Fundamentos y procedimientos para la

Conceptos basicos de la Psicoacustica

Seminario de Audio.

Instituto de Ingenierıa Electrica IIE

Facultad de Ingenierıa - UDELAR

Montevideo - Uruguay

Agosto - Diciembre 2005

Ing. Andres Rodrıguez

mailto:andres101@adinet.com.uy

September 12, 2005

TRANSPARENTE.

Psicoacustica

Definicion

Estudia la interconexion entre las propiedades fısicas del sonido y la

interpretacion que el ser humano hace de esas propiedades.

Objetivos

1. La interpretacion de las senales acusticas.

2. Caracterizar la respuesta de nuestro sistema auditivo.

3. Obtener el umbral absoluto de la sensacion.

4. Obtener el umbral diferencial de determinados parametros de los

estımulos, estos umbrales son la mınima variacion y mınima

diferencia perceptibles.

5. Comprender y obtener la capacidad de resolucion del sistema

auditivo para separar estımulos simultaneos, o para conjugar

estımulos separados para crear sensaciones.

6. Entender la variacion temporal de la sensacion del estımulo.

Metodos de medidas

1. Metodo de ajuste.

2. Metodo de seguimiento o tracking.

3. Metodo de estimacion de magnitud.

4. Metodo binario o metodo Sı - No.

5. Metodo por eleccion forzada de dos intervalos.

6. Metodo adaptable.

7. Metodo de comparacion de pares de estımulos.

TRANSPARENTE.

Conceptos basicos de la

Psicoacustica

Umbrales

Por lo general son faciles de medir y corresponden al mınimo nivel que un

determinado estımulo debe tener para provocar una reaccion en el sujeto

bajo ensayo.

Basicamente existen dos tipos diferentes de umbrales, estos son;

• El umbral absoluto.

• El umbral diferencial.

Umbrales absolutos

Los umbrales absolutos de la audicion son aquellos valores de uno de los

parametros del estımulo fısico a partir del cual la sensacion comienza a o

deja de producirse.

Dentro de este tipo de umbral esta el umbral auditivo, el cual esta definido

por el valor mınimo o la presion mınima para que un sonido pueda ser

percibido. Este umbral no depende solo de la intensidad o presion, sino

que tambien es dependiente de la frecuencia del sonido senoidal de prueba.

En general para determinar estos umbrales se utilizan dos variantes del

metodo Sı - No:

1. El metodo de los mınimos cambios

2. El metodo de estımulos constantes

Umbrales absolutos

Umbrales absolutos

Umbrales diferenciales

Senalan las mınimas variaciones de uno de los parametros del estımulo

fısico, necesarias para que se produzca un cambio en la sensacion.

Para la determinacion del umbral diferencial pueden utilizarse el metodo de

los mınimos cambios o el de estımulos constantes, o bien el metodo del

error promedio.

Otra clasificacion de los metodos para la medicion de los umbrales pueden

ser la siguiente;

1. Umbrales de mınima variacion perceptible, MVP.

2. Umbrales de mınima diferencia perceptible, MDP.

Los umbrales pueden ser umbrales diferenciales de intensidad o umbrales

diferenciales de frecuencia.

Umbrales diferenciales

A la izquierda; umbral de MVP de intensidad, para una frecuencia de

modulacion de 4 Hz, para un sonido senoidal de 1 kHz y para ruido blanco,

en funcion del nivel de presion sonora del sonido de prueba. A la derecha,

umbral de MVP para un sonido senoidal de 1 kHz y ruido blanco en

funcion de la frecuencia de modulacion.

Umbrales diferenciales

Izquierda, umbral de MDP para un sonido senoidal con una frecuencia de

1 kHz en funcion de su nivel de presion sonora. A la Derecha, podemos

apreciar el umbral de MVP en funcion de la frecuencia del sonido senoidal

de prueba.

Enmascaramiento sonoro

Es parte de los fenomenos estudiados en psicoacustica que busca

determinar como la presencia de un sonido afecta la percepcion de otro

sonido. El enmascaramiento sonoro pude ser definido como un proceso en

el cual el umbral de audibilidad correspondiente a un sonido se eleva,

debido a la presencia de otro sonido.

Una magnitud muy util para medir el valor del enmascaramiento, es el

umbral de enmascaramiento, definido como “el nivel de presion sonora de

un sonido de prueba necesario para que este sea apenas audible en

presencia de una senal enmascarante”. Entonces si graficamos el umbral

de enmascaramiento en funcion de la frecuencia obtenemos el patron de

enmascaramiento.

Enmascaramiento sonoro

Basicamente existen dos tipos de enmascaramiento:

1. Enmascaramiento simultaneo.

2. Enmascaramiento no simultaneo.

Enmascaramiento simultaneo

Este tipo de enmascaramiento se presenta cuando el sonido de prueba y el

sonido enmascarnate coinciden temporalmente.

Basicamente se estudian;

1. Enmascaramiento de tonos puros por ruido de banda ancha.

2. Enmascaramiento de tonos puros por ruido de banda angosto.

3. Dependencia del patron de enmascaramiento con el nivel de la senal.

4. Patrones de enmascaminento para tonos enmascarados con tonos.

5. Patrones de enmascaminento para tonos enmascarados con un

complejo tonal.

Enmascaramiento de tonos puros por ruido de

banda ancha.

Enmascaramiento de tonos puros por ruido de

banda angosto.

Dependencia del patron de enmascaramiento con

el nivel de la senal.

Patrones de enmascaminento para tonos

enmascarados con tonos.

Patrones de enmascaminento para tonos

enmascarados con un complejo tonal.

Enmascaramiento no simultaneo

El enmascaramiento no simultaneo es aquel que se produce cuando el

sonido de prueba no se superpone temporalmente con el sonido

enmascarador. Se distinguen dos tipos de enmascaramiento no simultaneo;

• Pre-enmascaramiento.

• Post-enmascaramiento.

Pre-enmascaramiento

Es un fenomeno completamente perturbante ya que sonidos que aun no

existen pueden enmascarar sonidos ya existentes, algo difıcil de imaginar.

Sin embargo, un estudio mas minucioso permite justificar la existencia del

pre-enmascaramiento. Para ello tenemos que recordar que cualquier

sensacion, y en este caso la sensacion sonora no se produce

instantaneamente, sino que se requiere de un cierto tiempo para que se

origine.

Algunos estudios han revelado que las senales de gran intensidad requieren

de un tiempo de formacion de la sensacion menor que el de las senales de

baja intensidad.

La comprension que se tiene del pre-enmascaramiento es muy vaga sin

embargo se sabe que el fenomeno dependerıa de la relacion de tiempo

entre el sonido de prueba y el sonido emascarante (20 ms),

independientemente del nivel de esta.

Post-enmascaramiento

Se determina experimentalmente mediante senales de prueba de corta

duracion, aplicadas luego de una senal enmascarante de duracion variable.

Las causas de este enmascaramiento se creen que tiene orıgenes

fisiologicos distintos.

1. Propiedades mecanicas de la MB (duraciones menores a 20 ms).

2. Efectos de adaptacion neural (duraciones mayores).

Post-enmascaramiento

La duracion de la senal enmascaradora influye notoriamente sobre el

enmascaramiento, en general el efecto de una senal enmascarante de corta

duracion decae mas rapidamente que el de una senal de larga duracion.

Bandas crıticas

El concepto de banda crıtica permite explicar por que, dado un tono de

una cierta frecuencia, una ruido de ancho de banda angosto centrada en

dicha frecuencia produce la misma cantidad de enmascaramiento sobre el

tono que un ruido de gran ancho de banda.

El ancho de banda crıtico es un concepto desarrollado por Fletcher , que

puede interpretarse como una medida de la selectividad en frecuencia de

nuestro sistema auditivo. Sin embargo el concepto moderno de banda

crıtica fue desarrollado por Zwicker, en el contexto de la suma de

sonoridades o intensidades subjetivas.

Bandas crıticas

La comprension detallada del significado de las bandas crıticas se logra

luego de estudiar algunos experimentos psicoacusticos relacionados con la

sonoridad.

Filtros de bandas crıticas

Es habitual considerar al sistema auditivo periferico como un conjunto de

filtros pasabanda, con bandas superpuestas. Fletcher considero la

aproximacion en la cual el filtro auditivo es rectangular. Luego investigo

las consecuencias de asumir que la deteccion (apenas perceptible) ocurrıa

cuando la relacion senal ruido era unitaria hallando el ancho de banda

crıtico o critical ratio.

Sin embargo las bandas crıticas no tiene forma rectangular, por lo cual

tampoco la tiene los filtros de bandas crıticas. En realidad si consideramos

una escala lineal y niveles sonoros moderados las bandas crıticas tienen una

forma gausseana.

Escala de bandas crıticas

La caracterıstica mas importante de las bandas crıticas es el ancho. En

1961 Zwicker publico los anchos de banda crıticos en la escala Bark o de

Munich. Posteriormente en los anos 80s, los experimentos de

enmascaramiento con ruido de ancho de banda estrecho describieron otra

serie de bandas crıticas denominadas bandas crıticas de Cambridge.

Ambos conjunto de bandas crıticas tienen el mismo ancho de banda

rectangular equivalente, BER. Por lo general se utilizan aproximaciones

para su calculo.

Escala de bandas crıticas

Una primera aproximacion para el modelado de la selectividad en frecuencia

consiste en subdividir el rango de frecuencias audibles en intervalos

contiguos de bandas crıticas de ancho tal, que no se superpongan entre sı.

Esta division esta muy ampliamente difundida para describir la distribucion

de las bandas criticas en funcion de la frecuencia, denominando al numero

de banda con la unidad Bark. Entonces 1 Bark es un intervalo de una

banda crıtica de ancho en cualquier punto del rango de frecuencias

audibles.

Escala de bandas crıticas

Se puede obtener una relacion entre la escala de las bandas crıticas y el

ancho de las mismas, sin embargo se utiliza una aproximacion (con un

error menor a ±0, 2).

Sonoridad o Loudness

La sonoridad o loudness es un atributo vinculado a la intensidad del

sonido. No depende solo de la intensidad de un sonido, sino tambien de su

frecuencia, del ancho de banda, del contenido espectral y la duracion del

sonido.

El rango dinamico que nuestro sistema auditivo es capaz de manejar es

enorme, por lo que se suele utilizar una escala logarıtmica de modo de

comprimir este rango. Para ello se utiliza el nivel de presion sonora o

dBSPL definido como;

dBSPL = 20 · log

Pef

Pref

!o dBSPL = 10 · log

I

Iref

!(1)

El principal argumento para adoptar esta escala es la suposicion del

comportamiento logarıtmico del sistema auditivo periferico.

Curvas de igual sonoridad

Una forma practica de abordar el problema de la sonoridad es medir el

nivel de sonoridad, es decir, determinar cuando un sonido es igual de fuerte

que otro. En 1933, Fletcher y Munson realizaron la determinacion

psicoacustica basada en la comparacion entre dos tonos puros, luego

graficando los resultados en funcion de la frecuencia, obtuvieron para cada

intensidad de referencia una curva de igual sonoridad.

Las curvas de igual sonoridad pueden utilizarse para asignar una valoracion

numerica a la sonoridad, con este objetivo en mente es que se define el

nivel de sonoridad o loudness level , NS, fon o fono, como el nivel de

presion sonora del tono de 1 kHz que se encuentra sobre la misma curva.

Filtros de ponderacion

Luego de los trabajos de Fletcher y Munson se intento crear un

instrumento de medicion capaz de reflejar la sensacion de sonoridad

producida por un sonido cualquiera, proponiendose filtros de ponderacion.

Esta idea se topo con grandes dificultades;

1. No hay una curva unica.

2. Las curvas de igual NS solo son validas para tonos puros.

Sin embargo se propusieran tres curvas de ponderacion diferentes: las

curvas A,B y C.

Escala de sonoridad

El NS permite objetivar las diferencias de percepcion de intensidad en

relacion con la frecuencia (un tono de 60 fons pruduce la misma

percepcion de intensidad cualquiera sea su frecuencia), no refierendose a la

valoracion de la intensidad de la sensacion.

Los estudios psicofısicos sobre la sensacion de sonoridad mostraron que las

estimaciones de la sonoridad son proporcionales a una potencia de la

intensidad;

S = kIp, (2)

Luego de varios estudios, Stevens en 1995, luego de tomar varias medidas

decidio establecer el exponente p en 0, 3 (para estımulos de mas de 40

dBSPL).

Finalemente se establece como el estandar para la escala convencional de

sonoridad el sone o sono, definido arbitrariamente como la sonoridad de un

tono puro de 1 kHz de 40 dBSPL,que corresponde a un nivel de sonoridad

de 40 fon

Escala de sonoridad

A traves de varios experimentos se puede determinar la realacion entre NS

y sonoridad para tonos de 1 kHz(o lo que es lo mismo entre fon y son);

S = 2NS−40

10 (3)

Esta relacion es valida para niveles de sonoridad mayores a 40 fon y puede

ser aplicada para cualquier frecuencia si utilizamos las isofonas.

Tambien se puede demostrar a paritr de la relacion anterior;

S =1

16

P

Pref

!0,601

(4)

Sonoridad para sonidos compuestos

En la practica el procedimiento de calculo consiste en;

1. Subdividir el espectro del sonido compuesto en bandas crıticas.

2. Luego sumar las intensidades dentro de cada banda, convertir la

intensidad en nivel de sonoridad y este en sonoridad.

3. Finalmente sumar todas las sonoridades de las diversas bandas

crıticas y convertir en nivel de sonoridad.

Queda suficientemente claro que la estimacion de la sonoridad, ası como el

calculo de la relacion exponencial entre la intensidad del estımulo auditivo

y la sonoridad, tiene muchas complicaciones y no resulta del todo fiable.

TRANSPARENTE.

Muchas gracias