2 курс / Нормальная физиология / Физиология_речи_Восприятие_речи_человеком_Чистович_Л_А_
.pdf11.2. АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СИСТЕМЫ СЛУХОВОЙ ОБРАБОТКИ ОГИБАЮЩЕЙ
В том случае, если обработка огибающей осуществля ется с помощью одного полосового фильтра, определение пара метров этого фильтра не представляет трудностей. Достаточно определить экспериментальную зависимость порогового коэф фициента синусоидальной амплитудной модуляции от частоты модуляции и рассматривать эту зависимость как амплитудно-ча стотную характеристику фильтра, полученную пороговым методом.
Однако, во-первых, не исключено, что на низких частотах модуляции человек обнаруживает модуляцию или путем слеже ния за громкостью, или, например, путем сравнения значений громкости через определенные интервалы времени. Наличие та кого дополнительного механизма, естественно, не позволит обна ружить низкочастотный склон амплитудно-частотной характери стики фильтра. К интересующему нас фильтру будет относиться только высокочастотный склон зависимости порогового коэффи циента модуляции от частоты.
Во-вторых, возможно, что система обработки огибающей со стоит из нескольких полосовых фильтров. Тогда, измеряя зависи мость порогового коэффициента модуляции от частоты, в лучшем случае можно получить только высокочастотный склон для самого высокочастотного из этих фильтров.
Допустим, что выходные сигналы разных фильтров анали затора огибающей соответствуют разным субъективным призна кам сигнала (хриплости, [rj-образности). Тогда можно восполь зоваться тем, что при изменении частоты модуляции характер восприятия отчетливо меняется. При средних частотах модуляция воспринимается как [г]-образный звук, при высоких — как хрип лость в случае тональной несущей и как жужжание в случае шума. Следовательно, можно определить зависимости порогового коэффициента модуляции от частоты модуляции для разных кри териев. Если наше допущение было верным, мы для разных кри териев получим зависимости разной формы, соответствующие амплитудно-частотным характеристикам разных фильтров. Если же, например, в системе обработки огибающей стоит только один фильтр, а разные критерии соответствуют просто разным значениям порога на выходе, должны получиться зависимости одинаковой формы, но сдвинутые по оси коэффициентов модуляции.
Используя разные критерии, можно определить амплитудночастотные характеристики и другим методом — измеряя коэф фициент модуляции, соответствующий равной «мощности» опре деленного признака звука при разных частотах модуляции.
Заметим, что при определении амплитудно-частотных харак теристик мы пренебрегаем нелинейностью системы обработки оги бающей и считаем пороги, стоящие на выходах фильтров, посто янными.
281
11.2.1. АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ, ОПРЕДЕЛЕННЫЕ ПО ПОРОГАМ ОБНАРУЖЕНИЯ
МОДУЛЯЦИИ ДЛЯ РАЗНЫХ КРИТЕРИЕВ
Наиболее удобным сигналом для исследования инте ресующих нас характеристик является синусоидально-модули- рованный белый шум. Дело в том, что в случае тональной несущей амплитудная модуляция может обнаруживаться за счет изме нений в спектре сигнала.
В работе [116] были получены зависимости порогового коэффи циента модуляции от частоты модуляции как для тонов, так и для шума. Все эти зависимости имеют минимум в районе 4 Гц, затем пороговые коэффициенты модуляции увеличиваются при повышении частоты. Для тональных несущих при достаточно вы соких частотах модуляции пороговые коэффициенты модуляции
Рис. 11.3. Порог восприятия ам плитудной модуляции шума и по рог восприятия [г] как функция частоты модуляции.
Ло оси абсцисс — частота модуляции;
по оси ординат — отношение порого вого коэффициента модуляции к мини
мальному пороговому коэффициенту модуляции. Точки — порог восприятия амплитудной модуляции I56], кре стики — порог восприятия амплитуд
ной модуляции (данные И. Чистович и Мушникова), кружки — порог вос приятия [г], кривая — порог восприя тия амплитудной модуляции [146].
Для порога восприятия [г] за т0 принята та же величина, что и для по
рога восприятия модуляции по дан ным И. Чистович и Мушникова.
начинают опять убывать, для шума же зависимость оказывается монотонной. Объясняется это различие тем, что в случае тональ ной несущей при достаточно высоких частотах модуляции начи нают восприниматься боковые составляющие спектра; в случае шума эти составляющие замаскированы.
Кривая [145] для шума (рис. 11.3) оказалась очень близкой к зависимости порога восприятия хриплости амплитудно-моду лированного тона от частоты модуляции, полученной в работе [502]. Поскольку в работе [501] показано, что восприятие хриплости определяется только наличием флюктуаций огибающей в частотном канале, а спектральные изменения для восприятия хриплости несущественны, можно заключить, что так же обстоит дело и при восприятии амплитудной модуляции шума. Поэтому в дальнейшем мы будем пользоваться в основном данными, полученными на шу мовых сигналах.
На рис. 11.3 показаны зависимости порогового коэффициента модуляции от частоты модуляции для белого шума, полученные
282
вработе [563 и в экспериментах И. Чистович и Мушникова. В ра боте [58] использовался шум с уровнем звукового давления 76 дБ,
вэкспериментах И. Чистович и Мушникова — с уровнем ощуще ния 40 дБ.
Из рис. 11.3 видно, что данные, полученные в этих работах, очень близки друг к другу и существенно отличаются от резуль
татов I145], показанных на рис. 11.3 непрерывной кривой. Это различие объясняется, возможно, тем, что, как показано в ра ботах [б6, 105], наклон высокочастотной части зависимости поро гового коэффициента модуляции от частоты уменьшается с тре нировкой испытуемых; возможно также, что в работе [145] раз ные испытуемые пользовались разными критериями обнаруже ния модуляции.
В экспериментах И. Чистович и Мушникова была сделана попытка измерить на тех же самых испытуемых пороговые коэф фициенты модуляции и для второго критерия — появления [г]. Испытуемые уверенно пользовались этим критерием, разброс данных оказался небольшим. Результаты показаны на рис. 11.3.
Из рис. 11.3 видно, что при использовании разных критериев получаются различные амплитудно-частотные характеристики. Для порога обнаружения модуляции спад характеристики в сто рону высоких частот близок к 3 дБ/окт. Для порога обнаруже ния [г] спад характеристики в сторону высоких частот равен примерно 11 дБ/окт.
Следовательно, нельзя думать, что разные критерии соответ ствуют просто разным порогам на выходе фильтра системы об работки огибающей. Видимо, правильным было предположение, что в систему обработки огибающей входит несколько фильтров.
11.2.2. АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ, ПОЛУЧЕННЫЕ МЕТОДОМ УРАВНИВАНИЯ «МОЩНОСТИ» КРИТЕРИЯ
При определении амплитудно-частотных характерис тик фильтров огибающей этим методом принимается, что каждому критерию соответствует свой фильтр и что стимулы равны по «мощ ности» данного критерия (по величине хриплости или [г]), если равны амплитуды выходных сигналов фильтра.
Данные по уравниванию величины хриплости были получены в работах р00514К В этих работах использовалась следующая методика: сравнивались две посылки амплитудно-модулирован ного тона при одинаковой частоте несущей /в; частота модуляции первой посылки /м задавалась экспериментатором, коэффициент модуляции т1=1; частота модуляции второй посылки выбира лась так, чтобы обеспечить максимальную хриплость (по дан ным [б0°], частота модуляции, дающая максимальную хриплость,
растет с увеличением /„ до 2 кГц, при /„ |
2 кГц эта частота по |
стоянна и равна 75 Гц). Коэффициент |
модуляции второй по- |
|
аяз |
сылки m2 устанавливался испытуемым так, чтобы посылки были равны по хриплости. На рис. 11.4 приведена зависимость 201g(l/m,) от/м, полученная в работе [514] для/„=2 кГц. Заметим, что эта зависимость не является, строго говоря, амплитудночастотной характеристикой «фильтра хриплости», так как субъек тивная величина хриплости нелинейно зависит от коэффициента модуляции т входного сигнала (по данным [50°] величина хрип лости пропорциональна т\ по данным [514] — zn1-5). Однако вноси мые этой нелинейностью искажения невелики, и можно считать,
Рис. 11.4. Амплитудно-частотные характеристики «фильтра [г]» п «фильтра хриплости».
По оси абсиисс — частота модуляции; 710 оси ординат — 20 lg (m2/msW^) для
кривой 7, 20 lg (1/т2} для кривой 2. Разные кривые получены разными
методами: 1 — уравнивание «мощности»
[г] (данные |
Жуковой, Столяровой и |
И. Чистович), |
2 — уравнивание вели |
чины |
хриплости [514]. |
что зависимость с достаточной степенью приближения отражает амплитудно-частотную характеристику «фильтра хриплости».
Данные по уравниванию «мощности» [г] были получены в экс перименте Жуковой, Столяровой и И. Чистович. В этом экспе рименте стимул представлял собой две посылки белого шума, разделенные паузой. Средняя часть каждой посылки модулирова лась пятью периодами синусоиды. Частота модуляции первой посылки — 30 Гц, коэффициент модуляции т1=0.4. Частота моду ляции второй посылки /„ задавалась экспериментатором, испытуе мый подбирал такой коэффициент модуляции второй посылки т2, чтобы посылки были равны по «мощности» [г]. Результаты приве дены на рис. 11.4. Из рисунка видно, что при использовании метода равной «мощности» критерия получаются, как и предполагалось, два полосовых фильтра, причем «фильтр [г!» оказывается сущест венно более низкочастотным, чем «фильтр хриплости».
11.2.3. ВЫХОДНЫЕ ПОРОГОВЫЕ УСТРОЙСТВА
СИСТЕМЫ ОБРАБОТКИ ОГИБАЮЩЕЙ
При обсуждении данных по обнаружению амплитуд ной модуляции мы предполагали, что модуляция обнаруживается, если выходной сигнал некоторого полосового фильтра превосходит постоянный порог. Однако естественно ожидать, что значения порога случайно флюктуируют. В таком случае описанные выше зависимости порогового коэффициента модуляции от частоты будут отражать свойства не только фильтра, но и порогового
284
F
устройства. Если критерием обнаружения модуляции является хотя бы одно пересечение порога, то пороговый коэффициент мо дуляции должен уменьшаться при увеличении числа периодов модулирующего сигнала (так как вероятность пересечения будет возрастать за счет флюктуаций порога).
Зависимость порогового коэффициента модуляции от числа периодов модулирующей синусоиды была получена в работе [41в]. Сигнал представлял собой посылку белого шума длительностью 800 мс. Начало и конец посылки были стационарными, середина модулировалась несколькими периодами синусоиды. Число пе риодов п и частота модуляции /„ задавались экспериментатором, испытуемый устанавливал такой коэффициент модуляции т, при котором он начинал слышать неравномерность в сигнале. Дли тельность первого стационарного участка стимула была равна 200 мс (для случая п=14 и /м=30 Гц — 100 мс). Уровень ощущения сигнала был равен 60 дБ. На рис. 11.5 показаны полученные зависимости порогового коэффициента модуляции от числа перио дов модулирующей синусоиды при постоянной частоте модуляции. Эти зависимости хорошо аппроксимируются прямыми с наклоном 3 дБ/окт. Следовательно, пороговый коэффициент модуляции обратно пропорционален корню квадратному из числа периодов при любой фиксированной частоте модуляции. Зависимость эта не меняет характера даже при очень больших длительностях Т модулированного участка сигнала (Г=460 мс при п=14, /м= =30 Гц).
Вообще говоря, пороговый коэффициент модуляции может уменьшаться при увеличении числа периодов и за счет переходного процесса в фильтре. Однако из данных, приведенных в работе [52], следует, что длительность переходного процесса не должна пре вышать 100 мс. В работе [52] сигнал представлял собой посылку белого шума длительностью 600 мс. Внутри посылки (через 200 мс от ее начала) помещались две паузы. Длительность одной из пауз постоянна, £„ = 1.6 мс. Экспериментатор задавал интервал между паузами (t). Испытуемый должен был установить такую длитель ность другой паузы (Ч), при которой он начинал слышать нерав номерность в сигнале. Оказалось, что при увеличении t примерно до 25 мс Ч растет, затем при £=35 мс наблюдается ее небольшой минимум, при t )> 100 мс tx остается постоянной.
Следовательно, уменьшение порогового коэффициента модуля ции в работе [419] не может быть вызвано только переходным про цессом в фильтре, так как это уменьшение наблюдается до Т= =460 мс. Видимо, действительно, вероятность превышения по рога выходным сигналом фильтра увеличивается при увеличении числа периодов модулирующего сигнала либо из-за случайного характера использованного в экспериментах сигнала (белый шум), либо из-за флюктуаций порога.
На рис. 11.6 показаны зависимости порогового коэффициента модуляции от частоты при постоянном числе периодов модулирую-
285
щей синусоиды [419L Можно видеть, что эти зависимости неплохо аппроксимируются прямыми с наклоном 6 дБ/окт. Из рис. 11.5 и 11.6 следует, что весь набор полученных в работе [419] данных описывается формулой т = где а = const.
Если бы зависимость порогового коэффициента модуляции от частоты измерялась при постоянной длительности Т модулированого участка вместо постоянного числа периодов, то эта фор мула должна была бы иметь вид m = a\jjjT, т. е. наклон зави симости в сторону высоких частот должен был бы быть равен 3 дБ/окт. Заметим, что наклон зависимостей порогового коэф фициента модуляции от частоты для случая длительной модуля ции действительно близок к 3 дБ/окт (см. рис. 11.3). Таким обра зом, данные [419] не противоречат другим данным по пороговым коэффициентам модуляции, если допустить, что система обработки огибающей включает в себя флюктуирующие пороги.
Интересно сравнить полученные в работе [419] зависимости порогового коэффициента модуляции от числа периодов с данными Фогеля [514] для надпороговых величин хриплости. В экспери менте Фогеля уравнивались по хриплости два сигнала с одина ковой частотой несущей (2 кГц), одинаковой частотой модуляции (/м) и примерно одинаковой громкостью. Разница между'сигналами заключалась в том, что стандарт имел значительную длительность, соответствующую не менее чем 20 периодам модуляции, а дли тельность теста изменялась так, чтобы он содержал разное (целое) число периодов модуляции (пт). Коэффициент модуляции теста был постоянным (тт=0.8). Испытуемый подбирал такой коэф фициент модуляции стандарта т0, чтобы тест и стандарт были равны по хриплости.
Результаты показаны на рис. 11.7. Можно видеть, что та прак тически не зависит от пт, слабая зависимость наблюдается только при /м=150 Гц. Таким образом, если предположение о существо вании флюктуирующих порогов и верно, эти флюктуации не сказываются при измерении надпороговых величин хрип лости.
Перейдем теперь к вопросу о том, сколько порогов стоит на выходе каждого фильтра анализатора огибающей. Поскольку человек обнаруживает как возрастание, так и убывание огибаю щей сигнала, естественно допустить, что выходные сигналы филь тров сравниваются с двумя порогами — положительным и отри цательным. Проверить это допущение можно, исследуя восприятие сигналов, модулированных положительным и отрицательным полупериодами синусоиды. Если в системе обработки огибающей стоят пороги только одного знака, то сигналы, модулированные поло жительным и отрицательным полупериодами, должны либо вообще не различаться человеком, либо различаться только по «мощности» неравномерности в сигнале; значения коэффициента модуляции, соответствующие порогу обнаружения неравномерности в сиг-
Рис. 11.5. Зависимость порога восприятия амплитудной модуляции от числа периодов модулирующей синусоиды. По [419].
По оси абсцисс — число периодов; по оси ординат — пороговый коэффициент модуляции. Параметр — частота модуляции: 1 — 30, 2 — 50, 3 — 70, 4 — 100, 5 — 150 Гц.
Рис. 11.6. Зависимость порога восприятия амплитудной модуляции от ча стоты модуляции. По [419].
По оси абсцисс — частота модуляции; по оси ординат — величина, обратная пороговому
коэффициенту модуляции. Параметр — число периодов модулирующей синусоиды: 1 —
1, 2 — 2, 3 — li, 4 — 6, 5 — 8, 6 — 10, 7 — 12, 8 — 14.
Рис. 11.7. Коэффициент модуляции сигнала-стандарта как функция от числа периодов (н,г) синусоиды, модулирующей сигнал-тест. По [514].
По оси абсцисс — число периодов; по оси ординат — коэффициент модуляции стандарта, соответствующий равной хриплости теста и стандарта. Параметр — частота модуляции:
точки — 30, крестики — 100, кружки — 150 Гц. .
Рис. 11.8. Порог восприятия амплитудной модуляции как функция частоты модулирующей синусоиды.
По оси абсцисс — частота модулирующей синусоиды; по оси ординат — отношение поро гового коэффициента модуляции к минимальному пороговому коэффициенту модуляции.
Огибающие стимулов показаны в верхней части рисунка.
нале, должны в таком случае оказаться существенно различными для положительных и отрицательных нолупериодов.
Восприятие сигналов с такими огибающими исследовалось в экспериментах И. Чистович и Мушникова. Стимул в этих экспе риментах представлял собой непрерывный белый шум. Использо вались четыре варианта огибающей, показанные на рис. 11.8 вверху. Переменная составляющая огибающей подавалась перио дически, примерно раз в 1.5 с. Специальный эксперимент показал, что испытуемые безошибочно различают стимулы, модулирован ные положительным и отрицательным полупериодами (при коэф фициенте модуляции п?=0.8). В основном эксперименте были получены зависимости порогового коэффициента модуляции от частоты модуляции для всех четырех форм огибающей. Экспери ментатор задавал частоту модулирующей синусоиды, испытуемый устанавливал такой коэффициент модуляции, при котором он начинал слышать неравномерность в сигнале.
На рис. 11.8 приведены результаты, полученные при уровне ощущения шума Л=40 дБ. Пороговый коэффициент модуляции представлен в дБ от его минимального значения (то=0.138 при /И=Ю Гц).
Из рис. 11.8 видно, что при /м < 80 Гц пороговые коэффици енты модуляции для положительного и отрицательного полупериодов практически одинаковы. Это подтверждает предположе ние, что на выходах фильтров огибающей стоят и положительные, и отрицательные пороги, причем равные по абсолютной величине. < : Из рис. 11.8 видно также, что пороговый коэффициент модуля ции для половины периода оказался примерно на 3 дБ больше, чем для целого периода. Этот факт, как и приведенные выше дан ные [41в], объясняется, вероятно, случайными флюктуациями порогов.
11.3. СВЯЗЬ АНАЛИЗАТОРА ОГИБАЮЩЕЙ
СЧАСТОТНЫМ КАНАЛОМ ПЕРИФЕРИЧЕСКОЙ СЛУХОВОЙ СИСТЕМЫ
В разделе 11.1 было высказано предположение, что существует набор анализаторов огибающей, причем каждый из них производит обработку информации в локальном участке спектра, т. е. входным сигналом t-того анализатора является gf (t) — плотность импульсации в t-том частотном канале пери ферической слуховой системы. Это предположение основано на электрофизиологических данных (см. главу 9), а также на том факте, что восприятие хриплости определяется флюктуациями огибающей сигнала в частотном канале [б01].
В таком случае на восприятии амплитудно-модулированных сигналов должно сказываться сглаживание этих сигналов филь трами улитки. Естественно ожидать, что влияние фильтров улитки будет тем сильнее, чем ниже частота несущей, так как ширина
238
полосы фильтров улитки уменьшается с понижением характери стической (резонансной) частоты (см. главу 7). При достаточно высоких частотах несущей, когда ширина полосы фильтров улитки существенно превышает частоту среза фильтров анализатора оги бающей, восприятие'амплитудно-модулированных сигналов-должно определяться только характеристиками фильтров анализатора огибающей. Следовательно, в тех случаях, когда сигнал обраба тывается «фильтром хриплости», влияние фильтров улитки должно распространяться на более высокие частоты несущей, чем для «фильтра [г]».
Результаты психоакустических экспериментов по восприятию амплитудно-модулированных сигналов вполне согласуются с при веденными рассуждениями. Исследование восприятия хриплости синусоидально-модулированных тонов показало, что как частота модуляции, соответствующая максимальной хриплости сигнала, так и максимальная частота модуляции, при которой еще воспри нимается хриплость, увеличиваются с увеличением частоты не сущей до 2 кГц [500, 501].
С другой стороны, в главе 6 показано, что минимальный интер вал времени между началом стимула и ступенчатым приращением, при котором воспринимается неравномерность начала стимула (или начальный согласный), зависит от частоты несущей всего до 500 Гц.
В работе [62] исследовалась зависимость длительности мини мальной воспринимаемой паузы от частоты несущей. Стимулами являлись посылки тона длительностью 600 мс с уровнем ощуще ния 40 дБ. Пауза переменной длительности находилась примерно на середине посылки. Испытуемые использовали следующий кри терий обнаружения паузы: пауза считалась существующей, если смещение ее внутри стимула приводило к перемещению ударения с одного отрезка звука на другой.
Испытуемые отмечали, что эффект перемещения ударения наблю дался тогда, когда пауза воспринималась как согласный [г]. При исчезновении [г] сохранялось восприятие щелчка, действую щего на фоне непрерывного тона (в дальнейшем мы будем называть паузу, воспринимаемую как [г], [г]-паузой). Полученные данные приведены на рис. 11.9. Можно видеть, что значение пороговой паузы отчетливо возрастает на частотах ниже 500 Гц.
Тот факт, что [г]-пауза обнаруживается только в случае суще ствования паузы в сигнале в частотном канале (а не включения сигнала в одном канале и выключения в другом), демонстрируется экспериментом Лесогор. В этом эксперименте сигнал представлял собой последовательность из двух тональных посылок длитель ностью по 300 мс, разделенных паузой. Частота первой посылки /0 задавалась экспериментатором, задачей испытуемого было уста новить нижнюю (/„) и верхнюю (/в) граничные частоты второй посылки, при которых [г]-пауза еще воспринимается. Длитель ность паузы испытуемый мог регулировать.
19 Физиология речи |
289 |
На рис. 11.10 показаны полученные зависимости /в—/0 и
/о—/н от /о- Для сравнения приведена величина критической по лосы [145j. Можно видеть, что [г]-пауза воспринимается только
в том случае, если разность частот первой и второй посылки не превышает величины критической полосы.
Рис. 11.9. Зависимость минимальной длительности [г]-паузы в тональном сигнале от частоты тона. По [62].
По оси абсцисс — частота тона; по оси ординат — минимальнаадлительность [г]-наузы. Пружки и точки соответствуют разным испытуемым.
Рис. 11.10. Восприятие [г]-паузы в стимуле, образованном из двух тональ ных посылок с разными частотами.
По оси абсцисс — частота первой посылки; по оси ординат — абсолютная величина раз ности частот первой и второй посылок. Точки — (fs—/0), крестики — (/0—/н)- Привал — зависимость от частоты ширины критической полосы [146]. Остальные обозначения см.
втексте.
11.4.ВХОДНАЯ НЕЛИНЕЙНОСТЬ СИСТЕМЫ ОБРАБОТКИ ОГИБАЮЩЕЙ
Стремясь к тому, чтобы устройство, моделирующее обработку огибающей в частотном канале слуховой системы, было максимально простым, естественно предположить, что фильтры анализатора огибающей линейны. Логично также принять допу щение, что пороговые устройства на выходе фильтров анализатора срабатывают при некотором фиксированном значении выходного сигнала фильтра, не зависящем от уровня интенсивности входного звукового сигнала. В таком случае появляется возможность определить амплитудную характеристику преобразователя, рас положенного на входе анализатора огибающей, воспользовавшись для этого экспериментальной зависимостью порогового коэф фициента модуляции от уровня ощущения стимула.
Если фильтры огибающей являются полосовыми (не пропус кают постоянной составляющей), а амплитудная характеристика преобразователя линейна, то амплитуда сигнала на выходе фильтра будет пропорциональна амплитуде переменной составляющей мо дулирующего сигнала Ат и не будет зависеть от величины его постоянной составляющей Ас (т. е. от уровня ощущения стимула,
290