de 40 dBSP L ). Finalemente se establece como el est´ andar para la escala convencional de sonoridad el sone o sono, definido arbitrariamente como la sonoridad de un tono puro de 1 kHz de 40 dBSP L ,que corresponde a un nivel de sonoridad de 40 f on
Escala de sonoridad A traves de varios experimentos se puede determinar la realaci´ on entre NS y sonoridad para tonos de 1 kHz(o lo que es lo mismo entre f on y son);
S=2
N S−40 10
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Esta relaci´ on es v´ alida para niveles de sonoridad mayores a 40 f on y puede ser aplicada para cualquier frecuencia si utilizamos las isof´ onas. Tambi´ en se puede demostrar a paritr de la relaci´ on anterior;
1 S= 16
P Pref
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Sonoridad para sonidos compuestos En la pr´ actica el procedimiento de c´ alculo consiste en; 1. Subdividir el espectro del sonido compuesto en bandas cr´ıticas. 2. Luego sumar las intensidades dentro de cada banda, convertir la intensidad en nivel de sonoridad y ´ este en sonoridad. 3. Finalmente sumar todas las sonoridades de las diversas bandas cr´ıticas y convertir en nivel de sonoridad. Queda suficientemente claro que la estimaci´ on de la sonoridad, as´ı como el c´ alculo de la relaci´ on exponencial entre la intensidad del est´ımulo auditivo y la sonoridad, tiene muchas complicaciones y no resulta del todo fiable.
TRANSPARENTE.
Muchas gracias