Presentación - Instituto de Ingeniería Eléctrica

Fundamentos y procedimientos para la
Conceptos básicos de la Psicoacústica
Seminario de Audio.
Instituto de Ingenierı́a Eléctrica IIE
Facultad de Ingenierı́a - UDELAR
Montevideo - Uruguay
Agosto - Diciembre 2005
Ing. Andrés Rodrı́guez
mailto:[email protected]
September 12, 2005
TRANSPARENTE.
Psicoacústica
Definición
Estudia la interconexión entre las propiedades fı́sicas del sonido y la
interpretación que el ser humano hace de esas propiedades.
Objetivos
1. La interpretación de las señales acústicas.
2. Caracterizar la respuesta de nuestro sistema auditivo.
3. Obtener el umbral absoluto de la sensación.
4. Obtener el umbral diferencial de determinados parámetros de los
estı́mulos, estos umbrales son la mı́nima variación y mı́nima
diferencia perceptibles.
5. Comprender y obtener la capacidad de resolución del sistema
auditivo para separar estı́mulos simultáneos, o para conjugar
estı́mulos separados para crear sensaciones.
6. Entender la variación temporal de la sensación del estı́mulo.
Métodos de medidas
1. Método de ajuste.
2. Método de seguimiento o tracking.
3. Método de estimación de magnitud.
4. Método binario o método Sı́ - No.
5. Método por elección forzada de dos intervalos.
6. Método adaptable.
7. Método de comparación de pares de estı́mulos.
TRANSPARENTE.
Conceptos básicos de la
Psicoacústica
Umbrales
Por lo general son fáciles de medir y corresponden al mı́nimo nivel que un
determinado estı́mulo debe tener para provocar una reacción en el sujeto
bajo ensayo.
Básicamente existen dos tipos diferentes de umbrales, estos son;
• El umbral absoluto.
• El umbral diferencial.
Umbrales absolutos
Los umbrales absolutos de la audición son aquellos valores de uno de los
parámetros del estı́mulo fı́sico a partir del cual la sensación comienza a o
deja de producirse.
Dentro de este tipo de umbral esta el umbral auditivo, el cual está definido
por el valor mı́nimo o la presión mı́nima para que un sonido pueda ser
percibido. Este umbral no depende sólo de la intensidad o presión, sino
que también es dependiente de la frecuencia del sonido senoidal de prueba.
En general para determinar estos umbrales se utilizan dos variantes del
método Sı́ - No:
1. El método de los mı́nimos cambios
2. El método de estı́mulos constantes
Umbrales absolutos
Umbrales absolutos
Umbrales diferenciales
Señalan las mı́nimas variaciones de uno de los parámetros del estı́mulo
fı́sico, necesarias para que se produzca un cambio en la sensación.
Para la determinación del umbral diferencial pueden utilizarse el método de
los mı́nimos cambios o el de estı́mulos constantes, o bien el método del
error promedio.
Otra clasificación de los métodos para la medición de los umbrales pueden
ser la siguiente;
1. Umbrales de mı́nima variación perceptible, MVP.
2. Umbrales de mı́nima 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
modulación de 4 Hz, para un sonido senoidal de 1 kHz y para ruido blanco,
en función del nivel de presión sonora del sonido de prueba. A la derecha,
umbral de MVP para un sonido senoidal de 1 kHz y ruido blanco en
función de la frecuencia de modulación.
Umbrales diferenciales
Izquierda, umbral de MDP para un sonido senoidal con una frecuencia de
1 kHz en función de su nivel de presión sonora. A la Derecha, podemos
apreciar el umbral de MVP en función de la frecuencia del sonido senoidal
de prueba.
Enmascaramiento sonoro
Es parte de los fenómenos estudiados en psicoacústica que busca
determinar como la presencia de un sonido afecta la percepción 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 útil para medir el valor del enmascaramiento, es el
umbral de enmascaramiento, definido como “el nivel de presión sonora de
un sonido de prueba necesario para que éste sea apenas audible en
presencia de una señal enmascarante”. Entonces si graficamos el umbral
de enmascaramiento en función de la frecuencia obtenemos el patrón de
enmascaramiento.
Enmascaramiento sonoro
Básicamente existen dos tipos de enmascaramiento:
1. Enmascaramiento simultáneo.
2. Enmascaramiento no simultáneo.
Enmascaramiento simultáneo
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 patrón de enmascaramiento con el nivel de la señal.
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 patrón de enmascaramiento con
el nivel de la señal.
Patrones de enmascaminento para tonos
enmascarados con tonos.
Patrones de enmascaminento para tonos
enmascarados con un complejo tonal.
Enmascaramiento no simultáneo
El enmascaramiento no simultáneo 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 simultáneo;
• Pre-enmascaramiento.
• Post-enmascaramiento.
Pre-enmascaramiento
Es un fenómeno completamente perturbante ya que sonidos que aún no
existen pueden enmascarar sonidos ya existentes, algo difı́cil de imaginar.
Sin embargo, un estudio más minucioso permite justificar la existencia del
pre-enmascaramiento. Para ello tenemos que recordar que cualquier
sensación, y en este caso la sensación sonora no se produce
instantáneamente, sino que se requiere de un cierto tiempo para que se
origine.
Algunos estudios han revelado que las señales de gran intensidad requieren
de un tiempo de formación de la sensación menor que el de las señales de
baja intensidad.
La comprensión que se tiene del pre-enmascaramiento es muy vaga sin
embargo se sabe que el fenómeno dependerı́a de la relación de tiempo
entre el sonido de prueba y el sonido emascarante (20 ms),
independientemente del nivel de ésta.
Post-enmascaramiento
Se determina experimentalmente mediante señales de prueba de corta
duración, aplicadas luego de una señal enmascarante de duración variable.
Las causas de este enmascaramiento se creen que tiene orı́genes
fisiológicos distintos.
1. Propiedades mecánicas de la MB (duraciones menores a 20 ms).
2. Efectos de adaptación neural (duraciones mayores).
Post-enmascaramiento
La duración de la señal enmascaradora influye notoriamente sobre el
enmascaramiento, en general el efecto de una señal enmascarante de corta
duración decae más rápidamente que el de una señal de larga duración.
Bandas crı́ticas
El concepto de banda crı́tica permite explicar por qué, 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 crı́tico 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
crı́tica fue desarrollado por Zwicker, en el contexto de la suma de
sonoridades o intensidades subjetivas.
Bandas crı́ticas
La comprensión detallada del significado de las bandas crı́ticas se logra
luego de estudiar algunos experimentos psicoacústicos relacionados con la
sonoridad.
Filtros de bandas crı́ticas
Es habitual considerar al sistema auditivo periférico como un conjunto de
filtros pasabanda, con bandas superpuestas. Fletcher considero la
aproximación en la cual el filtro auditivo es rectangular. Luego investigó
las consecuencias de asumir que la detección (apenas perceptible) ocurrı́a
cuando la relación señal ruido era unitaria hallando el ancho de banda
crı́tico o critical ratio.
Sin embargo las bandas crı́ticas no tiene forma rectangular, por lo cual
tampoco la tiene los filtros de bandas crı́ticas. En realidad si consideramos
una escala lineal y niveles sonoros moderados las bandas crı́ticas tienen una
forma gausseana.
Escala de bandas crı́ticas
La caracterı́stica más importante de las bandas crı́ticas es el ancho. En
1961 Zwicker publicó los anchos de banda crı́ticos en la escala Bark o de
Munich. Posteriormente en los años 80s, los experimentos de
enmascaramiento con ruido de ancho de banda estrecho describieron otra
serie de bandas crı́ticas denominadas bandas crı́ticas de Cambridge.
Ambos conjunto de bandas crı́ticas tienen el mismo ancho de banda
rectangular equivalente, BER . Por lo general se utilizan aproximaciones
para su cálculo.
Escala de bandas crı́ticas
Una primera aproximación para el modelado de la selectividad en frecuencia
consiste en subdividir el rango de frecuencias audibles en intervalos
contiguos de bandas crı́ticas de ancho tal, que no se superpongan entre sı́.
Esta división esta muy ampliamente difundida para describir la distribución
de las bandas criticas en función de la frecuencia, denominando al número
de banda con la unidad Bark. Entonces 1 Bark es un intervalo de una
banda crı́tica de ancho en cualquier punto del rango de frecuencias
audibles.
Escala de bandas crı́ticas
Se puede obtener una relación entre la escala de las bandas crı́ticas y el
ancho de las mismas, sin embargo se utiliza una aproximación (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 sólo de la intensidad de un sonido, sino también de su
frecuencia, del ancho de banda, del contenido espectral y la duración del
sonido.
El rango dinámico que nuestro sistema auditivo es capaz de manejar es
enorme, por lo que se suele utilizar una escala logarı́tmica de modo de
comprimir este rango. Para ello se utiliza el nivel de presión sonora o
dBSP L definido como;
dBSP L = 20 · log
Pef
Pref
!
ó dBSP L = 10 · log
I
!
Iref
El principal argumento para adoptar esta escala es la suposición del
comportamiento logarı́tmico del sistema auditivo periférico.
(1)
Curvas de igual sonoridad
Una forma práctica de abordar el problema de la sonoridad es medir el
nivel de sonoridad, es decir, determinar cuándo un sonido es igual de fuerte
que otro. En 1933, Fletcher y Munson realizaron la determinación
psicoacústica basada en la comparación entre dos tonos puros, luego
graficando los resultados en función de la frecuencia, obtuvieron para cada
intensidad de referencia una curva de igual sonoridad.
Las curvas de igual sonoridad pueden utilizarse para asignar una valoración
numérica 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
presión sonora del tono de 1 kHz que se encuentra sobre la misma curva.
Filtros de ponderación
Luego de los trabajos de Fletcher y Munson se intentó crear un
instrumento de medición capaz de reflejar la sensación de sonoridad
producida por un sonido cualquiera, proponiendose filtros de ponderación.
Esta idea se topo con grandes dificultades;
1. No hay una curva única.
2. Las curvas de igual NS sólo son válidas para tonos puros.
Sin embargo se propusieran tres curvas de ponderación diferentes: las
curvas A,B y C.
Escala de sonoridad
El NS permite objetivar las diferencias de percepción de intensidad en
relación con la frecuencia (un tono de 60 f ons pruduce la misma
percepción de intensidad cualquiera sea su frecuencia), no refierendose a la
valoración de la intensidad de la sensación.
Los estudios psicofı́sicos sobre la sensación de sonoridad mostraron que las
estimaciones de la sonoridad son proporcionales a una potencia de la
intensidad;
S = kI p ,
(2)
Luego de varios estudios, Stevens en 1995, luego de tomar varias medidas
decidió establecer el exponente p en 0, 3 (para estı́mulos de más de 40
dBSP L ).
Finalemente se establece como el estándar 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 realación 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
(3)
Esta relación es válida para niveles de sonoridad mayores a 40 f on y puede
ser aplicada para cualquier frecuencia si utilizamos las isofónas.
También se puede demostrar a paritr de la relación anterior;
1
S=
16
P
Pref
!0,601
(4)
Sonoridad para sonidos compuestos
En la práctica el procedimiento de cálculo consiste en;
1. Subdividir el espectro del sonido compuesto en bandas crı́ticas.
2. Luego sumar las intensidades dentro de cada banda, convertir la
intensidad en nivel de sonoridad y éste en sonoridad.
3. Finalmente sumar todas las sonoridades de las diversas bandas
crı́ticas y convertir en nivel de sonoridad.
Queda suficientemente claro que la estimación de la sonoridad, ası́ como el
cálculo de la relación exponencial entre la intensidad del estı́mulo auditivo
y la sonoridad, tiene muchas complicaciones y no resulta del todo fiable.
TRANSPARENTE.
Muchas gracias