Psühhoakustika

Psühhoakustika on teadusharu, mis uurib kuulmistaju ja audioloogiat ehk seda, kuidas tajuvad inimesed erinevaid helisid. Sealhulgas uuritakse heli inimeste tajutavate omaduste (helikõrgus, helivaljus, tämber jne) seost helide mõõdetavate füüsikaliste suurustega (helisagedus, helitugevus, helispekter jne) ning heli psühholoogilist ja füsioloogilist mõju. Psühhoakustika on interdistsiplinaarne valdkond, milles kohtuvad psühholoogia, akustika, elektrotehnika, bioloogia, füsioloogia ja arvutiteadus. Psühhoakustika on üks psühhofüüsika valdkondi.
Ajalugu.
Esimesed avastused psühhoakustikas tegi tänu 19. sajandi uurimistööle Gustav Fechner, kes oli üks esimesi eksperimentaalpsühholooge ning psühhofüüsika ja psühhofüsioloogia loojaid ja teerajajaid.
Gustav Fechner pakkus välja idee ühendada füüsikalised ja tajutavad suurused. Fechenri "psühhofüüsiline seadus" väidab, et inimtaju on logaritmiline. See tähendab, et tajutava suuruse poole suuremaks muutumine vastab füüsikalise suuruse astme muutumisele. Fechneri "seadus" peab paika mitme helisignaali liitumise tajul ning sealhulgas helikõrguste ja -valjuste korral. Saksa füüsik Hermann von Helmholtz oli esimesi teadlasi, kes avastas seoseid tämbri ja füüsikaliste suuruste vahel. Akustika paljud suured probleemide lahendused esitas John William Strutt (lord Rayleigh) oma 1877. aastal avaldatud raamatus "Theory of Sound". Lord Rayleigh' esitatud süstemaatiline akustika käsitlus esitas paljusid akustika põhiprintsiipe ja uurimismeetodeid, võimaldades seeläbi paljude kuuldetaju ilmingute teaduslike uuringute plahvatuslikku arengut. 1879. aastal asutas Wilhelm Wundt Leipzigis psühholoogialabori, mis hiljem sai tuntuks ka eksperimentaalpsühholoogia keskusena. Wilhelm Wundt uuris peamiselt helivaljust ning komplekssete helide ja müra helitaju.
20. sajandi lõpuks on psühhoakustika juba arenenud teadus. Tehnoloogia areng on hõlbustanud heliga töötamist. Arvutite kasutuselevõtt ning muusika salvestamise ja esitamise tehnoloogia areng on võimaldanud uurida üha uusi aspekte. See oli tugevaks aluseks nii helitehnika kui ka ruumiliste helitehnoloogiate arendamiseks. Siiski pole ruumiliste helide loomise probleemid praeguseni täielikult lahendatud.
Uurimise põhjus.
Paljudes akustika rakendustes ja helisignaalide töötluses on vaja arvestada inimeste helitajuga. Helide füüsikalised omadused on tänapäevaste seadmete abil täpselt mõõdetavad, kuid nende omaduste tajumisviisid inimeste poolt mitte. Heli võib vaadelda analoogsignaalina, mis võib teoreetiliselt edastada piiramatul hulgal informatsiooni (iga signaali lõik sisaldab lõpmatu arv eri amplituudiga harmoonikuid, millest igaühel on amplituud ja faas). Tajuprotsesside mõistmine võimaldab teadlastel ja inseneridel keskenduda kuuldava intensiivsuse ja sagedusega helidele. Mida inimene kuuleb ei sõltu ainult kõrva füsioloogiast vaid paljudest teistest aspektides, sealhulgas ka psühholoogilistest teguritest.
Kuulmistaju piirid.
Keskmiselt on inimese kuulmine tundlik sagedusribas 20 – 20 000 Hz. Kõrgemate sageduste kuuldetundlikkus vananedes väheneb ja enamik täiskasvanute kuulmine ei ole tundlik helide suhtes sagedustel üle 16 000 Hz. Inimkõrv ei ole üldiselt tundlik sagedustele alla 20 Hz, kuid lihthelisid vahemikus 4–16 Hz on tuvastatud somatosensoorselt tajutavatena.
Inimese tajutavate heliintensiivsuste vahemik on väga lai. Kõrvakile on tundlik helirõhu muutuste suhtes. Helitugevusele vastavat helitaset mõõdetakse tavaliselt detsibellides (dB). Tundlikkuse alumine piirang on defineeritud kui 0 dB. See piir sõltub sellest, kui kaua heliallikat kuuldakse. Kõrv suudab taluda lühiajalist helivaljust kuni 120 dB ilma kahjustavate tagajärgedeta, kuid pikaajaline viibimine alates 80 dB helikeskkonnas võib põhjustada kuulmistundlikkuse vähenemist.
Fletcheri-Munsoni kurv.
Teadlased Fletcher ja Munson andsid eksperimendi käigus inimgrupile kuulata erinevaid helisid, muutes helitugevust, kuni rühm kinnitas, et need helid sarnanevad esialgse heliga. Sellest tulenevalt selgus, et inimkõrva kuulmine ei ole tegelikult lineaarne kõikide sageduste suhtes. Heli mõnel sagedusel tundub inimkõrvale valjem kui samal rõhuamplituudil teine sagedus. Fechneri seadus kehtib mitme helisignaali muutuja kohta, sealhulgas pikkuse ja valjuse kohta.
Graafikust (joonisel 1) on võimalik järeldada, mida madalama helirõhuga on heliallikas seda vaiksem kuuldavus kõrgemate ja madalate sageduste suhtes, mistõttu tuleb nende helinivoo taset tõsta, et inimesele tajutav sagedusriba oleks ühtlane.
Üks Fletcheri-Munsoni nähtuse põhjus on meie kõrvalesta mehaanilise konstruktsiooni eripära. Kõhred, millest kõrvalest on ehitatud, aitab sagedusi filtreerida. Selle nähtuse evolutsiooniline põhjus seisneb selles, et isegi kõige vaiksemal tasemel oleks keskmisi sagedusi kuulda, mis on ühtlasi ka kõnetuvastuse aluseks. 
Tänapäeval on standardiks samavaljuskõverad (ISO 226:2003), mis nüüdisaegsete katsetuste alusel sisaldavad täpsemaid tulemusi.
Psühhoakustilised nähtused.
Maskeeringuefekt.
Maskeeringuefekt on valjude helide võime varjutada vaiksemaid. Kui kaks heli paiknevad ühes ja samas sagedusvahemikus, siis suurema helinivooga heliallikas maskeerib vaiksema. Lisaks sellele madalama sagedusega helid maskeerivad kõrgema sagedusega helisid. Näitena saab tuua rongi möödasõidu inimeste kõne ajal, kus rongi heli maskeerib teise. Helitöötlemises, et vältida maskeeringu efekti, peab oskuslikult kasutama ekvalisatsiooni ja panoraami.
Haasi efekt.
Haasi efekt on psühhoakustiline nähtus, mis hõlmab heliallika lokaliseerimist. Kui kaks heliallikat esitatakse meie kõrvadele samal helinivoo tasemel, aga üks saabub vaid mõni millisekund hiljem, siis kuulmismehhanism hindab heli suunaks suuna, mis varem kõrva saabus.
Levitini efekt.
Levitini efekt kirjeldab fenomeni inimeste (ka muusikaliselt treenimata) tendentsist mäletada laule õiges või ligilähedases muusikalises võtmes.