Psychoakustika

Úvod

Počúvanie alebo počutie nie je výlučne mechanickým javom šírenia sa vĺn, ale aj záležitosťou zmyslov a spôsobu vnímania; inak povedané, keď človek počuje niečo, to niečo prichádza k jeho uchu ako mechanická vlna cestujúca vzduchom, ktorá sa potom v uchu mení do podoby nervových akčných potenciálov. Vzruch potom cestuje nervami k mozgu, kde dochádza k vnímaniu. Preto, pri riešení problémov v akustike, ako napríklad pri spracovaní audio signálov, je vyhovujúce zobrať do úvahy nie len mechanickú podstatu prenosu podnetu ale aj fakt, že ucho a mozog človeka vplývajú na konečný výsledok vnemu.
Vnútorné ucho, napríklad, vykonáva značnú časť spracovania signálov transformáciou zvukových vĺn do podoby nervových impulzov, avšak, toto spracovanie nie je dokonalé lebo niektoré rozdiely akustických vĺn nedokáže rozoznať. Technológie používajúc kompresiu dát, ako napríklad, MP3, využívajú túto skutočnosť. Naviac, ucho reaguje nelineárne na zvuky rožných úrovní – táto nelineárna reakcia je známa ako hlasitosť. Preto telefonické siete a zariadenia odstraňovania šumu najprv nelineárne pakujú dátové balíky, a po odvysielaní ich rozbaľujú pre reprodukciu. Ďalším sprievodným javom ušnej nelinearity je umelé vnímanie neexistujúcich úderov alebo rázov pri spracovaní zvukov blízkej frekvencie, to jesť, intermodulačné skreslenie.
Pojem psychologická akustika sa skloňuje v spojení s kognitívnou psychológiou a spôsobom ako osobné očakávania, predpojatosti a sklony ovplyvňujú subjektívne posúdenie zvukovej estetickosti a ostrosti vnemu, na základe lišacích sa hodnotení kvality interpreta alebo hudobného nástroja. Príslovie, že „človek počuje, to čo chce počuť“ to výstižne pomenováva.

Hranice vnímania

Ľudské ucho rozlišuje zvuky od 20 Hz (0,02 kHz) do 20 000 Hz (20 kHz). Horná hranica sa znižuje s vekom, väčšina dospelých nepočuje zvuky nad 16 kHz. Najnižšia frekvencia, ktorá bola označená ako hudobný tón bola 12 Hz, v laboratórnych podmienkach. Tóny medzi 4 a 16 Hz sa dajú vnímať cez dotyk.
Frekvenčné rozlíšenie ucha je 3,6 Hz v rámci oktávy 1 000 – 2 000 Hz. To znamená, že zmena vo výške tónu väčšia než 3,6 Hz je v riadených podmienkach rozlíšiteľná. Avšak aj menšie zmeny vo výške tónu sa dajú vnímať inými spôsobmi. Napríklad interferenciu dvoch tónov s blízkou frekvenciou často počuť ako pravidelné kolísanie hlasitosti zvuku. Toto pozmenenie amplitúdy sa vyskytuje pri frekvencii, ktorá sa rovná rozdielu frekvencií daných dvoch tónov, a je známa ako zaznievanie.
Poltónová stupnica, ktorá sa používa v európskom hudobnom značení, nie je lineárna ale je logaritmická. Ďalšie stupnice boli odvodené z experimentoch vnímania ľudského počutia, ako sú napríklad, melová stupnica a Barkova stupnica. Tieto stupnice sa za zvyčajne nepoužívajú pri komponovaní ale pri štúdiu vnímavosti. Ich vlastnosťou je, že sú približne logaritmické pri vysokých frekvenciách a takmer lineárne pri nízkych.
Rozsah intenzity počuteľných zvukov je obrovský. Ušný bubienok dokáže zacítiť aj malé kolísanie v tlaku zvuku a dokáže rozpoznať zmenu na úrovni mikropaskalu alebo väčšiu než 1 bar. Z tohto dôvodu sa úroveň tlaku vzduchu meria logaritmicky, vzhľadom na hodnotu 20 µPa (1,97385×10⁻¹⁰ atm). Najnižšia úroveň počutia je definovaná ako 0 dB, najvyššia nie je jasne stanovená, aj z dôvodu, že ucho utrpí fyzické poškodenie, formou zvukom spôsobeného poškodenia sluchu, predtým než sa vyčerpá jeho rozsah.
Podrobnejší výskum dolného prahu počutia zistí, že dolná hranica počutia závisí od frekvencie. Takto, meraním najnižšie intenzity testovacích tónov rôznych frekvencií sa získava krivka absolútneho prahu počutia – ATH. Ucho je zvyčajne najcitlivejšie, teda má najnižší prah počutia, v rozsahu frekvencií 1 – 5 kHz, hoci sa tento rozsah mení s vekom, tak že klesá citlivosť nad 2 kHz.
ATH je najmenšia z kriviek rovnakej hlasitosti. Krivky rovnakej hlasitosti určuje úroveň tlaku vzduchu, na podklade rozsahu počuteľných frekvencií, ktoré ucho vníma ako rovnakej hlasitosti. Krivky rovnakej hlasitosti prvýkrát merali Harvey Fletcher a Wilden A. Munson v Bell Labs v roku 1933, požívajúc tóny prehrávané cez slúchadlá. Údaje, ktoré získali sa volajú Fletcher-Munsonove krivky. Keďže subjektívnu hlasitosť bolo obtiažne stanoviť, Fletcher-Munsonove krivky boli spriemerované cez viacero skúmaných osôb
Robinson a Dadson vylepšili metódu v roku 1956 a získali novú sériu kriviek rovnakej hlasitosti pre čelný zdroj zvuku v bezdozvukovej (bezodrazovej) miestnosti. Robinson-Dadsonove krivky sa stali štandardom v podobe ISO 226 v roku 1986. V roku 2003 bol tento štandard doplnený o údaje získane z 12 medzinárodných štúdií.

Lokalizácia zvuku

Lokalizácia zvuku je proces určenia miesta zdroja zvuku. Mozog využíva jemné rozdiely v hlasitosti, tone a časovaní, medzi dvoma uchami aby nám umožnil lokalizovať zdroj zvuku. Lokalizácia prebieha trojrozmerne: v pozíciách azimutu horizontálneho uhla, zenitu vertikálneho uhla, a vzdialenosti, pre statické zvuky, alebo rýchlosti, pre pohybujúce sa zvuky. Človek, tak ako mnohé štvornohé zvieratá, má dobrú schopnosť zistiť horizontálnu zložku vzduchu, už menej vertikálnu – kvôli symetrickému umiestneniu uši. Niektoré druhy, ako sovy, majú uši umiestnené nesymetricky a dokážu určiť zvuk vo všetkých troch rovinách, prispôsobenie pre lovenie malých cicavcov v tme.

Efekty prekrývania

V niektorých prípadoch, inak jasne počuteľný zvuk môže byť prekrytý (zamaskovaný) iným zvukom. Napríklad, konverzáciu na autobusovej zastávke nebudete počuť ak v blízkosti prechádza hlučné nákladné auto. Tento jav sa volá prekrývanie. Tichší zvuk je prekrytý a nepočuť ho v prítomnosti hlasnejšieho zvuku..

Fantómová základná výška

V prípade frekvenčného harmonického radu 2f, 3f, 4f, 5f, a.t.d (kde f je špecifická frekvencia), ľudia počujú každú výšku ako f.

Hudba

Psychoakustika zahŕňa témy a oblasti výskumu, ktoré sú relevantné pre hudobnú psychológiu a hudobnú terapiu. Akademici ako Benjamin Boretz považujú niektoré výsledky psychofyziologickej akustiky ako významné len v rámci hudobného kontextu.
LP-čky Environments series od Irv Teibela (1969 – 79) sú ranným príkladom komerčne dostupných zvukoch pre účel zvýšenia psychologických schopnosti.

Aplikovaná psychoakustika

Psychoakustika už dlho symbioticky ťaží z informatiky, počítačového inžinierstva a počítačových sieti. Pionieri internetu J. C. R. Licklider a Bob Taylor robili magisterskú prácu zo psychofyziologickej akustiky, predtým než začali skladať ich balíkovo orientované počítačové siete.
Psychoakustika zasahuje do mnohých odvetí, ako je vývoj softvérov, kde vývojári mapujú dokázané a experimentálne modely; v digitálnom spracovaní, kde zvukovo kompresné zakódovanie, ako MP3 a Opus využíva psychofyziologicko akusticky model na zväčšenie kompresného pomeru; v dizajne vysokokvalitných audio súprav pre vierohodnú reprodukciu hudby v divadlách a domácnostiach; vo vojnovom priemysle, kde vedci experimentujú z akustickými zbraňami s účelom zneškodnenia, zranenia alebo zabitia; v hudbe, vytváraním nových sluchových zážitkov prekrývaním alebo zosilnením frekvencií; v dizajne malých ale vykaných reproduktorov, ktoré využívajú fenomén fantómovej základnej výšky, aby vytvorili dojem basových tónov, ktoré reproduktor sám nedokáže vybudiť.