Психоакустика. Пространственный слух

20 Февраля в 19:31 2568 0


Способность человека и животных локализовать источник звука, т.е. определять его местоположение в пространстве, называется пространственным слухом. Данное определение предполагает способность локализовать источник звука в горизонтальной и вертикальной плоскостях, а также определяет степень его удаленности от организма. Пространственный слух играет существенную роль в пространственной ориентации человека и животных, которая может осуществляться как пассивным, так и активным способами.

В первом случае происходит локализация звучащего объекта, во втором случае - акустическая ориентация осуществляется за счет излучения животным звука и локализации отражающего звук объекта (эхолокация). Хорошо известно, что эхолокация присуща некоторым видам животных, классическими представителями которых являются летучие мыши и дельфины.

У человека локализация звука происходит с помощью взаимодействия двух симметричных половин слуховой системы (бинауральный слух). Однако, несмотря на то, что бинауральный слух является универсальной основой локализации, человек способен с помощью движений головы и при определенном времени наблюдения за сигналом локализовать источник звука и с помощью одного уха, т. е. монаурально, а также определить степень его удаленности. В психоакустических исследованиях пространственного слуха обычно пользуются двумя основными методическими приемами.

Первый прием, получивший название диотической стимуляции, состоит в перемещении источника звука в свободном звуковом поле. Этот способ изучения локализационных способностей человека проводится только со специальными целями, ввиду методической сложности и большой стоимости организации такого эксперимента (наличие, так называемых, безэховых камер или больших свободных пространств, чтобы избежать влияния на результат измерения отраженных, эховых сигналов).

Способность локализации источника звука человеком при диотической стимуляции высока. Минимально различимый угол тона в горизонтальной плоскости (азимут) может достигать долей градуса. Лучше всего локализуются звуки с крутым передним фронтом нарастания и широким спектром, например шумовые сигналы с крутым передним фронтом включения. Локализация существенно улучшается при небольших движениях головы испытуемого.

Известно, что основой бинаурального механизма локализации в горизонтальной плоскости являются межушные (интерауральные) различия стимуляции по времени (фазе) и по интенсивности. Интерауральные различия по времени (интерауральная задержка) оказываются существенными, если источник звука смещен от средней линии головы, а длина волны сигнала больше расстояния между ушами. В этом случае звуковая волна огибает среднюю линию головы, а длина волны тонального сигнала больше головы слушателя, что и обеспечивает приход раздражения на одно ухо раньше, чем на противоположное.

Расстояние между ушами у человека в среднем принято считать равным 21 см, и эта величина получила название эффективной ттерауральной базы. Величина базы определяет для данного животного тот диапазон частот, который может создавать интерауральную задержку. Так, например, для человека интерауральную задержку создают частоты до 1,5 кГц. Как и следовало ожидать, наибольших значений (немного больше 0,6 мс) она достигает при положении источника звука у одного из ушей (90°) и равна 0 при расположении источника спереди или сзади по средней линии головы, когда интерауральные различия отсутствуют.

При частоте источника звука выше 1,5 кГц у человека вступает в действие другой бинауральный механизм локализации, а именно, интерауральная разность по интенсивности. Она возникает в связи с тем, что частоты выше 1,5 кГц уже не огибают голову слушателя, а поглощаются и отражаются головой как экраном (экранирующий или "теневой" эффект головы). Повышение частоты тона приводит к существенному повышению разности звукового давления в наружных слуховых проходах испытуемого.

Все изложенное касалось локализации источника звука человеком в горизонтальной плоскости. Оценка удаленности и локализация в вертикальной плоскости (элевация источника звука) изучены менее подробно. Известно, что локализация тонов и шумов в вертикальной плоскости происходит с большими ошибками, если в них отсутствуют частотные компоненты выше 7 кГц. При наличии в сигнале частот выше 7 кГц ошибка локализации составляет примерно 4.

Существенную роль в оценке элевации источника звука играет ушная раковина человека как своеобразный акустический фильтр и акустическая линия задержки, поразному влияющая на различные спектральные составляющие многокомпонентных по частоте звуковых сигналов. В настоящее время проведены расчеты передаточной функции ушной раковины, что позволяет расчетным образом синтезировать сигналы, обладающие свойствами разной степени элевации источника звука.

Что касается оценки удаленности источника звука от организма, то факторы, ее определяющие, связаны с ослаблением звука при увеличении расстояния до наблюдателя и изменением его тембра с удалением источника. Необходимо указать, что различают абсолютную и относительную оценку удаленности. Под абсолютной оценкой удаленности понимают способность слушателя определять в мерах длины расположение источника звука (например, в метрах).

Относительная оценка удаленности предполагает наличие двух или нескольких источников звука, расположенных на разном удалении от наблюдателя. Оценка удаленности в этом случае состоит в указании слушателем, какой из источников ближе, а какой дальше.

Интерауральные различия стимуляции по времени и амплитуде
Интерауральные различия стимуляции по времени (а) и амплитуде (б).
"а" - по оси ординат значение задержки в мс; "б" - по оси ординат первый слева ряд цифр - частота тонального сигнала, использованного при стимуляции (Гц), второй ряд цифр - интерауральная разность давлений (дБ) при разных частотах стимуляции (цифры левого ряда цифр). Измерения давления производились у входа в наружные слуховые проходы. По оси абсцисс - азимут источника звука (градусы); 0 - источник звука расположен по средней линии головы спереди

Хорошо известно, что в реальных условиях источники звука локализуются правильно, несмотря на их многократное отражение от объектов внешней среды. Это свидетельствует о высокой помехоустойчивости слуховой системы при локализации звука. Если бы такой помехоустойчивости не было, акустическая ориентация в пространстве была бы крайне затруднена и внешняя акустическая сцена могла бы представлять для слушателя (с локализационной точки зрения) полный хаос.

Экспериментальные исследования подтвердили наличие такой помехоустойчивости. Оказалось, что если два источника звука, расположенные на различном расстоянии по азимуту от слушателя, излучают одинаковые звуки, то слушателем воспринимается один звуковой образ, локализуемый у ближайшего к нему источника. Этот эффект получил название эффекта предшествования (английское обозначение термина "precedence effect"). Иногда для обозначения эффекта предшествования используется термин "эффект первой волны".



Другой механизм слуховой функции позволяет эффективно выделять один источник звука на фоне действия других источников, не представляющих в данный момент интереса для слушателя. Так, например, при наличии внимания удается выделить речь собеседника в обществе одновременно разговаривающих нескольких человек (отсюда английское название этого явления - cocktail party effect, эффект коктейльной партии).

Все изложенное выше касалось рассмотрения характеристик локализационного процесса при прослушивании сигналов наблюдателем в свободном звуковом поле. Вместе с тем, имеется еще один важный психоакустический прием, получивший самое широкое распространение при исследовании пространственного слуха. Этот прием исследования пространственного слуха основан на следующем психоакустическом эффекте: если к ушам испытуемого через два телефона подвести одновременно два идентичных звука, то испытуемым воспринимается один статный звуковой образ, локализуемый по средней линии головы.

Если же один из бинаурально предъявленных звуков опережает другой или превышает его по интенсивности, то слитный звуковой образ смещается в сторону более раннего или более сильного звука. Описанное смешение слитного звукового образа получило название латерализации, а предъявление двух сигналов раздельно на два уха при наличии интерауральных различий получило название дихотического раздражения, в отличие от упомянутого выше диотического раздражения, когда стимуляция осуществляется в свободном звуковом поле.

Именно после того, как было показано сходство процессов латерализации при дихотической стимуляции и при локализации источника звука в свободном звуковом поле, феномен латерализации стал широко использоваться при исследовании локализационных механизмов. Его преимущества состоят в том. что он не требует особых условий эксперимента и позволяет раздельно в широких пределах и с большой точностью регулировать интерауральные различия стимуляции по времени и по интенсивности, т. е. те параметры звуковых сигналов, которые обеспечивают локализацию источника звука в свободном звуковом поле в горизонтальной плоскости.

Характеристики латерализации звукового образа
Характеристики латерализации звукового образа при интерауральных различиях по времени (а) и по интенсивности (б) в условиях дихотической стимуляции.
а - на схеме дихотической стимуляции в левой части рисунка - задержка стимула справа или слева - "31" и "32", соотв. На графике - по оси абсцисс интерауральная задержка в мс; б - на схеме дихотической стимуляции в левой части рисунка усиление стимула справа или слева - "a1" и "а2", соответственно. На графике по оси абсцисс интерауральные различия стимуляции по интенсивности в дБ. По оси ординат в "а" и "б" - положение звукового образа в условных единицах; "6" обозначает расположение звукового образа у уха (полная латерализация); "0" - звуковой образ у средней линии головы

С помощью дихотической стимуляции установлено, что минимальный интерауральный интервал, необходимый для смещения слитного звукового образа от средней линии головы, равен 6 микросекундам, а полное смещение образа к одному из ушей достигается при задержке порядка 600 мкс. Именно этот интервал примерно соответствует максимально возможной интерауральной задержке при диотической стимуляции. При опережении раздражения на одном из ушей более чем на 2 мс слитный звуковой образ исчезает и испытуемый воспринимает 2 раздельных звука.

Что касается интерауральных различий по интенсивности, то при дихотической стимуляции смешение звукового образа от средней линии головы наступает, если разность по интенсивности достигает 1 дБ. Дихотическим же способом раздражения установлено, что литерализация, вызванная опережением раздражения одного из ушей, может быть снята (образ возвращается к средней линии головы) усилением интенсивности стимуляции на ухе, где раздражение запаздывало (феномен "компенсации").

Схематическое изображение феномена бинаурального освобождения от маскировки
Схематическое изображение феномена бинаурального освобождения от маскировки.
1 - при бинауральном предъявлении маскируемого тонального сигнала (верхнее изображение сигнала у уха) и маскирующего шума (нижнее изображение) достигнута полная маскировка тонального сигнала (звук не воспринимается). При противофазном предъявлении шумового сигнала (2) или тонального сигнала при том же соотношении интенсивностей, что и в "1" тональный сигнал обнаруживается

С помощью дихотической стимуляции был обнаружен еще один интересный феномен, связанный с маскировкой. Оказалось, что если вводятся интерауральные различия стимуляции либо в маскируемом, либо в маскирующем сигналах, предъявляемых дихотически, то наблюдается существенное уменьшение маскировки (до 10-12 дБ).

Это явление получило название бинауральная разность уровня маскировки (на английском языке - binaural masking level difference или по начальным буквам - BMLD). Бинауральное освобождение от маскировки лучше всего выражено на низких частотах от 100 Гц (10-12 дБ) и постепенно уменьшается при более высоких частотах, исчезая при частоте порядка 2000 Гц.

При аудиологическом обследовании, главным образом, для выявления патологии слуховых центров, в ряде случаев используются бинауральные тесты: изменение слияния в звуковом образе при бинауральном предъявлении речевых сигналов, изменение параметров бинауральной маскировки, определение функциональной асимметрии больших полушарий головного мозга. Следует подчеркнуть, учитывая богатство возможностей феноменологии пространственного слуха, разработка клинических тестов в этой области аудиологии явно недостаточна.

В этой связи отметим одно из любопытных приложений дихотической стимуляции в аудиологическом обследовании. Так, был предложен практический тест, используемый при подозрении на симуляцию односторонней глухоты.

При этом тесте применяется дихотическое раздражение и создается полная латерализация звукового образа в сторону "глухого" уха (т.е. пространственно звуковой образ располагается на стороне предполагаемого "глухого" уха). При симуляции односторонней глухоты обследуемый, будучи уверенным, что звук подается на "глухое" ухо, отвечает, что звуковое раздражение им вообще не воспринимается. Между тем, при реальной односторонней глухоте, звук в такой ситуации должен восприниматься на противоположном, т.е. на здоровом ухе.

Я.А. Альтман, Г. А. Таварткиладзе
Похожие статьи
  • 24.02.2013 36997 15
    Тональная пороговая аудиометрия

    Тональная пороговая аудиометрия осуществляется при помощи аудиометров, которые производятся многими фирмами и отличаются друг от друга по функциональным возможностям и по возможностям управления. В них предусмотрен набор частот 125, 250, 500, 750, 1000, 1500, 2000, 3000, 4000, 6000, и 8000 Гц (в...

    Аудиология
  • 24.02.2013 24447 7
    Тимпанометрия

    Первые работы, посвященные тимпанометрии, содержали описание отдельных тимпанограмм, характерных для той или иной патологии (Terkildsen, Thomsen, 1959; Brooks, 1968; 1969). Позднее были разработаны классификации тимпанограмм, из которых наибольшее распространение получили взаимно дополняющие...

    Аудиология
  • 20.02.2013 7086 10
    Слуховые вызванные потенциалы. Часть 1

    Исследование этого класса реакций определяется возможностью неинвазивной (т.е. с поверхности черепа) регистрации суммарной электрической активности слуховых центров у человека и животных. В виду малой амллитуды реакций при таком способе регистрации и значительного уровня помех за счет других...

    Аудиология
показать еще
 
Оториноларингология