En audiología y psicoacústica, el concepto de bandas críticas , introducido por Harvey Fletcher en 1933 [1] y perfeccionado en 1940, [2] describe el ancho de banda de frecuencia del "filtro auditivo" creado por la cóclea , el órgano sensorial de la audición dentro del interior. oído . Aproximadamente, la banda crítica es la banda de frecuencias de audio dentro de la cual un segundo tono interferirá con la percepción del primer tono por enmascaramiento auditivo .
Psicofisiológicamente , las sensaciones de latido y rugosidad auditiva pueden estar vinculadas a la incapacidad del mecanismo de análisis de frecuencia auditiva para resolver entradas cuya diferencia de frecuencia es menor que el ancho de banda crítico y al "cosquilleo" irregular resultante [3] del sistema mecánico ( membrana basilar ) que resuena en respuesta a tales entradas. Las bandas críticas también están estrechamente relacionadas con los fenómenos de enmascaramiento auditivo : audibilidad reducida de una señal de sonido cuando se encuentra en presencia de una segunda señal de mayor intensidad dentro de la misma banda crítica. Los fenómenos de enmascaramiento tienen amplias implicaciones, que van desde una relación compleja entre la sonoridad(marco de referencia perceptual) e intensidad (marco de referencia físico) a los algoritmos de compresión de sonido .
Filtros auditivos
Los filtros se utilizan en muchos aspectos de la audiología y la psicoacústica, incluido el sistema auditivo periférico. Un filtro es un dispositivo que aumenta ciertas frecuencias y atenúa otras. En particular, un filtro de paso de banda permite que pase un rango de frecuencias dentro del ancho de banda mientras detiene las que están fuera de las frecuencias de corte. [4]
La forma y organización de la membrana basilar significa que diferentes frecuencias resuenan con especial fuerza en diferentes puntos a lo largo de la membrana. Esto conduce a una organización tonotópica de la sensibilidad a los rangos de frecuencia a lo largo de la membrana, que puede modelarse como una serie de filtros de paso de banda superpuestos conocidos como "filtros auditivos". [5] Los filtros auditivos están asociados con puntos a lo largo de la membrana basilar y determinan la selectividad de frecuencia de la cóclea y, por lo tanto, la discriminación del oyente entre diferentes sonidos. [4] [6] No son lineales, dependen del nivel y el ancho de banda disminuye desde la base hasta el vértice de la cóclea a medida que la sintonía en la membrana basilar cambia de alta a baja frecuencia. [4] [6] [7] El ancho de banda del filtro auditivo se llama ancho de banda crítico, como lo sugirió por primera vez Fletcher (1940). Si una señal y un enmascarador se presentan simultáneamente, solo las frecuencias del enmascarador que caen dentro del ancho de banda crítico contribuyen al enmascaramiento de la señal. Cuanto mayor sea el ancho de banda crítico, menor será la relación señal / ruido (SNR) y más enmascarada estará la señal.
Otro concepto asociado con el filtro auditivo es el ancho de banda rectangular equivalente (ERB). El ERB muestra la relación entre el filtro auditivo, la frecuencia y el ancho de banda crítico. Un ERB pasa la misma cantidad de energía que el filtro auditivo al que corresponde y muestra cómo cambia con la frecuencia de entrada. [4] [6] A bajos niveles de sonido, el ERB se aproxima mediante la siguiente ecuación según Glasberg y Moore: [6]
- ERB (f) = 24,7 * (4,37 f / 1000 + 1),
donde el ERB está en Hz y f es la frecuencia central en Hz.
Se cree que cada ERB equivale a alrededor de 0,9 mm en la membrana basilar. [6] [7] El ERB se puede convertir en una escala que se relaciona con la frecuencia y muestra la posición del filtro auditivo a lo largo de la membrana basilar. Por ejemplo, un número de ERB de 3,36 corresponde a una frecuencia en el extremo apical de la membrana basilar, mientras que un número de ERB de 38,9 corresponde a la base y un valor de 19,5 se encuentra a medio camino entre los dos. [6]
Un tipo de filtro utilizado para modelar los filtros auditivos es el filtro gammatone . Proporciona un filtro lineal simple , que por lo tanto es fácil de implementar, pero no puede explicar por sí mismo los aspectos no lineales del sistema auditivo; sin embargo, se utiliza en una variedad de modelos del sistema auditivo . Las variaciones y mejoras del modelo de filtrado auditivo de gamma-tonos incluyen el filtro gamma-chirp, los filtros de gamma-tono de todos los polos y uno-cero, el filtro de gamma-tono de dos caras y los modelos de filtro en cascada, y varias versiones de estos dependientes del nivel y dinámicamente no lineales. [8]
Curvas de afinación psicoacústica
Las formas de los filtros auditivos se encuentran mediante el análisis de la afinación psicoacústica, que son gráficos que muestran el umbral de un sujeto para la detección de un tono en función de los parámetros del enmascarador. [9]
Para obtener una representación real de los filtros auditivos en un sujeto, es necesario calcular muchas curvas de sintonización psicoacústica con la señal en diferentes frecuencias. Para cada curva de sintonización psicoacústica que se mida, se deben calcular al menos cinco, pero preferiblemente entre trece y quince umbrales, con diferentes anchos de muesca. [10] También es necesario calcular una gran cantidad de umbrales porque los filtros auditivos son asimétricos, por lo que los umbrales también deben medirse con la muesca asimétrica a la frecuencia de la señal. [9] Debido a las muchas mediciones necesarias, la cantidad de tiempo necesaria para encontrar la forma de los filtros auditivos de una persona es muy larga. Para reducir la cantidad de tiempo necesario, se puede utilizar el método ascendente al encontrar los umbrales enmascarados. Si se utiliza el método ascendente para calcular el umbral, el tiempo necesario para calcular la forma del filtro se reduce drásticamente, ya que se necesitan alrededor de dos minutos para calcular el umbral. [10] Esto se debe a que el umbral se registra cuando el sujeto escucha el tono por primera vez, en lugar de cuando responde a un cierto nivel de estímulo en un cierto porcentaje del tiempo.
Anatomía y fisiología de la membrana basilar.
El oído humano se compone de tres áreas: el oído externo, medio e interno. Dentro del oído interno se encuentra la cóclea . La cóclea es una formación en forma de caracol que permite la transmisión del sonido a través de una ruta neurosensorial, en lugar de una vía conductiva. [11] La cóclea es una estructura compleja, que consta de tres capas de líquido. La scala vestibuli y la scala media están separados por la membrana de Reissner, mientras que la scala media y la scala tympani están divididos por la membrana basilar. [11] El siguiente diagrama ilustra la compleja disposición de los compartimentos y sus divisiones: [4]
La membrana basilar se ensancha a medida que avanza desde la base hasta el ápice. Por tanto, la base (la parte más fina) tiene mayor rigidez que el ápice. [4] Esto significa que la amplitud de una onda de sonido que viaja a través de la membrana basilar varía a medida que viaja a través de la cóclea. [11] Cuando se transporta una vibración a través de la cóclea, el líquido dentro de los tres compartimentos hace que la membrana basilar responda en forma de onda. Esta onda se conoce como "onda viajera"; este término significa que la membrana basilar no vibra simplemente como una unidad desde la base hacia el ápice.
Cuando se presenta un sonido al oído humano, el tiempo que tarda la onda en viajar a través de la cóclea es de solo 5 milisegundos. [11]
Cuando las ondas viajeras de baja frecuencia pasan a través de la cóclea, la amplitud de la onda aumenta gradualmente y luego decae casi de inmediato. La ubicación de la vibración en la cóclea depende de la frecuencia de los estímulos presentados. Por ejemplo, las frecuencias más bajas estimulan principalmente el ápice, en comparación con las frecuencias más altas, que estimulan la base de la cóclea. Este atributo de la fisiología de la membrana basilar se puede ilustrar en forma de un mapa de lugar-frecuencia: [12]
La membrana basilar sostiene el órgano de Corti , que se encuentra dentro de la escala media. [4] El órgano de Corti comprende células ciliadas tanto externas como internas. Hay aproximadamente entre 15.000 y 16.000 de estas células ciliadas en un oído. [11] Las células ciliadas externas tienen estereocilios que se proyectan hacia la membrana tectorial, que se encuentra sobre el órgano de Corti. Los estereocilios responden al movimiento de la membrana tectorial cuando un sonido provoca una vibración a través de la cóclea. Cuando esto ocurre, los estereocilios se separan y se forma un canal que permite que tengan lugar los procesos químicos. Finalmente, la señal llega al octavo nervio, seguida de un procesamiento en el cerebro. [11]
Relación con el enmascaramiento
Los filtros auditivos están estrechamente asociados con el enmascaramiento en la forma en que se miden y también en la forma en que funcionan en el sistema auditivo. Como se describió anteriormente, el ancho de banda crítico del filtro aumenta de tamaño al aumentar la frecuencia, junto con esto, el filtro se vuelve más asimétrico al aumentar el nivel.
Se cree que estas dos propiedades del filtro auditivo contribuyen a la propagación ascendente del enmascaramiento, es decir, las frecuencias bajas enmascaran mejor las frecuencias altas que a la inversa. Como aumentar el nivel hace que la pendiente de baja frecuencia sea menos profunda, al aumentar su amplitud, las bajas frecuencias enmascaran las altas frecuencias más que en un nivel de entrada más bajo.
El filtro auditivo puede reducir los efectos de un enmascarador cuando se escucha una señal con ruido de fondo utilizando la audición fuera de frecuencia. Esto es posible cuando la frecuencia central del enmascarador es diferente a la de la señal. En la mayoría de las situaciones, el oyente elige escuchar "a través" del filtro auditivo que se centra en la señal, sin embargo, si hay un enmascarador presente, esto puede no ser apropiado. El filtro auditivo centrado en la señal también puede contener una gran cantidad de enmascarador, lo que hace que la SNR del filtro sea baja y disminuya la capacidad de los oyentes para detectar la señal. Sin embargo, si el oyente escuchó a través de un filtro ligeramente diferente que aún contenía una cantidad sustancial de señal pero menos enmascarador, la SNR aumenta, lo que permite al oyente detectar la señal. [4]
El primer diagrama de arriba muestra el filtro auditivo centrado en la señal y cómo parte del enmascarador cae dentro de ese filtro. Esto da como resultado una SNR baja. El segundo diagrama muestra el siguiente filtro a lo largo de la membrana basilar, que no está centrado en la señal, pero contiene una cantidad sustancial de esa señal y menos enmascarador. Esto reduce el efecto del enmascarador aumentando la SNR.
Lo anterior se aplica al modelo de enmascaramiento de espectro de potencia. En general, este modelo se basa en el sistema auditivo que contiene la matriz de filtros auditivos y elige el filtro con la señal en su centro o con la mejor SNR. Solo el enmascarador que cae en el filtro auditivo contribuye al enmascaramiento y el enmascarador determina el umbral de la persona para escuchar la señal. [6]
Filtros auditivos normales y deteriorados
En un oído "normal", el filtro auditivo tiene una forma similar a la que se muestra a continuación. Este gráfico refleja la selectividad de frecuencia y la sintonía de la membrana basilar.
El ajuste de la membrana basilar se debe a su estructura mecánica. En la base de la membrana basilar es estrecha y rígida y responde mejor a las altas frecuencias. Sin embargo, en el vértice, la membrana es ancha y flexible y responde mejor a las bajas frecuencias. Por lo tanto, diferentes secciones de la membrana basilar vibran dependiendo de la frecuencia del sonido y dan una respuesta máxima a esa frecuencia en particular.
Sin embargo, en un oído dañado, el filtro auditivo tiene una forma diferente en comparación con la de un oído "normal". [14]
El filtro auditivo de un oído dañado es más plano y más ancho en comparación con un oído normal. Esto se debe a que la selectividad de frecuencia y la sintonización de la membrana basilar se reducen a medida que se dañan las células ciliadas externas. Cuando solo las células ciliadas externas están dañadas, el filtro es más ancho en el lado de baja frecuencia. Cuando las células ciliadas externas e internas están dañadas, el filtro es más ancho en ambos lados. Esto es menos común. La ampliación del filtro auditivo se produce principalmente en el lado de baja frecuencia del filtro. Esto aumenta la susceptibilidad al enmascaramiento de baja frecuencia, es decir, la propagación ascendente del enmascaramiento como se describe anteriormente. [6]
Ver también
- Volumen
- Psicoacústica , Efectos de enmascaramiento
- Enmascaramiento auditivo
- Consonancia y disonancia
- Ancho de banda rectangular equivalente
Referencias
- ^ https://archive.org/details/bstj12-4-377 | Bell System Technical Journal, octubre de 1933, "Sonoridad, su definición, medición y cálculo"
- ^ Fletcher, Harvey (1940). "Patrones auditivos". Reseñas de Física Moderna . 12 (1): 47–65. Código Bibliográfico : 1940RvMP ... 12 ... 47F . doi : 10.1103 / RevModPhys.12.47 .
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enlaces externos
- Vassilakis, PN y Fitz, K. (2007) . SRA: una herramienta de investigación basada en la web para el análisis espectral y de rugosidad de señales de sonido. Con el apoyo de una subvención del Northwest Academic Computing Consortium a J. Middleton, Eastern Washington University