1

Metody pomiarowe stosowane w psychoakustyce

Janusz Renowski

2

Eksperyment psychoakustyczny ma na celu określenie zależności pomiędzy bodźcem dźwiękowym i wywołanym przezeń wrażeniem słuchowym.

3

W szczególności polega on na:

– prezentowaniu słuchaczowi(om) określonych bodźców akustycznych (najchętniej ciągów sygnałów),

– rejestracji odpowiedzi słuchacza(y),– modyfikacji bodźca według zasad wynikających z

zastosowanej metodyki, i następnie

– ponownej prezentacji bodźca.

4

W eksperymencie psychoakustycznym zasadniczą rolę odgrywają trzy następujące czynniki:

– podmiot badań - słuchacz udzielający odpowiedzi zgodnie z instrukcją,

– przedmiot badań - badane zjawisko lub wielkość, – metodyka badawcza - sposób wykonywania

pomiarów. Niezwykle ważny jest dobór odpowiedniej metody pomiarowej.

Zajmijmy się więc stosowaną metodyką badawczą.

5

Omówimy główne metody pomiarowe stosowane w psychoakustyce, ze szczególnym uwzględnieniem wymogów , jakie poszczególne metody stawiają bodźcom akustycznym.

Przedstawiane metody mogą służyć do badania (pomiaru) różnych cech wrażeniowych dźwięku, bądź różnych właściwości słuchu. Omówimy je w oparciu o pomiar progu słyszalności lub pomiar dyskryminacji częstotliwości dźwięku.

6

Postawmy więc pytania.

• Czym jest pojęcie progu?

• Co nazywamy progiem słyszalności?

7

Pojęcie progu jest centralnym pojęciem psychofizyki a w szczególności -

psychoakustyki.

W klasycznym ujęciu progiem nazywamy punkt graniczny w którym bodziec o rosnącej intensywności lub wzrastająca różnica pomiędzy dwoma bodźcami stają się dostrzegalne (lub w którym malejący bodziec lub malejąca różnica staja się niedostrzegalne).

8

Progiem absolutnym nazywana jest wartość bodźca mierzona w warunkach eksperymentalnych, przy której

zaczyna lub przestaje wywoływać reakcję.

Progiem różnicowym (różnicy) nazywana jest minimalna (wzrastająca lub malejąca)

różnica pomiędzy parą bodźców, którą to różnicę można dostrzec w warunkach eksperymentalnych.

9

Progiem słyszalności nazywamy taką ilość energii akustycznej jaka jest w stanie wytworzyć wrażenie ledwo słyszalne - jest to więc najmniejsza wartość poziomu ciśnienia akustycznego, tonu o określonej częstotliwości, wywołującego u danego słuchacza

wrażenie słuchowe.

10

W ujęciu psychoakustyki klasycznej próg słyszalności jest to zatem punkt oddzielający dwie

kategorie wrażeń; słyszenia i nie słyszenia.

11

Do pomiaru progu mogą służyć trzy podstawowe,

klasyczne metody pomiarowe.

Są to:

a) metoda granic, b) metoda średnich błędów, zwana też metodą dostrajania,

c) metoda częstości trafnych ocen, nazywana też metodą stałych

bodźców.

12

Metoda granic

Jest to jedyna bezpośrednia metoda określania progu słyszalności, najczęściej stosowana w pomiarach klinicznych, praktycznie zawsze wykorzystywana w audiometrycznych pomiarach ubytków słyszenia.

13

Poczynając od pewnej wartości poziomu ciśnienia akustycznego, odległej od spodziewanej wartości progowej, zmieniamy ten poziom w kierunku spodziewanej wartości małymi stałymi skokami, albo jednostajnie w sposób ciągły, kończąc na wartości przy której nastąpiła reakcja osoby badanej.

Można zarówno zaczynać od wartości na pewno nie słyszanej lub na pewno słyszanej, kończąc zawsze na wartości przy której nastąpiła reakcja osoby badanej.

14

Pomiary wykonuje się zawsze w kilku seriach, zmieniając początkową wartość bodźca tak, aby wyeliminować

ewentualne przyzwyczajenie osoby badanej.

Zmienia się również serie zmian (serie wstępujące i zstępujące)

15

Przykładowe wyniki pomiarów progu absolutnego przy wykorzystaniu metody granic, wg Ozimka [2]

16

Dla progu różnicowego, lub progu różnicy (na przykład przy pomiarze najmniejszej percypowanej różnicy częstotliwości),

zmienia się częstotliwość porównawczą w kierunku do częstotliwości odniesienia (częstotliwości wzorcowej) małymi

skokami kończąc na wartości, przy której nastąpiła reakcja osoby badanej.

17

Wyznaczenie progu w tej metodzie polega na obliczeniu z otrzymanych wyników pomiarów średniej wartości bodźca progowego. Można to zrobić trzema sposobami;

– można obliczyć średnią artmetyczną wszystkich serii,

– można obliczyć oddzielnie średnie artmetyczne serii wstępujących i zstępujących, a następnie średnią tych średnich,

– można obliczyć średnie dla każdej pary (seria wstępująca i zstępująca), a następnie średnią wszystkich par.

Sposoby te dają oczywiście ten sam wynik średniej wartości progu, zmienia się tylko odchylenie standardowe, które oblicza się w celu uzyskania miary wiarygodności otrzymanego wyniku.

18

Metoda średnich błędów zwana też metodą dostrajania

Charakterystyczną cechą tej metody jest to, że osoba badana ocenia kiedy porównywane bodźce są sobie równe, natomiast zmianę bodźca może dokonywać sama lub też może to robić operator, a ona jedynie dokonuje wyboru.

19

W metodzie tej nastawia się bodziec porównawczy tak, aby wydał się równy bodźcowi wzorcowemu (może to być zarówno taki poziom ciśnienia akustycznego dla którego uzyskuje się wrażenie progowe, lub n.p. częstotliwość porównawcza która sprawia wrażenie takiej samej wysokości jak częstotliwość wzorcowa).

Może to robić to robić osoba badana jak i operator obsługujący pomiary.

20

Badania te powtarza się szereg razy a wyniki opracowuje się metodami statystycznymi obliczając:

– średnią wartość bodźca porównawczego,

– odchylenie standardowe otrzymanych wyników,

oraz

– prawdopodobny błąd jako 0,6745

21

Metoda częstości trafnych ocenzwana też metodą stałych bodźców

W metodzie tej wybiera się pewną liczbę bodźców o różnej wartości (na ogół pięć lub siedem) rozłożonych równomiernie między bodźcami rzadko spostrzeganymi a tymi, które są spostrzegane prawie zawsze.

Bodźce te eksponuje się kilkakrotnie w przypadkowej kolejności polecając osobie badanej sygnalizować za każdym razem czy dostrzega bodziec.

Słuchacz na każdy sygnał może odpowiedzieć „tak” lub „nie”.

Wynikiem eksperymentu jest zbiór odpowiedzi, który w czasie analizy statystycznej przyporządkowuje się poszczególnym intensywnościom bodźca.

22

Jest mało prawdopodobne, aby któraś z arbitralnie wybranych wartości bodźca okazała się bodźcem progowym, konieczne jest zatem statystyczne obliczenie wartości tego bodźca. Najprostsza metoda obliczeniowa polega na interpolacji graficznej otrzymanych wyników badań.

23

Na osi odciętych odkłada się wartości bodźca, a na osi rzędnych częstości reakcji pozytywnych. Wyznacza się następnie położenie punktów na wykresie, które łączy się odcinkami prostej i odczytuje wartość bodźca odpowiadającą progowi tzn. częstości 50-procentowej.

100

%

50

0

27 30 33 36 39 wartość bodźca porównawczego

24

Pokazany sposób interpretacji wyników jest mało dokładny, dlatego stosuje się inne, poprawiające dokładność otrzymanych wyników. Jeden z nich jest następujący:

wykreśla się „z wolnej ręki” poprzez punkty otrzymane z pomiaru t.zw. krzywą ogive (krzywa ta jest wykresem dystrybuanty rozkładu normalnego) z której można odczytać wartość bodźca dającą częstość 50 –procentową (rysunek).

25

Proponowane opracowanie

graficzne wyników przy

metodzie częstości trafnych

ocen

Zwiększenie dokładności uzyskuje się przez przekształcenie osi rzędnych w taki sposób, aby wrysowana „krzywa ogive” stała się linią prostą.

Linię te wykreśla się stosując metodę najmniejszych kwadratów.

26

Współczesne metody badań

Próg w ujęciu psychoakustyki klasycznej traktowany jest jako pewien punkt oddzielający dwie kategorie wrażeń.

Teoria detekcji sygnałów odrzuca ten punkt widzenia dowodząc, iż w postrzeganiu i wartościowaniu bodźców akustycznych udział biorą dwa niezależne mechanizmy; sensoryczny i decyzyjny.

27

Schemat blokowy percepcji informacji słuchowej

28

Metody oparte na „teorii detekcji”

Z teorii detekcji sygnałów wzięło początek szereg metod takich jak;

– metoda oceny „tak-nie”,

– metoda oceny „z szacowaniem”,– grupa metod „n-alternatywnego wyboru

wymuszonego”. Metody te różnią się zarówno instrukcją i zadaniem

obserwatora, jak i sekwencją ocenianych bodźców, zbliżone są do siebie w zakresie analizy uzyskanych danych.

29

Procedura „tak - nie”

Słuchaczowi przedstawia się sygnał z cechą (tzw. próba z sygnałem) i sygnał czysty, pozbawiony tej cechy (tak zwana próba pusta).

Zadaniem obserwatora, po wysłuchaniu każdego bodźca, jest udzielenie jednej z dwóch odpowiedzi „tak” lub „nie” na pytanie, czy postrzega sygnał nacechowany.

30

W tej metodzie istotne jest to , że losowo są podawane zarówno próby puste jaki i nacechowane, oraz to , że sygnał następny nie może być wygenerowany jeśli słuchacz nie udzielił odpowiedzi na sygnał poprzedni.

31

Metoda „oceny z szacowaniem”

W tej metodzie słuchaczowi podaje się, podobnie jak w procedurze „tak - nie”, próby z sygnałem i próby puste.

Zadaniem słuchacza jest ocena prawdopodobieństwa (liczbowo) z jakim uważa iż w danej próbie wystąpił sygnał nacechowany.

32

Słuchacz ma do wyboru kilka kategorii odpowiedzi (na przykład 5.), które są przyporządkowane określonym

przedziałom wartości prawdopodobieństwa

To zastosowanie kilku kategorii odpowiedzi można odpowiedzieć odgrywa tę samą rolę, co zmiana sytuacji eksperymentalnej w metodzie „tak-nie”

33

A losowy sposób prezentowania sygnałów i konieczność udzielenia odpowiedzi przed wyemitowaniem kolejnego sygnału są takie same jak w metodzie „tak - nie”

34

Procedura „n-alternatywnego wyboru wymuszonego”

W procedurze tej prezentuje się słuchaczowi „n” prób, z których jedna (wybrana losowo), jest nacechowana, czyli nie jest próbą pustą.

35

Zadaniem słuchacza jest określenie (po usłyszeniu ciągu sygnałów), która z prób (czyli który sygnał z ciągu „n” sygnałów) jest nacechowana. Jest to niezwykle istotny moment w tej metodzie w odróżnieniu od dwóch poprzednich, w których odpowiedzi należało udzielić bezpośrednio po każdym sygnale.

Opracowanie statystyczne wyników badań w tej procedurze jest identyczne jak w procedurach poprzednich.

36

Omawiane procedury stanowią grupę metod

o ustalonych bodźcach. Inna grupę metod

stanowią metody adaptacyjne.

37

Metody adaptacyjne

Są to metody w których wartość podawanego bodźca zależy od oceny bodźca poprzedniego. Najbardziej znane to:

– metoda „UP-DOWN” (Góra - Dół)

i– metoda „PEST” (Parameter Estimation by

Sequential Testing)

38

” Metoda „Up – Down”

W metodzie tej, decyzję o zmianie wartości bodźca, podejmuje się na podstawie prostych reguł zależnych od założonych prawdopodobieństw.

Na ogół przyjmuje się trzy prawdopodobieństwa.

39

” Metoda „Up – Down” I tak;– przy przyjętej wartości P = 50%, po każdej poprawnej

odpowiedzi zmniejsza się wartość bodźca , a po każdej błędnej- zwiększa,

– przy przyjętej wartości P = 70,7 %, po 2 poprawnych odpowiedziach zmniejsza się wartość bodźca, a po każdej błędnej - zwiększa,

– przy przyjętej wartości P = 79,1 % po 3 poprawnych odpowiedziach zmniejsza się wartość bodźca a po każdej błędnej – zwiększa.

40

Zmiana bodźca nazywa się krokiem, a krok o jaki zmieniamy wartość bodźca może być określony miarą względną w dB:

dBartoscbodzcnastepnawa

dzcaawartoscboaktuakrok

lnlog20

41

Przykładowe reguły określające wartość kroku:– wartość kroku dla n-tego pomiaru powinna wynosić

c/n, gdzie „c” jest constans (Levitt, 1971),

– wartość kroku (inna reguła) dzieli się przez dwa po pierwszym, trzecim, siódmym,itd. zwrocie (również Levitt)

42

Podobnie jak zmiana kroku tak i zastosowana reguła zakończenia pomiaru , może być w tej metodzie różna i stosuje się następujące jej warianty:

– zakończenie po wykonaniu pewnej (z góry określonej) liczby prób,

lub też– zakończenie pomiaru po pewnej, ustalonej wcześniej,

parzystej liczby zwrotów (Levitt).

43

Wynik pomiaru obliczany jest jako średnia z wartości bodźca odpowiadających zwrotom z pominięciem pierwszego, lub pierwszych dwóch zwrotów.

Metoda „PEST”

Decyzję o tym, czy po każdej prezentacji bodźca zmieniamy jego wartość czy nie, zależną również od przyjętego prawdopodobieństwa, podejmujemy w oparciu o „test WALDA”

i jeśli warunek

wTPCNwTP

jest spełniony, to;

nie zmieniamy wartości bodźca

przy czym

N/C/ - jest to ilość poprawnych odpowiedzi słuchacza po ostatnim zwrocie,

T – ilość prezentacji bodźca (na danym poziomie),

P - założona wartość prawdopodobieństwa,

W – dewiacja, czyli stała decydująca o mocy testu i szybkości zmian bodźca.

46

Jeśli warunek powyższy nie jest spełniony, i:

to zmniejszamy wartość bodźca.

w przypadku gdy:

wTPCN

wTPCN

to poziom bodźca trzeba zwiększyć.

47

Jeśli zgodnie z wynikiem testu trzeba zmienić poziom bodźca, zmieniamy go o pewną wartość zwaną krokiem.

Krok, o jaki zmieniamy wartość bodźca, może być (jak i

poprzednio w metodzie „Up-Down”),określony miarą względną w dB:

dBartoscbodzcnastepnawa

zcaawartscbodaktuakrok

lnlog20

48

W metodzie tej wartość kroku zmienia się według następujących reguł:

– po każdym zwrocie, czyli odwróceniu kierunku zmian bodźca, wartość kroku dzieli się przez dwa,

– drugi krok w tym samym kierunku ma zawsze taką samą wartość co krok pierwszy,

– wartość trzeciego kroku zależy od kroku poprzedzającego ostatni zwrot. Jeżeli był on uzyskany z podwojenia poprzedniej wartości to trzeci krok jest taki sam jak krok drugi, jeżeli natomiast krok przed zwrotem nie był podwojeniem poprzedniego, to trzeci krok jest dwukrotnie większy od drugiego,

– czwarty i następne kroki mają wartość dwukrotnie większą od poprzedniego, nie większą jednak od pewnej, z góry ustalonej, wartości maksymalnej.

49

Pomiar metodą „ PEST” kończy się gdy wynik osiągnie pewną, z góry założoną, wartość

minimalną.

Wynikiem pomiaru jest wartość bodźca osiągnięta ostatnim krokiem (bodźca na tym poziomie już się nie podaje słuchaczowi).

50Przykład zapisu odpowiedzi słuchacza otrzymany na podstawie procedury PEST, wg Ozimka [2]

51

Przy stosowaniu tych metod (lub inaczej – procedur) adaptacyjnych mogą być stosowane różne

„PARADYGMATY”

czyli sposoby prezentacji bodźca oraz zadania stawiane słuchaczom.

52

Może to być na przykład:

paradygmat „fixed AXA”,paradygmat „fixed ABX”,paradygmat „2IFC” ((Two Interval Forced Choice)

53

Paradygmat „fixed AXA”

Słuchaczowi prezentowane są trzy dźwięki o tym samym samym czasie trwania, oddzielone krótkimi pauzami.

54

Paradygmat „fixed AXA”

Trzeci i pierwszy dźwięk mają te same cechy (n.p. w przypadku oceny cechy wysokości mają taką samą wysokość).

Dźwięk X (drugi), jest taki sam jak pozostałe, lub nie (tzn. w przypadku wysokości ma taką samą wysokość, jest niższy, lub wyższy). Zadaniem słuchacza jest określenie czy jest taki sam jak pozostałe, czy nie.

55

Paradygmat „fixed ABX”

Słuchaczowi - jak poprzednio - prezentowane są w krótkich, jednakowych, odstępach czasu trzy dźwięki o takich samych czasach trwania.

56

Paradygmat „fixed ABX”

Pierwszy z nich A, ma stałą wysokość która nie zmienia przez cały czas pomiarów

Drugi B, różni się wysokością od A, jest wyższy lub niższy.

Trzeci X, ma taką samą wysokość jak A albo jak B.

Zadaniem słuchacza jest odpowiedź, czy X jest taki jak A czy taki jak B.

57

Paradygmat „2IFC” (Two-Interval Forced Choice)

Obserwator wysłuchuje dwa jednakowo długie dźwięki oddzielone pauzą.

Pierwszy ma wysokość stałą w czasie trwania pomiaru, drugi różni się i jest albo wyższy, albo niższy.

Zadaniem słuchacza jest odpowiedź czy drugi jest wyższy, czy niższy od pierwszego.

58

Oczywiste jest, że dopiero dzięki powstaniu techniki komputerowej zaistniała możliwość zastosowania i rozwoju metod adaptacyjnych

59

Metody skalowania

W odróżnieniu od metod opartych na teorii detekcji,w metodach skalowania celem nie jest stwierdzenie wystąpienia (lub nie wystąpienia ) określonej cechy bodźca akustycznego, a oszacowanie wielkości tej cechy i ewentualne uszeregowanie badanych obiektów według zawartości danej cechy.

60

Spośród istniejących metod skalowania w psychofizyce najczęściej stosowane są skale:

– porządkowe,

– interwałowe,

– stosunkowe.

61

Skale porządkowe (rangowe)

Są to skale szeregujące elementy zbioru według stopnia zawartości danej cechy, bez określania ich wzajemnych zależności (n.p. skala twardości materiałów).

62

Skale interwałowe (przedziałowe)

Są to skale pozwalające określić jak wielka różnica istnieje pomiędzy dwoma punktami skali, nie mające jednak rzeczywistego punktu zerowego (n.p. kalendarz lub skala stopni Celsjusza –umowny punkt centralny, brak punktu zerowego)

63

Skale stosunkowe (absolutne, ilorazowe)

Są to skale posiadające zarówno stałe odstępy pomiędzy dwoma punktami skali, jak i rzeczywisty punkt zerowy (n.p. skala ciężaru lub długości, skale psychofizyczne; skala głośności, skala wysokości).

64

Jednym z przykładów skal stosunkowych stosowanych w psychoakustyce może być sonowa skala głośności.

65

Skale głośności

Mówimy tu o powszechnie stosowanej logarytmicznej skali głośności opartej na podwajaniu wrażenia głośności, zaproponowanej jeszcze przez H.Fletchera i W.Munsona, w której jednostkami głośności są „sony”

66

Skale głośności

Istnieją też skale liniowe; „jednakowych przyrostów głośności równych w odczuciu” - w których jednostkami głośności są;

– „kalandyki” (zaproponowane przez prof..Kwieka)

bądź

– „jednostki ” ( zaproponowane przez Garnera)

67

Nieco inne procedury mają metody skalowania w których celem jest oszacowanie i ustalenie zmian porównywanych obiektów (sygnałów lub urządzeń) według określonego porządku wynikającego z występowania danej cechy. Procedury te mogą być stosowane przy ocenie porównawczej sygnałów i urządzeń elektroakustycznych (np. głośników)

68

Wówczas stopień zawartości danej cechy stanowiący podstawę tworzenia skali, można określać przy użyciu:

- oceny hierarchicznej – w skali n-stopniowej, bądź

– oceny dyspozycyjnej – przy której słuchacz ma do dyspozycji n-punktów, które może rozdzielić w sposób dowolny pomiędzy porównywane obiekty.

69

Ocena hierarchiczna może być dokonywana przy użyciu;

– skali porównawczej, oraz

– skali absolutnej.

70

Skala porównawcza:

– dużo gorszy - 2 punkty lub + 2 punkty,

– gorszy - 1 punkt lub + 4 punkty,

– taki sam 0 punktów lub + 6 punktów,

– lepszy + 1 punkt lub + 8 punktów,

– dużo lepszy + 2 punkty lub + 10 punktów.

71

Skala absolutna:

– jakość doskonała (odkształcenie nie zauważalne), 6 punktów

– jakość bardzo dobra 5 punktów

– jakość dobra

(odkształcenie zauważalne ale nie dokuczliwe) 4 punkty,

– jakość dostateczna

(odkształcenie zauważalne, lekko dokuczliwe) 3 punkty,

– jakość nie zadawalająca

(odkształcenie dokuczliwe) 2 punkty,

– jakość zła (odkształcenie bardzo dokuczliwe) 1 punkty.

72

Propozycja skali absolutnej według ISO

73

Problematykę tworzenia skal głośności omówimy szerzej w wykładzie poświęconym zagadnieniom głośności, natomiast szeregowanie porównawcze urządzeń elektroakustycznych według określonej

cechy, na wykładzie poświęconym ocenie urządzeń elektroakustycznych i nagrań.

74

Bibliografia:

Jorasz U., Wykłady z psychoakustyki, Wydawnictwo Naukowe UAM, Poznań 1998, ss.185-197.

Ozimek E., Dźwięk i jego percepcja, Wydawnictwo Naukowe PWN, 2002, ss.379-412.

Renowski J., Akustyka psychofizjologiczna, Politechnika Wrocławska, Wrocław, 1974, ss.5-17 i 50-56.