Věda jménem psychoakustika: Jak vnímáme zvuk

Psychoakustika je vědní obor, který studuje vztah mezi fyzikálními vlastnostmi zvuku a pocity a vjemy, které v lidech vyvolávají. Překlenuje propast mezi objektivním akustickým měřením a subjektivním prožitkem sluchu. V podstatě si klade otázku: jak náš mozek interpretuje zvuky, které se dostanou k našim uším?

Proč je psychoakustika důležitá?

Porozumění psychoakustice je klíčové v mnoha oborech, včetně:

• Zvukové inženýrství: Optimalizace kvality zvuku pro nahrávky, přehrávací systémy a audio zařízení.
• Hudební produkce: Vytváření emocionálně působivých a poutavých hudebních zážitků.
• Vývoj naslouchátek: Návrh zařízení, která efektivně a pohodlně kompenzují ztrátu sluchu.
• Regulace hluku: Vývoj strategií ke zmírnění negativních dopadů hlukového znečištění na zdraví a pohodu.
• Rozpoznávání a syntéza řeči: Zlepšování přesnosti a přirozenosti technologií založených na řeči.
• Virtuální realita (VR) a rozšířená realita (AR): Tvorba pohlcujících a realistických sluchových prostředí.
• Lékařská diagnostika: Hodnocení zdraví sluchu a diagnostika sluchových poruch.

Klíčové principy psychoakustiky

To, jak vnímáme zvuk, se řídí několika základními principy:

1. Frekvence a výška tónu

Frekvence je fyzikální míra toho, kolik cyklů zvukové vlny proběhne za sekundu, měřená v hertzech (Hz). Výška tónu je subjektivní vjem toho, jak „vysoký“ nebo „nízký“ zvuk je. Ačkoli jsou frekvence a výška tónu úzce spjaty, nejsou totožné. Naše vnímání výšky tónu není lineární; stejné intervaly frekvence nemusí nutně odpovídat stejným intervalům vnímané výšky tónu.

Příklad: Zvuková vlna o frekvenci 440 Hz je obvykle vnímána jako hudební nota A4. Vnímanou výšku tónu však mohou ovlivnit i další faktory, jako je hlasitost a maskování.

2. Amplituda a hlasitost

Amplituda je fyzikální míra intenzity zvukové vlny. Hlasitost je subjektivní vjem toho, jak „tichý“ nebo „hlasitý“ zvuk je. Amplituda se obvykle měří v decibelech (dB) ve vztahu k referenčnímu tlaku. Podobně jako u frekvence a výšky tónu není vztah mezi amplitudou a hlasitostí lineární. Naše uši jsou citlivější na určité frekvence než na jiné.

Příklad: Nárůst o 10 dB obecně odpovídá vnímanému zdvojnásobení hlasitosti. Jde však o přiblížení a přesný vztah se liší v závislosti na frekvenci zvuku.

3. Maskování

Maskování nastává, když jeden zvuk ztěžuje nebo znemožňuje slyšet jiný zvuk. K tomu může dojít, když je maskující zvuk hlasitější, má bližší frekvenci nebo se objeví těsně před maskovaným zvukem. Maskování je klíčovým faktorem v algoritmech komprese zvuku (jako je MP3) a technikách redukce šumu.

Příklad: V hlučné restauraci může být obtížné slyšet konverzaci u vašeho stolu, protože hluk na pozadí maskuje zvuky řeči.

4. Časové efekty

Časové efekty se týkají toho, jak se naše vnímání zvuku mění v čase. Patří mezi ně:

• Časové maskování: Maskování, které nastává před (pre-maskování) nebo po (post-maskování) maskujícím zvuku. Pre-maskování je obecně slabší než post-maskování.
• Sluchová integrace: Naše schopnost integrovat krátké zvukové impulzy do souvislého vjemu.
• Detekce mezer: Naše schopnost detekovat krátká ticha v souvislém zvuku.

Příklad: Hlasité cvaknutí může krátce zamaskovat tišší zvuk, který se objeví krátce po něm (post-maskování), i když byl tišší zvuk před cvaknutím dokonale slyšitelný.

5. Prostorové slyšení

Prostorové slyšení se týká naší schopnosti lokalizovat zvuky v prostoru. To závisí na několika signálech, včetně:

• Meziušní časový rozdíl (ITD): Rozdíl v čase příchodu zvuku ke dvěma uším.
• Meziušní rozdíl v úrovni (ILD): Rozdíl v intenzitě zvuku u obou uší.
• Funkce přenosu závislá na hlavě (HRTF): Filtrační účinek hlavy, trupu a vnějších uší na zvukové vlny.

Příklad: Obvykle dokážeme rozeznat, zda zvuk přichází zleva nebo zprava, podle nepatrného rozdílu v čase, kdy dorazí ke každému uchu (ITD), a rozdílu v hlasitosti mezi oběma ušima (ILD).

6. Kritická pásma

Kritické pásmo je koncept, který popisuje frekvenční rozsah, ve kterém se zvuky vzájemně ovlivňují v hlemýždi (kochlei). Zvuky ve stejném kritickém pásmu se s větší pravděpodobností vzájemně maskují než zvuky v různých kritických pásmech. Šířka kritických pásem se mění s frekvencí, přičemž je užší u nižších frekvencí a širší u vyšších frekvencí.

Příklad: Dva tóny s blízkou frekvencí vytvoří efekt zázněje a budou se navzájem maskovat silněji než dva tóny s frekvencemi daleko od sebe.

7. Sluchové iluze

Sluchové iluze jsou případy, kdy se naše vnímání zvuku odchyluje od fyzikální reality. Tyto iluze demonstrují komplexní zpracování, které probíhá ve sluchovém systému a mozku.

Příklady:

• Shepardův tón: Zvuk skládající se ze superpozice sinusových vln oddělených oktávami. Při specifickém podání vytváří sluchovou iluzi tónu, který neustále stoupá nebo klesá.
• McGurkův efekt: Ačkoli se jedná primárně o vizuální iluzi, výrazně ovlivňuje sluchové vnímání. Když člověk vidí video, na kterém někdo artikuluje jednu slabiku (např. „ga“), zatímco slyší jinou slabiku (např. „ba“), může vnímat třetí slabiku (např. „da“). To ukazuje, jak vizuální informace mohou ovlivnit sluchové vnímání.
• Iluze chybějící základní frekvence: Slyšení výšky základní frekvence, i když ve zvuku fyzicky není přítomna.

Aplikace psychoakustiky v reálném světě

Psychoakustické principy se uplatňují v široké škále průmyslových odvětví:

Zvukové inženýrství a hudební produkce

Psychoakustika ovlivňuje rozhodování o míchání, masteringu a zpracování zvuku. Inženýři používají techniky jako ekvalizace, komprese a reverb k formování zvuku způsoby, které posluchači vnímají jako příjemné a působivé. Porozumění maskovacím efektům umožňuje inženýrům vytvářet mixy, kde jsou všechny nástroje slyšitelné a zřetelné, i když hraje více nástrojů v podobných frekvenčních rozsazích. Zohledňuje se poslechové prostředí, ať už se jedná o sluchátka, audio systémy v autě nebo domácí kino.

Příklad: Použití psychoakustického maskování ke kompresi zvukových souborů (jako MP3) odstraněním méně slyšitelných frekvencí bez výrazného ovlivnění vnímané kvality zvuku.

Technologie naslouchátek

Naslouchátka jsou navržena tak, aby zesilovala zvuky, které jsou pro osoby se ztrátou sluchu obtížně slyšitelné. Psychoakustika se používá k vývoji algoritmů, které selektivně zesilují určité frekvence na základě sluchového profilu jedince. Algoritmy pro redukci šumu se také spoléhají na psychoakustické principy maskování k potlačení hluku na pozadí při zachování srozumitelnosti řeči.

Příklad: Moderní naslouchátka často používají směrové mikrofony a pokročilé zpracování signálu ke zlepšení poměru signálu k šumu v hlučném prostředí, což uživateli usnadňuje slyšení řeči.

Regulace hluku a environmentální akustika

Psychoakustika hraje klíčovou roli při navrhování tišších prostředí. Porozumění tomu, jak různé frekvence a typy hluku ovlivňují lidské vnímání, umožňuje inženýrům a architektům vyvíjet účinné strategie pro snižování hluku. To zahrnuje navrhování protihlukových bariér, výběr vhodných stavebních materiálů a zavádění opatření pro regulaci hluku v městském plánování.

Příklad: Navrhování tišších kancelářských prostor pomocí materiálů pohlcujících zvuk a zaváděním systémů maskování zvuku, které vnášejí jemný hluk na pozadí, aby se snížila srozumitelnost konverzací.

Virtuální realita (VR) a rozšířená realita (AR)

Vytváření pohlcujících a realistických sluchových prostředí je pro zážitky z VR a AR zásadní. Psychoakustika se používá k simulaci prostorového slyšení, což uživatelům umožňuje vnímat zvuky, jako by přicházely z konkrétních míst ve virtuálním nebo rozšířeném světě. To zahrnuje použití technik, jako je binaurální nahrávání a modelování HRTF, k vytvoření realistického 3D zvuku.

Příklad: Vývoj VR her, kde zvuky kroků a výstřelů přesně odrážejí polohu a pohyby hráče ve virtuálním prostředí.

Rozpoznávání a syntéza řeči

Psychoakustika se používá ke zlepšení přesnosti a přirozenosti systémů pro rozpoznávání a syntézu řeči. Porozumění tomu, jak lidé vnímají zvuky řeči, umožňuje inženýrům vyvíjet algoritmy, které jsou odolnější vůči odchylkám v přízvuku, stylu mluvení a hluku na pozadí. To je důležité pro aplikace jako hlasoví asistenti, diktovací software a systémy pro překlad jazyků.

Příklad: Trénování modelů pro rozpoznávání řeči pomocí psychoakustických rysů, které jsou méně citlivé na odchylky ve výslovnosti, což činí modely přesnějšími a spolehlivějšími.

Automobilový průmysl

Psychoakustika se používá k optimalizaci kvality zvuku uvnitř vozidel, snižování nežádoucího hluku a zlepšování vnímané kvality zvuků motoru a audio systémů. Výrobci vozidel pečlivě navrhují sluchový zážitek, aby řidičům a cestujícím poskytli pohodlné a příjemné prostředí.

Příklad: Navrhování elektrických vozidel tak, aby produkovala umělé zvuky motoru, které jsou vnímány jako bezpečné a uklidňující, a zároveň minimalizovala nežádoucí hluk z elektromotoru.

Psychoakustické modelování

Psychoakustické modelování zahrnuje vytváření výpočetních modelů, které simulují způsob, jakým lidský sluchový systém zpracovává zvuk. Tyto modely lze použít k předpovídání, jak budou různé zvuky vnímány, což je užitečné pro navrhování audio kodeků, algoritmů pro redukci šumu a naslouchátek.

Typický psychoakustický model zahrnuje následující fáze:

1. Spektrální analýza: Analýza frekvenčního obsahu zvuku pomocí technik, jako je rychlá Fourierova transformace (FFT).
2. Analýza kritických pásem: Seskupování frekvencí do kritických pásem k simulaci frekvenční selektivity hlemýždě.
3. Výpočet prahu maskování: Odhad prahu maskování pro každé kritické pásmo na základě intenzity a frekvence maskujících zvuků.
4. Výpočet percepční entropie: Kvantifikace množství informací, které jsou ve zvuku percepčně relevantní.

Budoucí směřování v psychoakustice

Obor psychoakustiky se neustále vyvíjí, poháněn pokroky v technologii a hlubším porozuměním sluchovému systému. Mezi slibné oblasti výzkumu patří:

• Personalizovaný zvuk: Vývoj audio systémů, které se přizpůsobují sluchovým charakteristikám a preferencím jednotlivého posluchače.
• Rozhraní mozek-počítač (BCI): Použití BCI k přímé manipulaci se sluchovým vnímáním a vytváření nových forem sluchové komunikace.
• Analýza sluchové scény: Vývoj algoritmů, které dokáží automaticky identifikovat a oddělit různé zdroje zvuku ve složitém sluchovém prostředí.
• Dopad hlukového znečištění na celkové zdraví a pohodu v městském prostředí po celém světě.
• Mezikulturní studie preferencí a vnímání zvuku, zohledňující různá kulturní prostředí a jejich vliv na to, jak je zvuk interpretován a oceňován. Například porovnávání hudebních stupnic a jejich emocionálního dopadu v různých kulturách.

Závěr

Psychoakustika je fascinující a komplexní obor, který poskytuje cenné poznatky o tom, jak vnímáme zvuk. Její principy se uplatňují v široké škále průmyslových odvětví, od zvukového inženýrství po technologii naslouchátek, a nadále formují způsob, jakým interagujeme se zvukem v našem každodenním životě. S postupujícím technologickým vývojem a prohlubováním našich znalostí o sluchovém systému bude psychoakustika hrát stále důležitější roli při vytváření pohlcujících, poutavých a přínosných sluchových zážitků pro každého.

Porozuměním nuancím toho, jak lidé vnímají zvuk, můžeme vytvářet efektivnější a příjemnější zvukové zážitky napříč různými platformami a aplikacemi, což v konečném důsledku zlepšuje komunikaci, zábavu a celkovou kvalitu života.

Doporučená literatura:

• „Psychoacoustics: Introduction to Hearing and Sound“ od Huga Fastla a Eberharda Zwickera
• „Fundamentals of Musical Acoustics“ od Arthura H. Benadeho
• The Journal of the Acoustical Society of America (JASA)