Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Введение
В аудиологии и психоакустике понятие критических полос, введенное Харви Флетчером в 1933 году и уточненное в 1940 году, описывает полосу частот "слухового фильтра", создаваемого кохлеей – органом слуха во внутреннем ухе. Приблизительно, критическая полоса – это диапазон звуковых частот, в пределах которого второй тон будет мешать восприятию первого тона посредством слухового маскирования. Психофизиологически, ощущения биений и слуховой шероховатости могут быть связаны с неспособностью механизма частотного анализа слуха различать сигналы, частотное различие между которыми меньше критической полосы, и с возникающей нерегулярной "стимуляцией" механической системы (базилярной мембраны), которая резонирует в ответ на такие сигналы. Критические полосы также тесно связаны с явлениями слухового маскирования – уменьшением слышимости звукового сигнала в присутствии другого сигнала большей интенсивности в той же критической полосе. Явления маскирования имеют широкие последствия, от сложной взаимосвязи между громкостью (перцептивным ориентиром) и интенсивностью (физическим ориентиром) до алгоритмов сжатия звука.
In audiology and psychoacoustics the concept of critical bands, introduced by Harvey Fletcher in 1933 and refined in 1940, describes the frequency bandwidth of the "auditory filter" created by the cochlea, the sense organ of hearing within the inner ear. Roughly, the critical band is the band of audio frequencies within which a second tone will interfere with the perception of the first tone by auditory masking. Psychophysiologically, beating and auditory roughness sensations can be linked to the inability of the auditory frequency analysis mechanism to resolve inputs whose frequency difference is smaller than the critical bandwidth and to the resulting irregular "tickling" of the mechanical system (basilar membrane) that resonates in response to such inputs. Critical bands are also closely related to auditory masking phenomena – reduced audibility of a sound signal when in the presence of a second signal of higher intensity within the same critical band. Masking phenomena have wide implications, ranging from a complex relationship between loudness (perceptual frame of reference) and intensity (physical frame of reference) to sound compression algorithms.
Аудиторные фильтры
Фильтры используются во многих областях аудиологии и психоакустики, включая периферическую слуховую систему. Фильтр – это устройство, которое усиливает определенные частоты и ослабляет другие. В частности, полосно-пропускной фильтр пропускает диапазон частот в пределах полосы пропускания, блокируя частоты за пределами граничных частот. Форма и организация базилярной мембраны обуславливают то, что разные частоты резонируют особенно сильно в разных точках вдоль мембраны. Это приводит к тонотопической организации чувствительности к частотным диапазонам вдоль мембраны, которую можно смоделировать как набор перекрывающихся полосно-пропускных фильтров, известных как «слуховые фильтры». Слуховые фильтры связаны с точками вдоль базилярной мембраны и определяют частотную селективность улитки, а следовательно, и способность слушателя различать различные звуки. Они нелинейны, зависят от уровня сигнала, а их полоса пропускания уменьшается от основания к вершине улитки по мере изменения настройки базилярной мембраны от высоких к низким частотам. Полоса пропускания слухового фильтра называется критической полосой, как впервые предложил Флетчер (1940). Если сигнал и маскиратор подаются одновременно, то в маскировку сигнала вносят вклад только частоты маскиратора, попадающие в критическую полосу. Чем шире критическая полоса, тем ниже отношение сигнал/шум (SNR) и тем сильнее маскируется сигнал. Считается, что эти два свойства слухового фильтра способствуют восходящему распространению маскировки, то есть низкие частоты маскируют высокие лучше, чем наоборот. Увеличение уровня сигнала делает низкочастотный склон более пологим, увеличивая его амплитуду, что приводит к более сильной маскировке высоких частот низкими, чем при более низком уровне входного сигнала. Слуховой фильтр может уменьшить влияние маскиратора при прослушивании сигнала в фоновом шуме, используя прослушивание вне центральной частоты. Это возможно, когда центральная частота маскиратора отличается от частоты сигнала. В большинстве случаев слушатель выбирает слушать «через» слуховой фильтр, настроенный на сигнал, однако в присутствии маскиратора это может быть не оптимально. Слуховой фильтр, настроенный на сигнал, также может содержать значительное количество маскиратора, что приводит к низкому SNR фильтра и снижению способности слушателя обнаруживать сигнал. Однако, если слушатель слушает через немного другой фильтр, который все еще содержит существенное количество сигнала, но меньше маскиратора, SNR увеличивается, что позволяет слушателю обнаруживать сигнал. Слуховой фильтр у людей с нарушением слуха более плоский и широкий, чем у людей с нормальным слухом. Это связано с тем, что частотная селективность и настройка базилярной мембраны снижаются из-за повреждения наружных волосковых клеток. Когда повреждены только наружные волосковые клетки, фильтр расширяется на низкочастотной стороне. Когда повреждены как наружные, так и внутренние волосковые клетки, фильтр расширяется с обеих сторон. Это встречается реже. Расширение слухового фильтра происходит преимущественно на низкочастотной стороне, что повышает восприимчивость к маскировке низкими частотами, то есть к восходящему распространению маскировки, как описано выше.
Filters are used in many aspects of audiology and psychoacoustics including the peripheral auditory system. A filter is a device that boosts certain frequencies and attenuates others. In particular, a band pass filter allows a range of frequencies within the bandwidth to pass through while stopping those outside the cut off frequencies. The shape and organization of the basilar membrane means that different frequencies resonate particularly strongly at different points along the membrane. This leads to a tonotopic organisation of the sensitivity to frequency ranges along the membrane, which can be modeled as being an array of overlapping band pass filters known as "auditory filters". The auditory filters are associated with points along the basilar membrane and determine the frequency selectivity of the cochlea, and therefore the listener's discrimination between different sounds. They are non linear, level dependent and the bandwidth decreases from the base to apex of the cochlea as the tuning on the basilar membrane changes from high to low frequency. The bandwidth of the auditory filter is called the critical bandwidth, as first suggested by Fletcher (1940). If a signal and masker are presented simultaneously then only the masker frequencies falling within the critical bandwidth contribute to masking of the signal. The larger the critical bandwidth the lower the signal to noise ratio (SNR) and the more the signal is masked. These two properties of the auditory filter are thought to contribute to the upward spread of masking, that is low frequencies mask high frequencies better than the reverse. As increasing the level makes the low frequency slope shallower, by increasing its amplitude, low frequencies mask high frequencies more than at a lower input level. The auditory filter can reduce the effects of a masker when listening to a signal in background noise using off frequency listening. This is possible when the centre frequency of the masker is different from that of the signal. In most situations the listener chooses to listen 'through' the auditory filter that is centred on the signal however if there is a masker present this may not be appropriate. The auditory filter centred on the signal may also contain a large amount of masker causing the SNR of the filter to be low and decreasing the listeners ability to detect the signal. However, if the listener listened through a slightly different filter that still contained a substantial amount of signal but less masker, the SNR is increased, allowing the listener to detect the signal. The auditory filter of an impaired ear is flatter and broader compared to a normal ear. This is because the frequency selectivity and the tuning of the basilar membrane is reduced as the outer hair cells are damaged. When only the outer hair cells are damaged the filter is broader on the low frequency side. When both the outer and inner hair cells are damaged the filter is broader on both sides. This is less common. The broadening of the auditory filter is mainly on the low frequency side of the filter. This increases susceptibility to low frequency masking i. e. upward spread of masking as described above.