Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Анализ временной границы восприятия приближения и удаления источника звука

ВАК РФ 03.00.13, Физиология

Автореферат диссертации по теме "Анализ временной границы восприятия приближения и удаления источника звука"

^ РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

^ИНСТИТУТ ЭВОЛЮЦИОННОЙ ФИЗИОЛОГИИ И БИОХИМИИ V ИМ. И.М. СЕЧЕНОВА

АНДРЕЕВА ИРИНА ГЕРМАНОВНА

АНАЛИЗ ВРЕМЕННОЙ ГРАНИЦЫ ВОСПРИЯТИЯ ПРИБЛИЖЕНИЯ И УДАЛЕНИЯ ИСТОЧНИКА ЗВУКА

03.00.13 - Физиология человека и животных

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 1998

Работа выполнена в лаборатории сравнительной физиологии сенсорных систем (зав. лабораторией - доктор биологических наук И.А. Вартанян) Института эволюционной физиологии и биохимии им. И.М.Сеченова РАН.

Научный руководитель -доктор биологических наук И.А. Вартанян

Официальные оппоненты: член-корреспондент РАН Я.А.Альтман доктор биологических наук Г.А.Куликов

Ведущая организация: Ленинградский государственный областной университет

Защита состоится «13» октября 1998 г. В «13ои» на заседании кандидатского диссертационного совета К002.89.01 Института эволюционной физиологии и биохимии им. И.М.Сеченова РАН по адресу: 194223, г.Санкт-Петербург, пр.М.Тореза, 44.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института эволюционной физиологии и биохимии им. И.М.Сеченова РАН.

Автореферат разослан «11» сентября 1998 года

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат биологических наук

Л.В. Зуева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Изучение восприятия источника звука,

движущегося в сагиттальной плоскости вдоль радиальной координаты

¡приближение или удаление), является одной из задач, находящихся в

рамках решения более общей проблемы - локализации движущегося

источника звука в пространстве. Наряду со зрением, которое у человека

обеспечивает контроль за передним полупространством, слух выполняет

функцию обнаружения объектов во всех направлениях. Такая значительная роль слуха обуславливает важность вопроса о временных рамках

восприятия движения звукового источника при изучении механизмов

анализа слуховой системой пространственной акустической информации.

Минимальная длительность сигнала, достаточная для определения того,

что источник звука движется в горизонтальной плоскости по азимуту была

оценена в целом ряде работ (Висков, 1975; Perrot, Musicant, 1977; Grantham,

Wightaian, 1979; Романов, 1980; Grantham, 1986; Perro«, Pacheco, 1989;

Strybel, Neale, 1994).

При движении звукового источника по радиальной координате универсальным признаком изменения расстояния до источника звука в условиях свободного поля является воспринимаемое изменение интенсивности звука (Blauert, 1972; Ashmead et al., 1995). При изучении механизмов анализа слуховой системой приближения и удаления звукового источника был предложен сигнал, представляющий собой последовательность звуковых импульсов, линейно модулированную по амплитуде (Gersuni, Vartanian, 1973). С таким сигналом была выполнена оценка минимальной длительности стимула, достаточной для восприятия движения вдоль радиальной координаты (Вартанян, Черниговская, 1980).

В настоящей работе проведен анализ временной границы восприятия движения в сагиттальной плоскости и исследовано влияние временной

интеграции интенсивности звука у человека на восприятие амплитудных изменений импульсной звуковой последовательности.

Целью работы было изучение роли временной интеграции интенсивности звука в восприятии приближения или удаления его источника на модели линейно модулированной по амплитуде последовательности звуковых импульсов.

Основные задачи исследования:

1.Оценить параметры временной интеграции интенсивности последовательности звуковых импульсов.

2. Изучить восприятие имитируемого приближения или удаления источника звука при разных длительности, глубине амплитудной модуляции и спектральном составе импульсной последовательности.

3. Определить влияние временной интеграции интенсивности сигнала на опознание направления амплитудных изменений (при помощи показателей восприятия - времени реакции выбора и числа ошибок).

4.Выявить воздействие временной интеграции интенсивности на восприятие направления изменения амплитуды последовательности импульсов в условиях обратной маскировки этой последовательности и на фоне непрерывного шума.

Научная новизна. Исследовано восприятие последовательности звуковых импульсов, имитирующей движение по радиальной координате, при разных скоростях изменения амплитуды импульсов. Впервые показано, что восприятие приближения или удаления источника звука, моделируемого изменением амплитуды со скоростью 20-50 дБ/с, возможно только для длительностей сигнала более 400 мс.

Обнаружены две группы испытуемых,, различающихся по времени реакции выбора при определении направления амплитудных изменений звуковых сигналов при длительностях короче 400 мс. В первой группе

время реакции выбора было одинаково для сигналов разных длительностей, во второй - увеличивалось в 1,5-2 раза при длительностях 80-200 мс. Достоверность опознания снижалась с уменьшением длительности сигнала у всех испытуемых. При длительностях сигнала короче 150 мс все испытуемые не могли определять направление амплитудных изменений. Для испытуемых обеих групп обнаруживался диапазон длительностей сигналов, в котором число ошибок на возрастающие по амплитуде сигналы оказывалось в три раза больше, чем на убывающие.

Выявлено, что на фоне белого шума средней интенсивности временная граница опознания направления амплитудных изменений не изменилась по сравнению с тишиной. При восприятии убывающих и возрастающих по амплитуде сигналов длительностью более 400 мс на фоне шума количество ошибок становилось одинаковым по сравнению с достоверно разным числом ошибок на эти сигналы в тишине. Соотношение числа ошибок на убывающие и возрастающие по амплитуде сигналы длительностью меньше 400 мс не изменилось на фоне шума по сравнению с прослушиванием сигналов в тишине.

При помощи метода обратной маскировки доказано влияние временных интеграционных процессов на восприятие направления моделируемого движения при средних уровнях интенсивности звука. Научно-практическая ценность исследования. Работа посвящена изучению роли интеграционных процессов в формировании восприятия движения источника звука и разработке вопроса выделения сигнала, содержащего признаки изменения расстояния до источника звука, из широкополосного шума.

Данное исследование является необходимым шагом для развития теоретических представлений об акустической ориентации человека в

трехмерном пространстве, а с практической точки зрения - для создан! тренировочных программ с целью формирования способности операторе использовать акустический канал связи при решении различного ро; навигационных задач.

Полученные данные составили часть научно-исследовательскс работы, выполненной для Российского космического агенства по те\ "Формирование способности оператора ориентироваться в трехмерно акустическом пространстве на основе оценки движения звукового образг и были применены для создания компьютерных программ синте; стимулов, имитирующих перемещение в пространстве звуковы источников. Результаты работы были использованы в лекционных курсах практических демонстрациях для студентов факультета естественных нау Ленинградского государственного областного университета. Апробация работы. Основные результаты, включенные в диссертации были представлены на XXXVIII Совещании по проблемам высше нервной деятельности, посвящ. 140-летию со дня рождения акад. И.Г Павлова, (Л., 1989); X Всесоюзном совещ. по эволюц. физиологии (Л 1990); Fourth 1BRO World Congress of Neuroscience (Kyoto, 1995); J Biennal symposium "Modern problems of physiology and pathology of hearing (Moscow, 1995); конференции молодых физиологов и биохимиков Росси "Биохимические и биофизические механизмы физиологических функци (С.Петербург, 1995); 1(Х1) Международном совещании по эволюционно, физиологии (С.Петербург, 1996); Fourth International Congress on sound an vibration (St.Peterburg, 1996); Российско-Американском совещании ni программе "Мир-НАСА" (Москва, 1996); International Symposium о: Simulation, Visualization and Auralization for Acoustic Research and Educatio (Tokyo, 1997); рабочем совещании "Физиологические механизм! опознания биологически значимых слуховых сигналов" (С.Петербург

397), III Всероссийской научно-практической конференции с еждународным участием «Новое в экологии и безопасности изнедеятельности» (С.Петербург, 1998).

По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ (5 статей и 5 ;зисов докладов).

труктура и объем работы. Диссертация изложена на 120 страницах и )стоит из введения, обзора литературы - глава 1, описания методики сспериментов - глава 2, результатов - главы 3,4 и 5, обсуждения - глава 6, вводов и указателя литературы, включающего 153 источника (из них 112 яостранных). Работа иллюстрирована 21 рисунком и 2 таблицами.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. труктура сигнала. С учетом данных физической акустики и :ихофизических оценок расстояния от уха до источника звука, для оделирования изменения расстояния между приемником и источником лл использован амплитудно-импулы-но-модулированный сигнал $артанян и др., 1981). Этот сигнал представлял собой серию тональных 1И шумовых импульсов, амплитуда которых изменялась линейно бывала или возрастала) от начала к концу сигнала в диапазоне скоростей, >авнимых со скоростями перемещения биологических объектов (до 10 'с). Длительность прямоугольных звуковых импульсов была 5 мс, этервалы между ними - 20 мс. Для устранения переходных процессов ;пользовали условие нулевой фазы в начале и конце импульса, тношение максимальной интенсивности импульсов в сигнале к инимальной равнялось 30 дБ. Интенсивность сигнала была 60 дБ над эрогом. Импульсы, представляющие собой прямоугольные отрезки тона, 5ладают наиболее широкополосным спектром по сравнению с другими ормами импульсов (Харкевич, 1952). Ширина спектра сигнала

определяется длительностью составляющих его импульсов и имеет максимум на несущей частоте.

Испытуемые. В 130 экспериментах принимали участие 68 здоровых испытуемых обоего пола с нормальным слухом в возрасте от 17 до 55 лет. Во время опытов испытуемые находились в звукоизолированной камере (уровень шума в камере не превышал 10 дБНз^абочем диапазоне частот). Методика. Пороги слышимости монаурапьного восприятия импульсной последовательности, не меняющейся по амплитуде, определяли с точностью в 1 дБ при 11 длительностях сигналов в диапазоне от 55 мс до 3000 мс. Стимулы подавались на головные телефоны ТДС-5. Порог по методу восходящих и нисходящих рядов измеряли не менее 6 раз для каждого испытуемого и определяли на уровне 65% правильных ответов (два положительных ответа на три предъявления стимула).

Исследование восприятия движения по слуху в зависимости от скорости изменения амплитуды последовательности звуковых импульсов выполняли для длительностей сигналов 400 и 1000 мс. Глубина амплитудной модуляции, определяющая скорость изменения, изменялась от 20 до 50 дБ. Испытуемые отвечали на вопрос: "Каково направление движения источника звука?". Предлагались варианты' ответов: 1 -удаляется; 2 - не движется; 3 - приближается. Оценивали долю ответов "не движется" от общего числа предъявлений сигнала.

При шкалировании признака движения источника звука для разной несущей частоты импульсов испытуемому предлагалось оценивать удаление и приближение сигнала по 5 бальной шкале, выбирая один из вариантов ответа на вопрос: "Можно ли соотнести услышанный сигнал с движением источника звука?" при следующих вариантах ответа: 1) точно да; 2) вероятно да; 3) неясно; 4) скорее нет; 5) точно нет. Для прослушивания была предложена серия стимулов длительностью около

1000 с с амплитудной модуляцией вверх на 34 дБ или вниз на ту же величину и с несущей частотой импульсов в диапазоне от 500 до 3000 Гц. Сигналы подавали в условиях свободного поля из акустической колонки, расположенной фронтально перед испытуемым на расстоянии 0,8 м, что соответствовало подаче сигнала в условиях ближнего поля.

При исследовании показателей восприятия - времени реакции выбора и числа ошибок - использовали сигналы длительностью от 80 до 800 мс обоих направлений изменения амплитуды импульсов с их несущей частотой 1 кГц или с заполнением импульсов бинарным шумом (белый шум с равной мощностью на всех частотах). Регистрировали число ошибок и время реакции выбора при определении направления амплитудных изменений сигнала. Для выравнивания возможных индивидуальных различий времени реакции слева и справа проводили четыре серии сигналов для всех сочетаний рука-ухо.

При изучении маскировки непрерывным гауссовым (белый шум с равной энергией на всех частотах) шумом испытуемым предлагалось монаурально прослушать две идентичные серии сигналов и определить направление изменения их амплитуды. Контрольная серия сигналов звучала без шума, за ней следовала серия на фоне непрерывного бинаурального белого шума интенсивностью 40 дБ над порогом слуха человека. Каждая серия содержала 60 амплитудно-импульсно-модулированных сигналов 10 длительностей в интервале от 100 до 3000 мс, линейно возрастающих или убывающих по амплитуде импульсов. Формирование сигналов, регистрация ответов и первичная обработка результатов выполнены на ЭВМ с использованием узко специализированной программы ведения эксперимента.

Влияние обратной маскировки на восприятие изменения амплитуды импульсной последовательности оценивалось по времени реакции выбора

при моиауральном прослушивании сигнала в условиях контралатеральнс и бинауральной маскировки белым шумом при величинах его задержки 21 150 и 500 мс. При каждой величине задержки испытуемые прослушивали серий сигналов. Первая серия проводилась в отсутствии шума и бьи контрольной. Вторая и третья серии прослушивались испытуемым пр контралатеральной подаче прямоугольного импульса шума длительность) 1500 мс с уровнями интенсивности соответственно 39 и 56,5 дБ нг порогом слышимости. Четвертая и пятая серии - при бинаурально Предъявлении шума с такими же параметрами соответственно. Все серн содержали амплитудно-импульсно-модулированные сигнал

длительностью 500 и 800 с, линейно возрастающие или убывающие г интенсивности. Интенсивность сигнала была 39 дБ над порогом. Статистика. При измерении порогов слышимости результаты для все длительностей были нормированы относительно минимального значени порога у каждого испытуемого. Определяли среднее и среднеквадратично отклонение для нормированных величин порогов. При оценке постоянно времени использовали регрессионный анализ. Доверительные интервал: (95% уровня вероятности) при сравнении вероятности восприяти движения при разной глубине амплитудной модуляции сигнала оценивал с помощью биномиального распределения. Анализ почти двух тыся регистрации ответов, полученных при исследовании времени реакцш проводился с помощью пакета программ Quatro Pro. Вычисляли средне . значение и среднее квадратичное отклонение разности между величино времени реакции выбора без шума и в условиях шума.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ. Связь параметров временной интеграции интенсивности перцептивным качеством звука. Временные рамки процесс интеграции интенсивности при пороговом уровне интенсивности звуковог

;игнала были определены в нашей работе с помощью оценки постоянной фемени и критической длительности сигнала. При измерении критической щительности получено снижение порогов слышимости при увеличении щительности сигналов до 1000 мс. Однако достоверные различия в (еличине порога наблюдались только при длительностях равных или меньших 300 мс. Была определена критическая длительность, равная 400 лс, начиная с которой наблюдается временная интеграция громкости для шпульсно-модулированных сигналов (РисЛА). Увеличение порога в щапазоне длительностей от 55 мс до 1000 мс составило индивидуально от j до 10 дБ, в среднем 7 дБ. По порогам ощущения для импульсной [вуковой последовательности, измеренным для нисходящей части ;уммационной кривой (при длительностях короче 400 мс) был выполнен )асчет постоянной времени суммации, определяемой в модели Звислоцки Zwislocki, 1969) как коэффициент в уравнении, отражающем зависимость лежду интенсивностью и длительностью сигнала.

С +к*ои\

Ж Ршг - порог в линейных величинах, С, к, - коэффициенты 1ропорциональности, t - длительность стимула, т - постоянная временной штеграции громкости. Постоянная временной интеграции громкости жазалась равной 310 мс. Вычисленное значение постоянной времени было Злизко к измеренной в эксперименте критической длительности стимула. Измеренные нами рамки временной интеграции интенсивности для шпульсной звуковой последовательности в 400 мс соответствовали ¡ременной границе смены критерия перцептивного признака 'пространственного перемещения источника" при восприятии амплитудно-тмпульсно-модулированных сигналов, определенной ранее (Вартанян, Черниговская, 1980). Это позволило нам предположить, что временные штегративные процессы в слуховой системе являются причиной, по

Рис.1. Взаимосвязь временной интеграции громкости с восприятием приближения или удаления звукового источника. А) Средние значения изменения порога слышимости импульсной последовательности при разной ее длительности. По оси X -длительность, мс; по оси У - изменение порога, дБ. Б) Число ошибок при опознании направления изменения амплитуды сигнала. По оси X -длительность сигнала, мс; по оси У - число ошибок при опознании, %. В) Влияние обратной маскировки на опознание направления амплитудных изменений. По оси X - величина задержки, мс; по оси У - изменение времени реакции по сравнению с контрольным (без шума), мс.

которой моделирование движения источника изменением интенсивности звука возможно только при длительностях сигналов больших 400 мс. В цитируемой работе длительность сигналов и скорость изменения амплитуды изменялись одновременно, поэтому оставалось неясным, какой из параметров вызывал изменение перцептивного критерия.

Серия экспериментов по восприятию сигналов с глубиной модуляции от 20 до 50 дБ (разницей между начальной и конечной амплитудой модельной импульсной последовательности) однозначно доказала, что глубина амплитудной модуляции, имитирующая разную скорость движения источника звука, не влияет на определение самого признака движения источника. При длительности сигналов 1 с процент оценок сигналов как неподвижных составлял 13-20 % от общего числа ответов. Для сигналов длительностью 400 мс он увеличился до 27-30 %, то есть примерно каждый третий сигнал воспринимался испытуемыми как неподвижный. Таким образом, уменьшение длительности стимула до значения, соответствовавшего границе смены перцептивного признака, привело к тому, что сигнал стал значительно чаще оцениваться как исходящий от неподвижного источника звука. Ограничение для слухового восприятия движения источника звука в саггитальной плоскости, моделируемого изменением амплитуды, оказалось обусловленным длительностью сигнала.

Сравнительный анализ восприятия движения источника звука при разных частотах заполнения импульсной последовательности показал, что при всех несущих частотах в импульсах в диапазоне от 500 до 3000 Гц испытуемые оценивали сигналы как движущиеся. Для всех несущих частот доля ответов "не движется" не превышала 14%. Для частот 500-1200 Гц количество оценок "абсолютно четко" и "довольно четко" было значительно больше (в 4 раза), чем "есть некоторые признаки движения" и

"не движется", тогда как при частотах 1500-3000 Гц это соотношение оценок уменьшается вдвое. Наблюдавшееся при частотах ниже 1500 Гц более четкое восприятие движения можно объяснить условиями предъявления сигнала. При использованном нами расстоянии от испытуемого до акустической колонки 0,8 м снижение несущей частоты импульсов сигнала могло влиять на субъективную оценку того, как далеко от испытуемого происходит движение, и усиливать ощущение близости источника звука (von Bekesy, 1960; Haustein, 1969). Влияние частоты сигнала на оценку удаленности его источника является достаточно сложным и, по-видимому, в большей степени связано с тем, на каких расстояниях от слушателя происходит движение, а не с тем, происходит ли оно вообще.

Влияние временно» интеграции интенсивности на время реакции выбора н число ошибок при оценке направления изменения амплитуды сигнала, имитирующего приближение и удаление источника звука. Применение таких физиологических показателей как время реакции и количество ошибок наиболее эффективно в случаях, когда задача опознания достаточно сложна (Голубинов, Забродин, 1991). Результаты измерений числа ошибок и времени реакции в зоне смены критерия свидетельствовали о сложности опознания направления изменения громкости сигналов при длительностях менее 400 мс (РисЛБ). При длительностях амплитудно-импульсно-модулированного сигнала 150 мс и менее опознание направления изменения амплитуды отсутствовало. Это соответствовало временному окну, наблюдаемому по вызванной активности в слуховой системе, равному 150-170 мс (Loveless et al., 1996; Yabe et al., 1997), и соотносилось с максимальной длительностью звукового сигнала, которая вызывала формирование следа памяти о внешнем сигнале как едином во времени "событии". Последующие 150-

170 мс формировали второе временное окно или второе "событие". Если предположить, что для достоверного опознания амплитудных изменений необходимо сопоставление двух полных временных окон, то сложности в опознании сигнала должны прекращаться при его длительности в 300-340 мс. При длительностях от 150 до 400 мс, что соответствует "заполнению" второго последовательного временного окна, по нашим данным, происходил переход к достоверному опознанию направления изменений амплитуды сигнала на уровне 90-95% опознания. Одним из возможных вариантов того, как происходит восприятие движения является следующий: при принятии решения сравнивается интенсивность первой и второй половины сигнала. Этот вариант модели соответствует известной гипотезе о «по-кадровом» восприятии движения (Grantham, 1986). При длительности 400 мс и более наблюдалось устойчивое опознание направления амплитуды сигналов и такие сигналы уже соотносились испытуемыми с пространственным перемещением источника звука в направлении приближения или удаления. Восприятие приближения или удаления было возможно только при условии устойчивого (вероятность 90%) опознания направления изменения амплитуды сигнала. Это полностью согласовалось с предположением о роли временной интерации интенсивности в восприятии приближения или удаления источника звука, моделируемого изменением амплитуды сигнала.

При изучении показателей восприятия направления амплитудных изменений сигналов мы обнаружили разные типы зависимости времени реакции выбора и числа ошибок для сигналов длительностью менее 400 мс. Испытуемые по своим психофизическим показателям разделились на две группы. Различное поведение испытуемых можно было объяснить с позиции теории оптимальных решений (Голубиное, Забродин, 1991). Испытуемые первой группы при усложнении задачи стремились

избавиться от неопределенности, упростив для себя задачу. Для них был характерно постоянство времени реакции и быстрый рост числа ошибо при увеличении сложности задачи в результате укорочения сигнал; Испытуемые второй группы пытались решить поставленную задач) Увеличение ошибок на коротких длительностях стимулов в этой групп значительно меньше, но вместе с тем эти испытуемые увеличивал: примерно в 2 раза время реакции, что, возможно, было связано включением кратковременной памяти.

Стабильность психофизических параметров в повторных опыта позволяла предположить, что принадлежность испытуемого к одной и двух групп отражала индивидуальные особенности его слухомоторно1 организации.

В исследовании зависимости времени реакции и числа ошибок о' длительности стимула с несущей частотой модельных сигналов 1 кГц I при заполнении импульсов широкополосным шумом не было обнаружен« различий по этим показателям при опознании направления измененш амплитуды. Заполнение импульсов последовательности, по-видимому, ш влияло на основной признак, по которому определяется направлен^ движения, - направление изменения амплитуды сигнала.

Для испытуемых обеих групп обнаружен узкий диапазон длительностей, в котором время реакции на возрастающие и убывающие по амплитуде сигналы оказалось различным. Это достоверное различие (р<0,05) обнаруживалось при двух-трех значениях длительности сигналов в интервале 400 - 1000 мс. Среднее время реакции выбора на возрастающие по амплитуде сигналы оказалось на 300-600 мс больше, чем на убывающие. В том же интервале длительностей сигнала испытуемые допускали в 3 раза больше ошибок при определении нарастания интенсивности сигнала, чем при определении ее убывания. Это различие в

ошибках согласуется с данными, представленными в литературе (Вартанян, Черниговская, 1980). Итак, достоверное опознание направление изменения амплитуды для сигналов длительностью более 400 мс сопровождалось возникновением разницы в величине времени реакции выбора при восприятии уменьшающихся и увеличивающихся по амплитуде сигналов. Наблюдавшееся нами различие времени реакции и числа ошибок являлось, по-видимому, отражением процессов поиска и принятия решения (Аткинсон,1980). Эталонный сигнал легче опознавался испытуемыми - с меньшим числом ошибок и (или) с меньшим временем реакции.

Проявление временной интеграции интенсивности сигнала при восприятии изменения его амплитуды в условиях обратной маскировки н непрерывного шума. В связи со сложностями измерения временной интеграции громкости на надпороговом уровне прямыми методами попарного сравнения (Гольдбурт, 1964) для выявления интегративного процесса нами была использована методика обратной маскировки (Pickett, 1959; Elliott, 1962). Мы наблюдали изменение восприятия направления изменения амплитуды сигнала по времени реакции выбора (Рис.1 В). Когда задержка между сигналом и бинауральным маскером была 20 и 150 мс, то есть была меньше критической длительности стимула, то время реакции увеличивалось по сравнению с контрольным на 250 и 100 мс соответственно. При задержке 500 мс, больше критической длительности стимула, время реакции уменьшалось по сравнению с контрольным на 170 мс. Влияние маскировки наблюдалось, таким образом, при интервале между началами сигнала и маскера меньшем, чем критическая длительность стимула, в виде затруднения в оценке параметров сигнала - увеличении времени реакции, и в виде облегчения восприятия при интервале, большем чем тот, в пределах

которого наблюдалось временная интеграция интенсивности. Итак, данные, полученные при обратной маскировке модельных сигналов, подтвердили влияние временной интеграции интенсивности на восприятие направления амплитуды сигналов среднего уровня интенсивности в диапазоне длительностей амплитудно-импульсно-модулированных сигналов до 400 мс.

В тех случаях, когда полная маскировка при распознании сигнала в нашем эксперименте не была достигнута, достоверных различий двух видов маскировки - контрапатеральной и бинауральной, не обнаруживалось. При использованных нами уровнях интенсивности сигнала и маскера (39 и 56,5 дБ) переслушивание было полностью исключено. По данным литературы для тона I кГц, узкополосного шума с центральной частотой 1 кГц или широкополосного шума переслушивание возникает при интенсивности сигнала не менее 58 дБ и зависит от типа амбушюров (Sparrevohn, 1946; Linden, 1954; Palva, Palva, 1962; Feldman, 1967; Chaiklin, 1967; Gyllencreuts, Liden, 1967; Розенблюм, 1968; Coles, Priede, 1970; Snyder, 1973; Барсуков, 1974; Барсуков, 1978). Задержка маскера отсчитывалась от момента начала сигнала, и длительность сигнала почти всегда превышала величину задержки; поэтому фактически происходило совместное действие последовательной обратной и одновременной маскировки. Можно было бы ожидать различия в результатах бинауральной и контралатеральной маскировки, так как в первом случае взаимодействие сигнала и маскера могло происходить и на периферии слуховой системы, и в ее центрах. Во втором случае взаимодействие начальной части сигнала (равной величине задержки) и маскера ограничивалось центральными отделами слуховой системы. Результаты указывают на то, что процесс опознания сигнала определялся

временем между началами сигнала и маскера и не зависел от того, была ли подача маскера бинауральной или контралатеральной.

На фоне непрерывного широкополосного шума интенсивностью 40 дБ наблюдалось ухудшение опознания направления изменения амплитуды при сигналах средней интенсивности. Полученные данные свидетельствовали о замедлении сенсомоторной реакции и об увеличении числа ошибок при определении амплитудных изменений сигналов, соотносящихся испытуемыми с пространственным перемещением источника звука. Зависимость общего числа ошибок от длительности сигналов, подававшихся на фоне шума, свидетельствовала о достаточно высокой достоверности опознания сигналов длительностью более 400 мс. Это, по-видимому, соответствовало тому, что граница временной интеграции интенсивности не изменялась при прослушивании сигнала на фоне белого шума средней интенсивности.

При восприятии убывающего по амплитуде сигнала приращение количества ошибок по сравнению с контрольными измерениями в тишине было больше, чем приращение числа ошибок при оценке направления возрастающего по амплитуде сигнала. В тишине различие по амплитуде начальной и конечной частей линейно модулированной импульсной последовательности могло вызывать неодновременную маскировку одной части сигнала другой. Убывающие по громкости сигналы имели большую амплитуду импульсов в начальной части сигнала и меньшую на 30 дБ - в конечной. Очевидно, что наибольший маскирующий эффект возникал при прямой маскировке начальной частью сигнала, имеющей большую интенсивность, его конечной части. При восприятии возрастающего по громкости сигнала более значительным было влияние обратной маскировки большей по интенсивности конечной части сигнала на начальную. Так как обратная маскировка была выражена в большей

степени и имела более длительное воздействие, чем прямая (Elliot, 1962 Гольдбурт, 1964), то оценивать направление изменения амплитуд! возрастающего сигнала оказывалось для слушателя сложнее, чег убывающего. Это проявлялось в большем числе ошибок при оценк возрастающего сигнала по сравнению с убывающим. На фоне белого шум; возрастало число ошибок преимущественно на убывающий по амплитуд: сигнал и асимметрия в восприятии сигналов с убывающей и возрастаю uiei амплитудой исчезала. Это, по-видимому, происходило вследствие того, чтс действие прямой и обратной маскировки на фоне непрерывного шум: проявлялось в одинаковой степени (Deatherage, Evans, 1969).

ВЫВОДЫ.

1. Измерение критической длительности импульсной последовательности на пороге слышимости и временных параметров обратной маскировки широкополосным шумом при среднем уровне интенсивности сигнала (39,5 дБ) показало, что временная интеграция интенсивности происходит в течение 400 мс после начала сигнала.

2. В диапазоне скоростей изменения амплитуды сигнала от 20 до 50 дБ/с параметром, ограничивающим восприятие имитируемого приближения или удаления источника звука, являлась длительность, а не скорость изменения амплитуды последовательности звуковых импульсов.

3. Ощущение движения звукового источника возникало у испытуемых при заполнении амплитудно-импульсно-модулированных последовательностей всеми исследованными частотами от 500 до 3000 Гц. Это свидетельствовало о незначительном влиянии несущей частоты на имитацию движения.

4. Выявлены две группы испытуемых, характеризующиеся различной зависимостью времени реакции от длительности сигнала. Испытуемые

первой группы реагировали с одинаковым временем реакции выбора на сигналы разной длительности, у испытуемых второй группы увеличивалось время реакции при уменьшении длительности сигналов короче 400 мс. Число ошибок существенно возрастало в обеих группах при опознании направления амплитудных изменений сигналов длительностью короче 400 мс. При длительностях амплитудно-модулированных импульсных последовательностей короче 150 мс достоверное опознание испытуемыми направления изменения амплитуды сигналов было невозможным.

5. Для испытуемых обеих групп обнаружен диапазон длительностей, в котором среднее время реакции выбора на возрастающие по амплитуде сигналы оказалось на 300-600 мс больше, чем на убывающие. В том же интервале длительностей сигнала испытуемые в три раза лучше (по числу ошибок) определяли убывание интенсивности, чем ее нарастание. Это свидетельствует о том, что убывающие по интенсивности сигналы, имитирующие удаление, опознаются быстрее и с меньшим числом ошибок, чем возрастающие сигналы, имитирующие приближение.

5. На фоне белого шума средней интенсивности временная граница опознания направления амплитудных изменений сигнала оказалась такой же, как в тишине. При этом изменилось соотношение числа ошибок на возрастающие и убывающие по амплитуде сигналы: в тишине число ошибок при опознании возрастающих по громкости сигналов было значительно большим, чем при опознании убывающих; на фоне шума число ошибок оказалось одинаковым при опознании сигналов обоих направлений изменения амплитуды. Это позволяет считать, что на фоне широкополосного шума приближение и удаление звукового источника опознается с одинаковой вероятностью.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ.

1.Вартанян И. А., Андреева И.Г., Маркович A.M. Обучение у межполушарные отношения при опознании человеком акустически? сигналов, меняющихся по амплитуде//В кн.: Совещание по проблемам высшей нервной деятельности, посвящ. 140-летию со дня рождение акад. И.П. Павлова, XXXVI11. Л. Наука. 1.989. с.260.

2. Андреева И.Г., Маркович A.M. Особенности принятия решения с направлении изменения амплитуды акустических сигналов разно£ длительности//Сенсорные системы. 1992. т.8. № 1. с. 50-54.

3. Андреева И.Г., Вартанян И.А. Возрастные различия в слуховое восприятии изменения амплитуды импульсно-модулированного сигнал; у лиц разного пола//Сенсорные системы. 1994. т.8. № 1. с. 81-86.

4. Andreeva I.G. Effect of broad band noise masking on monaural perception o: amplitude-modulated signal//II Biennai symposium "Modern problems o: physiology and pathology of hearing": Abstracts. Moskow, Oct.23-25, 1995 p.9.

5. Andreeva I.G., Tokareva T.l. The middle intensity noise influence on the human estimation of the sound source movement direction. //Fourtl International Congress on sound and vibration. St.Peterburg. V.3. 1996. P 1385-1388.

6. Vartanian 1.А., Andreeva l.G. The role of temporal loudness integration ii evaluating of the source distance changing: modeling of monaural spatia cues//International Symposium on Simulation, Visualization and Auralizatioi for Acoustic Research and Education, 2-4 apr. 1997, Tokyo (In press).

7. Вартанян И.А., Андреева И.Г. Минимальное время восприятия движени) источника звука: моделирование движения в направлении приближения удаления. Помехоустойчивость восприятия монауральных признако]

приближения и удаления источников звука.//Зй Российско-американский симпозиум "Медико-биологические исследования по программе "Наука-НАСА" (Хантсвилл, Алабама, США, 10-13 ноября, 1997)//Тезисы докладов. Под ред. акад. А.Н. Григорьева. Изд. Фирма "Слово", М., 1997. с.38-39.

8. Андреева И.Г., Вартанян И.А. Влияние временной интеграции громкости на восприятие удаления-приближения источников звука//Физиология человека. 1997. т.23. N6. с.5-11.

9. Вартанян И.А., Андреева И.Г. Восприятие импульсных сигналов и оценка человеком направления движения источника звука на фоне шума средней интенсивности//Физиология человека. 1998. т.24. N1. с. 40-45.

10.Вартанян И.А., Андреева И.Г. Ориентировка человека в акустическом пространстве: изучение с позиций индивидуальной экологической валентности к шуму//Материалы 111 Всероссийской научно-практической конференции с международным участием "Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности" 16-18 июля 1998 г. СПб под ред. Н.И. Иванова. Т.З. С.187.

Подписано к печати 07.09.98. Заказ 228 Тираж 100 Объем 1,25 п.л. Ц0П СПГУ. 199034, Санкт-Петербург, наб. Макарова,6.

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Андреева, Ирина Германовна, Санкт-Петербург

/У/ ' . X ^ /7

«, " ц <" ^

/

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ИНСТИТУТ ЭВОЛЮЦИОННОЙ ФИЗИОЛОГИИ И БИОХИМИИ

ИМ. И.М. СЕЧЕНОВА

На правах рукописи

АНДРЕЕВА ИРИНА ГЕРМАНОВНА

АНАЛИЗ ВРЕМЕННОЙ ГРАНИЦЫ ВОСПРИЯТИЯ ПРИБЛИЖЕНИЯ И

УДАЛЕНИЯ ИСТОЧНИКА ЗВУКА

03.00.13 - физиология человека и животных

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: доктор биологических наук И. А. Вартанян

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

Введение...........................................................................................................................5

Глава 1. Обзор литературы...........................................................................................10

1.1.Локализация человеком звукового источника...............................................10

1.2.Признаки удаленности источника звука.........................................................16

1.2.1. Оценка удаленности источника звука по спектру сигнала.........................................................................................................17

1.2.2.Роль реверберации при оценке расстояния до источника звука......19

1.2.3.Оценка удаленности источника звука по интенсивности сигнала...20

1.3.Моделирование приближения и/или удаления источника звука...................23

1.4.Фактор времени при оценке громкости звукового стимула..........................31

1.5.Количественная оценка показателей временной интеграции интенсивности и критической длительности стимула для тонов и узкополосных шумов.........36

Глава 2. Методы изучения восприятия звуковых последовательностей, моделирующих приближение и удаление источника звука....................................42

2.1.Временная структура и спектр звуковых сигналов......................................42

2.2.Испытуемы е....................................................................................................45

2.3.Экспериментальная установка.......................................................................47

2.4.Пороги слышимости импульсных последовательностей..............................51

2.5.Оценка испытуемыми признака движения при разной глубине амплитудной модуляции и длительности модельного сигнала.................................................51

2.6.Шкалирование признака движения источника звука при разной несущей частоте модельного сигнала................................................................................52

2.7.Время реакции выбора и число ошибок при оценке направления изменения амплитуды сигнала................................................................................................53

2.8.Маскирование сигнала непрерывным и задержанным во времени белым шумом................................................................................................................... 54

Глава 3. Связь параметров временной интеграции интенсивности с перцептивным качеством звука.................................................................................58

3.1.Критическая длительность стимула и постоянная времени для амплитудно-импульсно-модулированных сигналов................................................................58

3.2.Влияние скорости изменения амплитуды сигнала и его длительности на восприятие движения источника звука................................................................62

3.3.Роль несущей частоты импульсной последовательности при восприятии движения источника звука....................................................................................64

Глава 4. Влияние временной интеграции интенсивности на время реакции выбора и число ошибок при оценке направления изменения амплитуды сигнала,

имитирующего приближение и удаление источника звука....................................68

4.1.Предварительные опыты................................................................................68

4.1.1.Воздействие межстимульного интервала на величину времени реакции........................................................................................................68

4.1.2.Проверка повторяемости результатов и исключение формирования навыка при опознании сигналов................................................................68

4.1.3. Оценка состояния испытуемых испытуемых до и после опыта............................................................................................................71

4.2.Время реакции и количество ошибок как показатель смены критерия

перцептивного признака......................................................................................73

Глава 5. Проявление временной интеграции интенсивности при восприятии изменения амплитуды в условиях обратной маскировки и непрерывного

шума................................................................................................................................82

5.1.Отражение процесса временной интеграции интенсивности при обратной контралатеральной и бинауральной маскировке амплитудно-импульсно-

мо дулированных сигналов....................................................................................82

5.2.Влияние шума средней интенсивности на восприятие амплитудно-

импульсно-модулированных сигналов...............................................................86

Глава 6. Обсуждение результатов................................................................................91

Выводы...........................................................................................................................103

Список литературы......................................................................................................106

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы.

Изучение восприятия источника звука, движущегося в сагиттальной плоскости вдоль радиальной координаты (приближение или удаление), является одной из задач, находящихся в рамках решения более общей проблемы - локализации движущегося источника звука в пространстве. Наряду со зрением, которое у человека обеспечивает контроль за передним полупространством, слух выполняет функцию раннего обнаружения объектов во всех направлениях. Это обуславливает важность вопроса о временных рамках восприятия движения при изучении механизмов анализа слуховой системой пространственной звуковой информации. Для азимутальной координаты минимальная длительность сигнала, достаточная для определения того, что источник звука движется была оценена в целом ряде работ (Висков, 1975; Perrot, Musicant, 1977; Grantham, Wightman, 1979; Романов, 1980; Grantham, 1986; Perrott, Pacheco, 1989; Strybel, Neale, 1994).

При движении звукового источника по радиальной координате универсальным признаком изменения расстояния до источника звука в условиях свободного поля является изменение амплитуды (Blauert, 1972; Ashmead et al., 1995). При изучении механизмов анализа слуховой системой приближения и удаления звукового источника был предложен сигнал, представляющий собой импульсную звуковую последовательность, линейно модулированную по амплитуде (Gersuni, Vartanian, 1973). На этой модели была выполнена оценка минимальной длительности стимула, достаточной для восприятия движения вдоль радиальной координаты (Вартанян, Черниговская, 1980).

Настоящая работа направлена на исследование влияния временной интеграции интенсивности звука у человека на восприятие амплитудных изменений импульсной звуковой последовательности и анализ временной границы восприятия движения в сагиттальной плоскости.

Целью работы было изучение роли процесса временной интеграции интенсивности звука в восприятии приближения или удаления его источника на модели линейно модулированной по амплитуде импульсной последовательности. Основные задачи исследования:

1. Оценить параметры временной интеграции интенсивности импульсной звуковой последовательности.

2. Изучить восприятие имитируемого приближения или удаления источника звука при разных длительности, глубине амплитудной модуляции и спектральном составе импульсной последовательности.

3. Определить влияние временной интеграции интенсивности сигнала на опознание направления амплитудных изменений при помощи показателей восприятия - времени реакции выбора и числа ошибок.

4.Выявить воздействие временной интеграции громкости на восприятие направления изменения амплитуды импульсной последовательности в условиях обратной маскировки и на фоне непрерывного шума.

Научная новизна.

Исследовано восприятие звуковой импульсной последовательности, имитирующей движение по радиальной координате, при разных скоростях изменения амплитуды. Впервые показано, что восприятие приближения или удаления источника

звука, моделируемого изменением амплитуды со скоростью 20-50 дБ/с, возможно только для длительностей сигнала более 400 мс.

Обнаружены две группы испытуемых, различающихся по времени реакции выбора при определении направления амплитудных изменений звукового сигнала при длительностях короче 400 мс. В первой группе время реакции выбора было одинаково для сигналов разных длительностей, во второй - увеличивалось в 1,5-2 раза при длительностях 80-200 мс. Достоверность опознания снижалась с уменьшением длительности сигнала у всех испытуемых. При длительностях сигнала короче 150 мс все испытуемые не могли определять направление амплитудных изменений. Для испытуемых обеих групп обнаруживался диапазон длительностей, в котором число ошибок на возрастающие по амплитуде сигналы оказывалось в три раза больше, чем на убывающие.

Выявлено, что на фоне белого шума средней интенсивности временная граница опознания направления амплитудных изменений не изменилась по сравнению с тишиной. При восприятии убывающих и возрастающих по амплитуде сигналов длительностью более 400 мс на фоне шума количество ошибок становилось одинаковым по сравнению с достоверно разным числом ошибок на эти сигналы в тишине. Соотношение числа ошибок на убывающие и возрастающие по амплитуде сигналы длительностью меньше 400 мс не изменилось на фоне шума по сравнению с прослушиванием сигналов в тишине.

При помощи метода обратной маскировки доказано влияние временных интеграционных процессов на восприятие направления моделируемого движения при средних уровнях интенсивности звука.

Научно-практическая ценность исследования.

Работа посвящена изучению роли интеграционных процессов в формировании восприятия движения источника звука и разработке вопроса выделения сигнала, содержащего признаки изменения расстояния до источника звука, из широкополосного шума.

Данное исследование является необходимым шагом для развития теоретических представлений об ориентации человека в трехмерном акустическом пространстве, а с практической точки зрения - для создания тренировочных программ с целью формирования способности операторов использовать акустический канал связи при решении различного рода навигационных задач.

Полученные данные составили часть научно-исследовательской работы, выполненной для Российского космического агенства по теме "Формирование способности оператора ориентироваться в трехмерном акустическом пространстве на основе оценки движения звукового образа" и были применены для создания компьютерных программ синтеза стимулов, имитирующих перемещение в пространстве звуковых источников. Результаты работы были использованы в лекционных курсах и практических демонстрациях для студентов факультета естественных наук Ленинградского государственного областного университета. Апробация работы.

Основные результаты, включенные в диссертацию, были представлены на XXXVIII Совещании по проблемам высшей нервной деятельности, посвящ. 140-летию со дня рождения акад. И.П. Павлова, (Л., 1989); X Всесоюзном совещ. по эволюц. физиологии (Л., 1990); Fourth IBRO World Congress of Neuroscience (Kyoto, 1995); II Biennal symposium "Modern problems of physiology and pathology of hearing"

(Moscow, 1995); конференции молодых физиологов и биохимиков России "Биохимические и биофизические механизмы физиологических функций (С.Петербург, 1995); 1(Х1) Международном совещании по эволюционной физиологии (С.Петербург, 1996); Fourth International Congress on sound and vibration (St.Peterburg, 1996); Российско-Американском совещании по программе "Мир-НАСА" (Москва,

1996); International Symposium on Simulation, Visualization and Auralization for Acoustic Research and Education (Tokyo, 1997); рабочем совещании "Физиологические механизмы опознания биологически значимых слуховых сигналов" (С.Петербург,

1997), III Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности» (С.Петербург, 1998).

По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ (5 статей и 5 тезисов докладов).

Структура и объем работы.

Диссертация изложена на 120 страницах и состоит из введения, обзора литературы - глава 1, описания методики экспериментов - глава 2, результатов -главы 3,4 и 5, обсуждения - глава 6, выводов и указателя литературы, включающего 153 источника (из них 112 иностранных). Работа иллюстрирована 21 рисунком и 2 таблицами.

Глава 1. Обзор литературы. 1.1. Локализация человеком звукового источника.

Локализация человеком объектов в окружающем пространстве с помощью слуха на два порядка менее точна, чем при использовании зрения (Grantham, 1995). Для зрения точность локализации определяется угловыми секундами, а при помощи слуха максимальная точность составляет около 1 градуса. Однако, мир звука имеет то преимущество, что он может оцениваться наблюдателем по всем направлениям, в том числе, человек может определять положение звучащих объектов, находящихся позади него и недоступных для зрения. Эта особенность восприятия человеком окружающего мира дает возможность слуховой системе первой обнаруживать событие, происходящее вне сферы видимости, и определять положение головы по отношению к этому событию для более точной визуальной оценки (Perrott, Saben, Brown, Stiybel, 1990). Способность человека и животных определять местоположение объекта важна для их выживания, так как это свойство позволяет избегать опасных для жизни ситуаций и обеспечивает результат внутривидовой и межвидовой акустической коммуникации, тем самым способствуя выживанию вида как целого (Вартанян, 1979). Функция слуховой системы как "системы раннего обнаружения" (Grantham, 1995) предполагает высоко развитую чувствительность к изменениям звукового пространства.

В соответствии с двусторонней симметрией тела человека, строением наружного уха и определяемым ими распространением звуковых волн трехмерное акустическое пространство в задачах физиологической акустики описывают с

помощью сферической системы координат (Альтман, 1972): азимутального угла, элевационного угла и расстояния от наблюдателя (рис.1). Центр координат расположен посередине оси, соединяющей правое и левое ухо. Азимут определяет угол относительно фронтального направления. Элевация описывает уровень расположения источника звука относительно горизонтальной плоскости, проходящей через межушную линию. Удаленность - это третья координата сферической системы, определяемая как расстояние от наблюдателя до источника звука. Изучение механизмов локализации по каждой из трех координат привело к появлению более узких областей исследования: изучение локализации источника звука в горизонтальной плоскости, определение его положения в вертикальной плоскости и оценка удаленности источника звука.

Рис.1. Сферическая система координат, принятая для описания пространственного положения источника звука. Ф - азимут, 0 - элевация, г - удаленность.

Локализация источника звука в горизонтальной плоскости основывается на признаках различий в сигналах, приходящем на правое и левое ухо слушателя. Если звук предъявляется не строго фронтально, а под некоторым углом к голове слушателя, то голова будет препятствием на пути от источника к более удаленному уху (ЯауЫ^, 1907). Это приведет к появлению разницы в уровне

звукового давления для сигнала, поступающего на правое и на левое уши. Величина этой разницы зависит от соотношения длины волны и размеров головы. На высоких частотах (10 кГц) ее значение у человека может достигать 35 дБ при азимутальном угле 90° (Middlebrooks, Makous, Green, 1989). Для частот менее 1 кГц длина звуковой волны может быть в несколько раз больше размеров головы и разница в уровне звукового давления будет пренебрежимо мала. В этом диапазоне частот признаком, определяющим смещение источника от фронтального положения будет межушная разница в фазе (или времени) сигнала. При частотах выше 2 кГц межушная разница во времени может быть определена по формуле:

t=(r/c)[0+sin(0)]

где т - межушная задержка, с - скорость звука в воздухе, г - радиус сферы, моделирующей голову слушателя, 8 - азимутальный угол источника звука в радианах. Этот результат был получен на основе геометрических расчетов разницы в пути, который проходит звук от источника до двух точек, соответствующих положению ушей на поверхности сферы с размерами головы (Woodworth, 1938). Его можно использовать и для более низких частот до 500 Гц, но в этом случае в правой части формулы применяют коэффициент 2/3. При переходе от одного механизма анализа различий к другому в диапазоне частот 1500-3000 Гц наблюдается ухудшение локализации источника звука (Stevens, Newman, 1936; Sandel et al., 1955; Mills, 1958; Mills, 1972), причем наибольшие сложности в локализации наблюдали при частоте звука 3000 Гц. Так, например, для азимутальных углов до 60° точность локализации в этом диапазоне частот

увеличивалась примерно до 5°, а при больших азимутальных углах она ухудшалась до 30° и более.

Монауральная локализация источника звука в горизонтальной плоскости осуществима человеком при достаточной длительности звукового сигнала и при возможности наблюдателя осуществлять движения головой, которые приводят к выявлению направления благодаря максимальной стимуляции лоцирующего уха (Rosenzweig, 1961). Удовлетворительная оценка азимутального угла возможна при участии только одного уха для сигналов, �