LABORATORIUM AKUSTYKI SŁUCHU

Transkrypt

1 LABORATORIUM AKUSTYKI SŁUCHU Temat ćwiczenia: ZAPAMIĘTYWANIE WYSOKOŚCI DŹWIĘKU. 1. Cel ćwiczenia. Celem ćwiczenia jest poznanie zdolności człowieka do zapamiętywania wysokości dźwięków oraz zapoznanie się ze sposobem badania tej zdolności. 2. Wstęp teoretyczny. Według Amerykańskiego Instytutu Standardów wysokość dźwięku jest tym atrybutem wraŝenia słuchowego, za pomocą którego dźwięki mogą być uporządkowane na skali od niskich do wysokich. Wysokość dźwięku jest wielkością subiektywną i nie moŝe być mierzona bezpośrednio. Jej wartość jest silnie związana z częstotliwością i zaleŝy przede wszystkim od niej, zaleŝy jednak takŝe między innymi od głośności dźwięku, jego czasu trwania, obwiedni czasowej, a takŝe obecności innych dźwięków ZaleŜność wysokości dźwięku od częstotliwości Skala melowa. Skala melowa porządkuje dźwięki jednowymiarowo od najniŝszych do najwyŝszych pod względem wysokości naturalnej (tonalnej). Została sporządzona eksperymentalnie w sposób następujący. Jako punkt odniesienia wybrano taką wysokość, która odpowiada wysokości tonu o częstotliwości 1000 Hz oraz poziomie ciśnienia akustycznego 40 db SPL. Wysokość tą określono jako 1000 meli. Następnie podawano osobom badanym tony testowe. Zadaniem słuchaczy było dostrojenie częstotliwości w taki sposób, aby wysokość uzyskanego dźwięku stanowiła połowę wysokości tonu testowego. Tak wyznaczona skala przedstawiona jest na rysunku 1. Skala melowa nie przyjęła się jednak w tak powszechnym uŝyciu jak odpowiadająca jej sonowa skala głośności. Powodem tego jest brak bezpośredniego odniesienia do skali muzycznej.

2 I Skala muzyczna. Rys.1. Skala melowa wg Stevensa z 1937 r. (wykres pochodzi z pracy [2]). Skala muzyczna w naturalny dla większości ludzi sposób oddaje stosunki pomiędzy poszczególnymi dźwiękami, układając je w interwały muzyczne. Została sporządzona poprzez podzielenie oktawy na 12 równych części (równy jest stosunek ich częstotliwości wynoszący 2 12 ), zwanych półtonami. Skala taka zwana jest skalą równomiernie temperowaną. Rysunek 2 przedstawia klawiaturę fortepianu w obrębie jednej oktawy oraz poszczególne interwały dla dźwięku C jako dźwięku odniesienia. Rys.2. Dźwięki w zakresie jednej oktawy Rys.3. Dwuwymiarowa skala umieszczone na klawiaturze fortepianu, wysokości dźwięku wraz z nazwami interwałów (rysunek pochodzi muzycznych. z pracy [2]). Skala muzyczna odnosi się takŝe, oprócz wysokości naturalnej, do pojęcia wysokości chromatycznej. Dźwięki o takiej samej chromie brzmią podobnie, bliŝej siebie niŝ dźwięki o chromie przeciwnej. RóŜnią się one o oktawę, a w muzyce są oznaczane taką samą literą (na

3 przykład C, D, E# itd.). Dźwięki o chromie przeciwnej róŝnią się o tryton. Dwuwymiarowa skala wysokości dźwięku przedstawiona jest na rysunku ZaleŜność wysokości dźwięku od głośności. Głośność wpływa na wysokość tonu w sposób zaleŝny od częstotliwości. Dla częstotliwości poniŝej 1 khz wysokość maleje wraz ze wzrostem głośności, dla tonów od 1 khz do 2 khz pozostaje raczej na stałym poziomie (nieznaczne zmiany są mniejsze niŝ 1%), natomiast dla częstotliwości powyŝej 2 khz wysokość dźwięku wzrasta wraz ze wzrostem częstotliwości. Zmiany wysokości nie są jednak bardzo znaczące, dochodzą do 5%. Zaznaczyć naleŝy takŝe, iŝ pomiędzy poszczególnymi osobami istnieją róŝnice dotyczące zarówno wielkości jak i kierunku zmian wysokości ZaleŜność wysokości dźwięku od czasu trwania. Aby zostało wytworzone wraŝenie wysokości tonu, musi on trwać przez pewien minimalny czas, który jest zmienia się wraz z częstotliwością i dla 50 Hz wynosi około 50 ms natomiast dla 1 khz maleje i wynosi około 10 ms. Tony o mniejszym niŝ minimalny czasie trwania są percypowane jako krótkotrwałe trzaski. Dla tonów trwających co najwyŝej 40 ms i wywołujących wraŝenie wysokości wzrost natęŝenia (głośności) powoduje zawsze spadek wysokości, niezaleŝnie od częstotliwości. Zjawisko to ma prawdopodobnie związek z obwiednią czasową takiego krótkotrwałego tonu ZaleŜność wysokości dźwięku od kształtu obwiedni czasowej. Dla tonów o częstotliwości z przedziału od 400 Hz to 3200 Hz zachodzi następujące zjawisko Ton, którego obwiednia zanika w sposób eksponencjalny wywołuje nieznacznie wyŝsze wraŝenie wysokości niŝ ton o tej samej częstotliwości lecz bramkowanej obwiedni prostokątnej ZaleŜność wysokości dźwięku od obecności innych dźwięków. Jeśli dodatkowy ton lub pasmo szumowe znajduje się pod względem częstotliwości tuŝ poniŝej tonu testowego, jego wysokość jest zawsze odbierana jako wyŝsza, czasem nawet o tak duŝą wartość jak pół tonu. Natomiast ton (szum) znajdujący się powyŝej częstotliwości tonu testowego nie ma juŝ tak wielkiego wpływu na jego wysokość.

4 2.6. Główne teorie percepcji wysokości Teoria miejsca. Według teorii miejsca dźwięk o określonej częstotliwości pobudza ściśle skorelowane z tą częstotliwością miejsce błony podstawnej, co powoduje wychylenie błony w tym miejscu. Błona podstawna znajduje się w ślimaku, będącym częścią ucha środkowego. Wychylając się, błona podstawna pobudza komórki nerwowe o określonej częstotliwości charakterystycznej, przez co percypowany jest dźwięk o wysokości odpowiadającej tej częstotliwości. Ponadto teoria miejsca stwierdza, iŝ za percypowaną wysokość odpowiada punkt błony podstawnej o maksymalnym wychyleniu. Stwierdzenie to jest prawdziwe dla tonów (dźwięków posiadających tylko jedną składową w widmie). Nie znajduje jednak potwierdzenia, jeśli chodzi o percepcję wysokości dźwięków złoŝonych. Dźwięk taki pobudza błonę podstawną w tych miejscach, które odpowiadają częstotliwościom składowym widma dźwięku. Maksymalne wychylenie błony nie zawsze przypada w miejscu odpowiadającym częstotliwości podstawowej, a mimo to percypowana wysokość odpowiada tej, którą wywołuje składowa podstawowa. Szczególnym przypadkiem jest natomiast percepcja wysokości rezydualnej, kiedy w widmie dźwięku brak jest składowej o częstotliwości odpowiadającej percypowanej wysokości Teoria czasu. Według teorii czasu wraŝenie wysokości dźwięku odnosi się do rozkładu czasowego impulsów nerwowych, które wywołane są przez ten dźwięk. Pojawianie się tych impulsów jest ściśle skorelowane z fazą sygnału, w związku z tym występują one z odstępem czasu, który jest równy okresowi sygnału pobudzającego lub teŝ jego całkowitej wielokrotności. Teoria ta nie znajduje z kolei zastosowania dla częstotliwości większych od 5000 Hz, jednakŝe ograniczenie to jest do pominięcia podczas rozpatrywania mechanizmów percepcji mowy i muzyki, gdyŝ częstotliwości podstawowe dźwięków mowy oraz wytwarzanych przez instrumenty muzyczne są o wiele mniejsze od 5 khz Zapamiętywanie wysokości dźwięków. Zdecydowana większość ludzi jest zdolna do zapamiętania naturalnej wysokości dźwięku i przechowania jej wartości w pamięci przez pewien, na ogół krótki, okres czasu, w ramach pamięci krótkotrwałej. Okres ten jest cechą osobniczą i moŝe wynosić od kilku sekund do nawet kilku minut (najczęściej do kilkudziesięciu sekund). JednakŜe obecność innego dźwięku występującego zaraz po prezentacji dźwięku zapamiętywanego ma znaczny wpływ

5 na dokładność zapamiętania, a często wręcz uniemoŝliwia dokładne zapamiętanie wysokości. Pamięć krótkotrwała pozwala na zapamiętanie wysokości dźwięku i jednocześnie na dokonywanie innych operacji myślowych. Człowiek posiada takŝe zdolność do zapamiętywania interwałów muzycznych, czyli relacji pomiędzy wysokościami. Zdolność taka nazywa się słuchem relatywnym i pozwala na określenie wysokości danego dźwięku po porównaniu jej do innej wysokości wzorcowej. Zdolność do określenia wysokości dźwięku bez konieczności odnoszenia jej do wysokości wzorcowej zwana jest słuchem absolutnym. Słuch absolutny wiąŝe się z pamięcią długotrwałą i występuje zaledwie u 1% ludzi. Osoby obdarzone tą zdolnością potrafią określić chromę słyszanego dźwięku z zakresu aŝ do 4 5 khz oraz przyporządkować go do danej oktawy, według wysokości naturalnej. 3. Opis ćwiczenia i zadania do wykonania. Przy pomocy programu Wysokość Dźwięku naleŝy dokonać pomiaru zdolności zapamiętywania wysokości dźwięków dla kaŝdej z osób uczestniczących w ćwiczeniu. Wygląd głównego okna programu przedstawiony jest na rysunku 4. Rys.4. Główne okno programu Wysokość dźwięku.

6 Obsługą programu zajmuje się osoba badana w danej chwili, nie jest konieczne zaangaŝowanie innych osób. Jeśli jest moŝliwość skorzystania z większej liczby stanowisk komputerowych, wszyscy uczestnicy ćwiczenia mogą wykonywać badanie jednocześnie, na róŝnych stanowiskach Ustawienie parametrów. Jeśli prowadzący ćwiczenie nie zaleci inaczej, w panelu Parametry naleŝy dobrać następujące wartości: Wybór częstotliwości oktawowo Zakres przestrajania Hz Czas prezentacji tonu wzorcowego 5 s Kształt fali sinus Sposób prezentacji tonów obuusznie Liczba powtórzeń 5 W menu Widok naleŝy wybrać opcję Schowaj tablicę wyników, aby osoba badana nie sugerowała się wynikami przy dostrajaniu wysokości podczas kolejnych powtórzeń tej samej częstotliwości Sposób prowadzenia badania. W celu rozpoczęcia właściwej części ćwiczenia naleŝy wcisnąć przycisk Start. Na słuchawki zostaje wysłany sygnał wzorcowy o pierwszej z zadanych częstotliwości. W trakcie prezentacji tonu wzorcowego osoba badana powinna skoncentrować uwagę na słuchaniu i starać się zapamiętać wysokość tego tonu. Po upływie czasu przeznaczonego na prezentację (a w przypadku braku ustawienia czasu prezentacji gdy słuchacz zdecyduje, Ŝe zapamiętał wysokość w stopniu umoŝliwiającym mu dostrajanie) słuchacz ma za zadanie dostroić częstotliwość dźwięku do takiej, która będzie odpowiadała wysokości uprzednio zapamiętanego tonu wzorcowego. Dostrajania dokonuje się za pomocą dwóch pokręteł Dostrajanie zgrubne i Dostrajanie dokładne, w momencie, gdy dioda Dostrajaj świeci w kolorze zielonym. Po stwierdzeniu, iŝ wysokość tonu dostrojonego odpowiada wysokości zapamiętanej uprzednio, naleŝy wcisnąć przycisk Dalej, co spowoduje rozpoczęcie prezentacji kolejnego tonu wzorcowego (po dostrojeniu tonu o częstotliwości będącej ostatnią spośród zadanych naleŝy zakończyć badanie poprzez wciśnięcie przycisku Stop).

7 Po zakończeniu badania naleŝy pamiętać o zapisaniu wyników. W tym celu w menu Plik naleŝy wybrać opcję Zapisz wyniki i wskazać odpowiedni folder. Podobnie naleŝy postępować zapisując wykres (za pomocą opcji Zapisz wykres w menu Plik) Badanie wpływu zmiany parametrów na proces zapamiętywania wysokości dźwięku. Po wcześniejszym ustaleniu z prowadzącym ćwiczenie moŝna dokonać badania wpływu następujących parametrów: czasu trwania tonu wzorcowego naleŝy dokonać serii badań dla wcześniej ustalonego zakresu częstotliwości, zmieniając czas trwania tonu wzorcowego dla kaŝdej z tych serii; kształtu fali naleŝy przeprowadzić badanie analogicznie jak dla fali sinusoidalnej, lecz za pomocą sygnału o prostokątnym kształcie fali; sposobu prezentacji tonu wzorcowego zamiast prezentacji obuusznej naleŝy wybrać prezentację na jedno ucho. 3.4.Opracowanie wyników badań. Średni błąd bezwzględny dla danej częstotliwości naleŝy obliczyć jako róŝnicę średniej wartości dostrojonej (obliczonej spośród wszystkich powtórzeń dostrojenia tej częstotliwości) oraz wartości częstotliwości zadanej: f = f f [Hz] (1) śr dostrojone śr zadane Średni błąd względny dla danej częstotliwości naleŝy obliczyć jako stosunek średniego błędu bezwzględnego i częstotliwości zadanej, wyraŝony w procentach: f f śr dostrojone zadane = 100% = śr f δ f 100% (2) f f zadane zadane Wyniki badań naleŝy przedstawić w formie wykresów zaleŝności średniego błędu względnego od częstotliwości. Przedyskutować otrzymane wyniki.

8 4. Literatura uzupełniająca. [1] Brian C.J. Moore, Wprowadzenie do psychologii słyszenia, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa Poznań 1999 [2] Adrianus J.M. Houtsma, Pitch perception rozdział 8 w Hearing, pod redakcją B.C.J. Moore a, Academic Press, Orlando, Florida 1995 [3] Edward Ozimek, Dźwięk i jego percepcja. Aspekty fizyczne i psuchoakustyczne. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa Poznań 2002 [4] Urszula Jorasz, Wykłady z psychoakustyki, Wydawnictwo Naukowe UAM, Poznań 1998