Наука психоакустики: як ми сприймаємо звук

Психоакустика — це галузь науки, що вивчає зв'язок між фізичними властивостями звуку та відчуттями й сприйняттями, які він викликає у людей. Вона заповнює прогалину між об'єктивними акустичними вимірюваннями та суб'єктивним досвідом слуху. По суті, вона ставить запитання: як наш мозок інтерпретує звуки, що досягають наших вух?

Чому психоакустика важлива?

Розуміння психоакустики має вирішальне значення в різних галузях, зокрема:

• Аудіоінженерія: Оптимізація якості звуку для записів, систем відтворення та аудіообладнання.
• Музичне виробництво: Створення емоційно насичених та захопливих музичних вражень.
• Розробка слухових апаратів: Проектування пристроїв, які ефективно та комфортно компенсують втрату слуху.
• Контроль шуму: Розробка стратегій для зменшення негативного впливу шумового забруднення на здоров'я та добробут.
• Розпізнавання та синтез мовлення: Поліпшення точності та природності мовленнєвих технологій.
• Віртуальна реальність (VR) та доповнена реальність (AR): Створення імерсивних та реалістичних слухових середовищ.
• Медична діагностика: Оцінка здоров'я слуху та діагностика слухових розладів.

Ключові принципи психоакустики

Існує кілька фундаментальних принципів, що визначають, як ми сприймаємо звук:

1. Частота та висота тону

Частота — це фізична міра того, скільки циклів звукової хвилі відбувається за секунду, вимірюється в герцах (Гц). Висота тону — це суб'єктивне сприйняття того, наскільки звук є «високим» або «низьким». Хоча вони тісно пов'язані, частота та висота тону не є тотожними. Наше сприйняття висоти тону не є лінійним; однакові інтервали частоти не обов'язково відповідають однаковим інтервалам сприйнятої висоти тону.

Приклад: Звукову хвилю з частотою 440 Гц зазвичай сприймають як музичну ноту ля першої октави (A4). Однак на сприйняту висоту тону можуть впливати й інші фактори, такі як гучність і маскування.

2. Амплітуда та гучність

Амплітуда — це фізична міра інтенсивності звукової хвилі. Гучність — це суб'єктивне сприйняття того, наскільки звук є «тихим» або «гучним». Амплітуда зазвичай вимірюється в децибелах (дБ) відносно еталонного тиску. Подібно до частоти та висоти тону, зв'язок між амплітудою та гучністю не є лінійним. Наші вуха більш чутливі до певних частот, ніж до інших.

Приклад: Збільшення на 10 дБ зазвичай відповідає сприйнятому подвоєнню гучності. Однак це наближене значення, і точний зв'язок залежить від частоти звуку.

3. Маскування

Маскування виникає, коли один звук ускладнює або унеможливлює почути інший звук. Це може статися, коли маскувальний звук гучніший, ближчий за частотою або з'являється трохи раніше за маскований звук. Маскування є критичним фактором в алгоритмах стиснення аудіо (наприклад, MP3) та техніках шумозаглушення.

Приклад: У галасливому ресторані буває важко почути розмову за вашим столом, оскільки фоновий шум маскує звуки мовлення.

4. Часові ефекти

Часові ефекти стосуються того, як наше сприйняття звуку змінюється з часом. До них належать:

• Часове маскування: Маскування, що відбувається до (попереднє маскування) або після (подальше маскування) маскувального звуку. Попереднє маскування зазвичай слабше, ніж подальше.
• Слухова інтеграція: Наша здатність об'єднувати короткі звукові спалахи в єдине цілісне сприйняття.
• Виявлення пауз: Наша здатність виявляти короткі моменти тиші в безперервному звуці.

Приклад: Гучний клацаючий звук може на мить замаскувати тихіший звук, що з'являється невдовзі після нього (подальше маскування), навіть якщо тихіший звук був добре чутний до клацання.

5. Просторовий слух

Просторовий слух — це наша здатність локалізувати звуки в просторі. Це залежить від кількох ознак, зокрема:

• Міжвушна різниця часу (ITD): Різниця в часі надходження звуку до двох вух.
• Міжвушна різниця рівнів (ILD): Різниця в інтенсивності звуку в двох вухах.
• Передавальна функція голови (HRTF): Фільтрувальний ефект голови, тулуба та зовнішніх вух на звукові хвилі.

Приклад: Зазвичай ми можемо визначити, чи йде звук зліва чи справа, за невеликою різницею в часі його надходження до кожного вуха (ITD) та різницею в гучності між двома вухами (ILD).

6. Критичні смуги

Критична смуга — це поняття, що описує діапазон частот, у межах якого звуки взаємодіють один з одним у завитці. Звуки в одній критичній смузі з більшою ймовірністю маскуватимуть один одного, ніж звуки в різних критичних смугах. Ширина критичних смуг змінюється залежно від частоти, будучи вужчою на низьких частотах і ширшою на високих.

Приклад: Два тони, близькі за частотою, створюватимуть ефект биття і маскуватимуть один одного сильніше, ніж два тони, далекі один від одного за частотою.

7. Слухові ілюзії

Слухові ілюзії — це випадки, коли наше сприйняття звуку відхиляється від фізичної реальності. Ці ілюзії демонструють складні процеси обробки, що відбуваються в слуховій системі та мозку.

Приклади:

• Тон Шепарда: Звук, що складається з суперпозиції синусоїдальних хвиль, розділених октавами. При певному поданні він створює слухову ілюзію тону, що постійно підвищується або знижується.
• Ефект Макгерка: Хоча це переважно зорова ілюзія, вона суттєво впливає на слухове сприйняття. Коли людина бачить відео, де хтось вимовляє один склад (наприклад, «га»), а чує інший (наприклад, «ба»), вона може сприйняти третій склад (наприклад, «да»). Це демонструє, як візуальна інформація може впливати на слухове сприйняття.
• Ілюзія відсутньої основної частоти: Сприйняття висоти тону основної частоти, навіть коли вона фізично відсутня у звуці.

Практичне застосування психоакустики

Принципи психоакустики застосовуються в широкому спектрі галузей:

Аудіоінженерія та музичне виробництво

Психоакустика лежить в основі рішень щодо зведення, мастерингу та обробки аудіо. Інженери використовують такі методи, як еквалізація, компресія та реверберація, щоб сформувати звук таким чином, щоб слухачі сприймали його як приємний та вражаючий. Розуміння ефектів маскування дозволяє інженерам створювати мікси, де всі інструменти чутні та чіткі, навіть коли кілька інструментів грають у схожих частотних діапазонах. Враховуються середовища прослуховування, будь то навушники, автомобільні аудіосистеми чи домашні кінотеатри.

Приклад: Використання психоакустичного маскування для стиснення аудіофайлів (наприклад, MP3) шляхом видалення менш чутних частот без значного погіршення сприйнятої якості звуку.

Технології слухових апаратів

Слухові апарати призначені для посилення звуків, які важко почути людям з втратою слуху. Психоакустика використовується для розробки алгоритмів, що вибірково посилюють певні частоти на основі слухового профілю людини. Алгоритми шумозаглушення також спираються на принципи психоакустичного маскування для придушення фонового шуму при збереженні розбірливості мови.

Приклад: Сучасні слухові апарати часто використовують спрямовані мікрофони та вдосконалену обробку сигналів для покращення співвідношення сигнал/шум у галасливих середовищах, що полегшує користувачеві сприйняття мови.

Контроль шуму та екологічна акустика

Психоакустика відіграє вирішальну роль у проектуванні тихіших середовищ. Розуміння того, як різні частоти та типи шуму впливають на сприйняття людини, дозволяє інженерам та архітекторам розробляти ефективні стратегії шумозаглушення. Це включає проектування звукових бар'єрів, вибір відповідних будівельних матеріалів та впровадження заходів контролю шуму в міському плануванні.

Приклад: Проектування тихіших офісних приміщень за допомогою звукопоглинальних матеріалів та впровадження систем звукового маскування, які додають ледь помітний фоновий шум для зменшення розбірливості розмов.

Віртуальна реальність (VR) та доповнена реальність (AR)

Створення імерсивних та реалістичних слухових середовищ є важливим для досвіду VR та AR. Психоакустика використовується для симуляції просторового слуху, дозволяючи користувачам сприймати звуки так, ніби вони надходять з певних місць у віртуальному або доповненому світі. Це включає використання таких технік, як бінауральний запис та моделювання HRTF для створення реалістичного 3D-аудіо.

Приклад: Розробка VR-ігор, де звуки кроків та пострілів точно відображають положення та рухи гравця у віртуальному середовищі.

Розпізнавання та синтез мовлення

Психоакустика використовується для покращення точності та природності систем розпізнавання та синтезу мовлення. Розуміння того, як люди сприймають звуки мови, дозволяє інженерам розробляти алгоритми, більш стійкі до варіацій акценту, стилю мовлення та фонового шуму. Це важливо для таких застосувань, як голосові асистенти, програмне забезпечення для диктування та системи перекладу мов.

Приклад: Навчання моделей розпізнавання мови з використанням психоакустичних ознак, менш чутливих до варіацій вимови, що робить моделі точнішими та надійнішими.

Автомобільна промисловість

Психоакустика застосовується для оптимізації якості звуку всередині автомобілів, зменшення небажаного шуму та покращення сприйнятої якості звуків двигуна та аудіосистем. Автовиробники ретельно розробляють слуховий досвід, щоб забезпечити комфортне та приємне середовище для водіїв та пасажирів.

Приклад: Проектування електромобілів для створення штучних звуків двигуна, які сприймаються як безпечні та заспокійливі, при мінімізації небажаного шуму від електродвигуна.

Психоакустичне моделювання

Психоакустичне моделювання — це створення обчислювальних моделей, що імітують спосіб обробки звуку слуховою системою людини. Ці моделі можна використовувати для прогнозування того, як будуть сприйматися різні звуки, що корисно для розробки аудіокодеків, алгоритмів шумозаглушення та слухових апаратів.

Типова психоакустична модель включає наступні етапи:

1. Спектральний аналіз: Аналіз частотного вмісту звуку за допомогою таких технік, як Швидке перетворення Фур'є (FFT).
2. Аналіз критичних смуг: Групування частот у критичні смуги для імітації частотної вибірковості завитки.
3. Розрахунок порогу маскування: Оцінка порогу маскування для кожної критичної смуги на основі інтенсивності та частоти маскувальних звуків.
4. Розрахунок перцептивної ентропії: Кількісна оцінка обсягу перцептивно значущої інформації у звуці.

Майбутні напрямки в психоакустиці

Галузь психоакустики продовжує розвиватися, що зумовлено технологічними досягненнями та глибшим розумінням слухової системи. Деякі перспективні напрямки досліджень включають:

• Персоналізоване аудіо: Розробка аудіосистем, що адаптуються до слухових характеристик та уподобань конкретного слухача.
• Інтерфейси «мозок-комп'ютер» (BCI): Використання BCI для безпосереднього маніпулювання слуховим сприйняттям та створення нових форм слухової комунікації.
• Аналіз слухової сцени: Розробка алгоритмів, здатних автоматично ідентифікувати та розділяти різні джерела звуку в складному слуховому середовищі.
• Вплив шумового забруднення на загальне здоров'я та добробут у міських середовищах по всьому світу.
• Міжкультурні дослідження звукових уподобань та сприйняття з урахуванням різноманітних культурних особливостей та їхнього впливу на те, як звук інтерпретується та цінується. Наприклад, порівняння музичних гам та їхнього емоційного впливу в різних культурах.

Висновок

Психоакустика — це захоплива та складна галузь, що дає цінне уявлення про те, як ми сприймаємо звук. Її принципи застосовуються в широкому спектрі галузей, від аудіоінженерії до технологій слухових апаратів, і продовжують формувати спосіб нашої взаємодії зі звуком у повсякденному житті. З розвитком технологій та поглибленням нашого розуміння слухової системи, психоакустика відіграватиме все більш важливу роль у створенні імерсивних, захопливих та корисних слухових вражень для всіх.

Розуміючи нюанси того, як люди сприймають звук, ми можемо створювати ефективніші та приємніші аудіовраження на різних платформах і в різних додатках, зрештою покращуючи комунікацію, розваги та загальну якість життя.

Додаткова література:

• «Психоакустика: Вступ до слуху та звуку» Гюго Фастла та Ебергарда Цвіккера
• «Основи музичної акустики» Артура Г. Бенада
• Журнал Акустичного товариства Америки (JASA)