Наука психоакустики: как мы воспринимаем звук

Психоакустика — это раздел науки, изучающий взаимосвязь между физическими свойствами звука и ощущениями и восприятиями, которые он вызывает у людей. Она преодолевает разрыв между объективными акустическими измерениями и субъективным опытом слуха. По сути, она отвечает на вопрос: как наш мозг интерпретирует звуки, достигающие наших ушей?

Почему психоакустика важна?

Понимание психоакустики имеет решающее значение в различных областях, включая:

• Аудиоинженерия: Оптимизация качества звука для записей, систем воспроизведения и аудиооборудования.
• Музыкальное производство: Создание эмоционально насыщенных и увлекательных музыкальных произведений.
• Разработка слуховых аппаратов: Проектирование устройств, которые эффективно и комфортно компенсируют потерю слуха.
• Борьба с шумом: Разработка стратегий по смягчению негативного воздействия шумового загрязнения на здоровье и благополучие.
• Распознавание и синтез речи: Повышение точности и естественности речевых технологий.
• Виртуальная (VR) и дополненная (AR) реальность: Создание иммерсивных и реалистичных слуховых сред.
• Медицинская диагностика: Оценка здоровья слуха и диагностика слуховых расстройств.

Ключевые принципы психоакустики

Существует несколько фундаментальных принципов, определяющих, как мы воспринимаем звук:

1. Частота и высота звука

Частота — это физическая мера количества циклов звуковой волны в секунду, измеряемая в герцах (Гц). Высота звука — это субъективное восприятие того, насколько звук «высокий» или «низкий». Хотя эти понятия тесно связаны, частота и высота звука не идентичны. Наше восприятие высоты нелинейно; равные интервалы частоты не обязательно соответствуют равным интервалам воспринимаемой высоты.

Пример: Звуковая волна с частотой 440 Гц обычно воспринимается как музыкальная нота ля первой октавы (A4). Однако на воспринимаемую высоту могут влиять другие факторы, такие как громкость и маскировка.

2. Амплитуда и громкость

Амплитуда — это физическая мера интенсивности звуковой волны. Громкость — это субъективное восприятие того, насколько звук «тихий» или «громкий». Амплитуда обычно измеряется в децибелах (дБ) относительно опорного давления. Как и в случае с частотой и высотой, взаимосвязь между амплитудой и громкостью нелинейна. Наши уши более чувствительны к определенным частотам, чем к другим.

Пример: Увеличение на 10 дБ обычно соответствует воспринимаемому удвоению громкости. Однако это приближение, и точная зависимость варьируется в зависимости от частоты звука.

3. Маскировка

Маскировка происходит, когда один звук затрудняет или делает невозможным услышать другой звук. Это может случиться, когда маскирующий звук громче, ближе по частоте или возникает незадолго до маскируемого звука. Маскировка является критическим фактором в алгоритмах сжатия аудио (таких как MP3) и методах шумоподавления.

Пример: В шумном ресторане может быть трудно расслышать разговор за вашим столом, потому что фоновый шум маскирует звуки речи.

4. Временные эффекты

Временные эффекты относятся к тому, как наше восприятие звука изменяется со временем. К ним относятся:

• Временная маскировка: Маскировка, которая происходит до (опережающая маскировка) или после (запаздывающая маскировка) маскирующего звука. Опережающая маскировка обычно слабее запаздывающей.
• Слуховая интеграция: Наша способность объединять короткие всплески звука в целостное восприятие.
• Обнаружение пауз: Наша способность обнаруживать короткие промежутки тишины в непрерывном звуке.

Пример: Громкий щелчок может на короткое время замаскировать более тихий звук, который возникает сразу после него (запаздывающая маскировка), даже если до щелчка более тихий звук был отлично слышен.

5. Пространственный слух

Пространственный слух относится к нашей способности локализовать звуки в пространстве. Это зависит от нескольких признаков, включая:

• Межушная разница во времени (ITD): Разница во времени прихода звука к двум ушам.
• Межушная разница в уровне (ILD): Разница в интенсивности звука у двух ушей.
• Передаточная функция головы (HRTF): Фильтрующий эффект головы, туловища и наружных ушей на звуковые волны.

Пример: Мы обычно можем определить, исходит ли звук слева или справа, по небольшой разнице во времени его прихода к каждому уху (ITD) и разнице в громкости между двумя ушами (ILD).

6. Критические полосы

Критическая полоса — это концепция, которая описывает частотный диапазон, в пределах которого звуки взаимодействуют друг с другом в улитке. Звуки в пределах одной критической полосы с большей вероятностью будут маскировать друг друга, чем звуки в разных критических полосах. Ширина критических полос изменяется в зависимости от частоты: они уже на низких частотах и шире на высоких.

Пример: Два тона, близкие по частоте, создадут эффект биений и будут маскировать друг друга сильнее, чем два тона, далекие друг от друга по частоте.

7. Слуховые иллюзии

Слуховые иллюзии — это случаи, когда наше восприятие звука отклоняется от физической реальности. Эти иллюзии демонстрируют сложную обработку, происходящую в слуховой системе и мозге.

Примеры:

• Тон Шепарда: Звук, состоящий из суперпозиции синусоидальных волн, разделенных октавами. При определенном представлении он создает слуховую иллюзию тона, который постоянно повышается или понижается по высоте.
• Эффект Мак-Гурка: Хотя это в первую очередь зрительная иллюзия, она значительно влияет на слуховое восприятие. Когда человек видит видео, где кто-то артикулирует один слог (например, «га»), но слышит другой слог (например, «ба»), он может воспринять третий слог (например, «да»). Это демонстрирует, как зрительная информация может влиять на слуховое восприятие.
• Иллюзия отсутствующего основного тона: Восприятие высоты основного тона, даже когда он физически отсутствует в звуке.

Применение психоакустики в реальном мире

Принципы психоакустики применяются в широком спектре отраслей:

Аудиоинженерия и музыкальное производство

Психоакустика определяет решения по сведению, мастерингу и обработке аудио. Инженеры используют такие методы, как эквализация, компрессия и реверберация, чтобы формировать звук таким образом, который воспринимается слушателями как приятный и впечатляющий. Понимание эффектов маскировки позволяет инженерам создавать миксы, в которых все инструменты слышны и различимы, даже когда несколько инструментов играют в схожих частотных диапазонах. Учитывается среда прослушивания, будь то наушники, автомобильные аудиосистемы или домашние кинотеатры.

Пример: Использование психоакустической маскировки для сжатия аудиофайлов (таких как MP3) путем удаления менее слышимых частот без значительного влияния на воспринимаемое качество звука.

Технологии слуховых аппаратов

Слуховые аппараты предназначены для усиления звуков, которые трудно услышать людям с потерей слуха. Психоакустика используется для разработки алгоритмов, которые избирательно усиливают определенные частоты на основе слухового профиля человека. Алгоритмы шумоподавления также опираются на принципы психоакустической маскировки для подавления фонового шума при сохранении разборчивости речи.

Пример: Современные слуховые аппараты часто используют направленные микрофоны и передовую обработку сигналов для улучшения соотношения сигнал/шум в шумной обстановке, что облегчает пользователю восприятие речи.

Борьба с шумом и акустика окружающей среды

Психоакустика играет решающую роль в создании более тихих сред. Понимание того, как различные частоты и типы шума влияют на человеческое восприятие, позволяет инженерам и архитекторам разрабатывать эффективные стратегии снижения шума. Это включает в себя проектирование звуковых барьеров, выбор подходящих строительных материалов и внедрение мер по борьбе с шумом в городском планировании.

Пример: Проектирование более тихих офисных помещений с использованием звукопоглощающих материалов и внедрением систем звуковой маскировки, которые добавляют незаметный фоновый шум для снижения разборчивости разговоров.

Виртуальная (VR) и дополненная (AR) реальность

Создание иммерсивных и реалистичных слуховых сред имеет важное значение для VR и AR. Психоакустика используется для имитации пространственного слуха, позволяя пользователям воспринимать звуки так, как будто они исходят из определенных мест в виртуальном или дополненном мире. Это включает использование таких методов, как бинауральная запись и моделирование HRTF, для создания реалистичного 3D-аудио.

Пример: Разработка VR-игр, в которых звуки шагов и выстрелов точно отражают положение и движения игрока в виртуальной среде.

Распознавание и синтез речи

Психоакустика используется для повышения точности и естественности систем распознавания и синтеза речи. Понимание того, как люди воспринимают звуки речи, позволяет инженерам разрабатывать алгоритмы, более устойчивые к изменениям акцента, стиля речи и фонового шума. Это важно для таких приложений, как голосовые помощники, программное обеспечение для диктовки и системы языкового перевода.

Пример: Обучение моделей распознавания речи с использованием психоакустических признаков, которые менее чувствительны к изменениям в произношении, что делает модели более точными и надежными.

Автомобильная промышленность

Психоакустика применяется для оптимизации качества звука внутри автомобилей, снижения нежелательного шума и повышения воспринимаемого качества звуков двигателя и аудиосистем. Производители автомобилей тщательно проектируют слуховой опыт, чтобы обеспечить комфортную и приятную обстановку для водителей и пассажиров.

Пример: Проектирование электромобилей для создания искусственных звуков двигателя, которые воспринимаются как безопасные и обнадеживающие, при минимизации нежелательного шума от электродвигателя.

Психоакустическое моделирование

Психоакустическое моделирование включает создание вычислительных моделей, которые имитируют способ обработки звука слуховой системой человека. Эти модели могут использоваться для прогнозирования того, как будут восприниматься различные звуки, что полезно для разработки аудиокодеков, алгоритмов шумоподавления и слуховых аппаратов.

Типичная психоакустическая модель включает следующие этапы:

1. Спектральный анализ: Анализ частотного состава звука с использованием таких методов, как быстрое преобразование Фурье (FFT).
2. Анализ критических полос: Группировка частот в критические полосы для имитации частотной избирательности улитки.
3. Расчет порога маскировки: Оценка порога маскировки для каждой критической полосы на основе интенсивности и частоты маскирующих звуков.
4. Расчет перцептивной энтропии: Количественная оценка объема перцептивно значимой информации в звуке.

Будущие направления в психоакустике

Область психоакустики продолжает развиваться, что обусловлено технологическими достижениями и более глубоким пониманием слуховой системы. Некоторые перспективные области исследований включают:

• Персонализированное аудио: Разработка аудиосистем, которые адаптируются к слуховым характеристикам и предпочтениям отдельного слушателя.
• Интерфейсы «мозг-компьютер» (BCI): Использование BCI для прямого управления слуховым восприятием и создания новых форм слуховой коммуникации.
• Анализ слуховой сцены: Разработка алгоритмов, которые могут автоматически идентифицировать и разделять различные источники звука в сложной слуховой среде.
• Влияние шумового загрязнения на общее состояние здоровья и благополучие в городских условиях по всему миру.
• Кросс-культурные исследования звуковых предпочтений и восприятия, учитывающие разнообразные культурные особенности и их влияние на то, как звук интерпретируется и ценится. Например, сравнение музыкальных шкал и их эмоционального воздействия в разных культурах.

Заключение

Психоакустика — это увлекательная и сложная область, которая дает ценное представление о том, как мы воспринимаем звук. Её принципы применяются в широком спектре отраслей, от аудиоинженерии до технологий слуховых аппаратов, и продолжают формировать то, как мы взаимодействуем со звуком в нашей повседневной жизни. По мере развития технологий и углубления нашего понимания слуховой системы, психоакустика будет играть все более важную роль в создании иммерсивных, увлекательных и полезных слуховых впечатлений для всех.

Понимая нюансы того, как люди воспринимают звук, мы можем создавать более эффективные и приятные аудиовпечатления на различных платформах и в различных приложениях, в конечном итоге улучшая коммуникацию, развлечения и общее качество жизни.

Дополнительная литература:

• "Psychoacoustics: Introduction to Hearing and Sound" by Hugo Fastl and Eberhard Zwicker
• "Fundamentals of Musical Acoustics" by Arthur H. Benade
• The Journal of the Acoustical Society of America (JASA)