Fizyczne i fizjologiczne aspekty percepcji krótkich sygnałów akustycznych

Abstract

Rozprawa podejmuje temat ilościowego opisu wrażeń, jakie w słuchaczach wywołują skrajnie krótkie sygnały akustyczne. Podstawowa i znajdująca uzasadnienie w przeprowadzonych eksperymentach hipoteza polega na przypisaniu wartości oczekiwanej częstotliwości w widmach takich sygnałów roli, jaką częstotliwość sygnałów periodycznych odgrywa w wywoływania wrażenia wysokości dźwięku. Wykazano, że w przypadku sygnałów czysto gaussowskich ta wartość oczekiwana jest odwrotnie proporcjonalna do czasu trwania sygnału tj. szerokości funkcji Gaussa, a znana z mechaniki kwantowej relacja nieokreśloności ulega pewnej modyfikacji. Wykazano także, że przy założeniu stałego progu rozróżnialności tej efektywnej wysokości dźwięku, najmniejsza zauważalna różnica czasu trwania sygnału spełnia prawo Webera-Fechnera. Przeprowadzone na próbie 36 muzyków i 39 niemuzyków badania behawioralne potwierdziły w pewnym stopniu ten wynik z tą różnicą, że w granicy bardzo krótkich sygnałów najmniejsza zauważalna różnica nie zmierza do zera, lecz do pewnej wartości dodatniej, zależnej od doświadczenia badanych w pracy z dźwiękiem. Jest to więc przykład uogólnionego prawa Webera-Fechnera. Wykonane za pomocą symulatora ludzkich narządów słuchu (Head and Torso Simulator, HATS), zwanego sztuczną głową, pomiary przefiltrowanych przez taki model widm impulsów gaussowskich potwierdziły odwrotną proporcjonalność wartości oczekiwanej częstotliwości do czasu trwania impulsu mimo, że same widma mają skomplikowane kształty i wykazują szereg rezonansów pochodzących prawdopodobnie od mechanicznych części symulatora i/lub od elektronicznych generatorów i odbiorników dźwięku. Wydedukowana z wyników pomiarów na symulatorze zależność najmniejszej zauważalnej różnicy czasów trwania impulsów spełnia również uogólnione prawo Webera-Fechnera, lecz wartość granicy tej różnicy dla czasu trwania sygnałów zmierzającego do zera jest znacznie mniejsza, niż w przypadku uczestników badań behawioralnych. Jest to największa rozbieżność pomiędzy wynikami badań behawioralnych i pomiarami mechaniczno-elektronicznymi. Pochodzenie tej rozbieżności wydaje się ciekawym tematem dalszych badań. Mechanizmy percepcji skrajnie krótkich sygnałów dźwiękowych w różnych warunkach akustycznych może mieć znaczenie w rozwoju środków wyrazu muzyki instrumentalnej i elektroakustycznej.

The dissertation deals with a quantitative description of the sensations that extremely short acoustic signals evoke in the listeners. The basic hypothesis, which is justified by the conducted experiments, consists in assigning the expectation value of frequency in the spectra of such signals to the same role that the frequency of periodic signals plays in producing the impression of pitch. It has been shown that in the case of purely Gaussian signals, this expectation value is inversely proportional to the duration of the signal, i.e. to the width of the Gaussian function, and the uncertainty relation known from quantum mechanics undergoes some modification. It was also shown that assuming a constant threshold of discrimination of this effective pitch, the smallest noticeable difference in signal duration satisfies the Weber-Fechner law. Behavioural tests conducted on a~sample of 36 musicians and 39 non-musicians confirmed this result to some extent, with the difference that in the limit of very short signals, the just noticeable difference does not tend to zero, but to a~certain positive value, depending on the experience of the respondents in working with sound. So this is an example of the generalized Weber-Fechner law. Measurements of spectra of Gaussian pulses with the Head and Torso Simulator (HATS), also known as an artificial head, confirmed the inverse proportionality of the expectation value of frequency to the duration of the pulse, even though the spectra themselves have complicated shapes and show a~number of resonances possibly from the mechanical parts of the simulator and/or from electronic sound generators and receivers. The dependence of the smallest noticeable difference in pulse durations, deduced from the results of the measurements with the simulator, also satisfies the generalized Weber-Fechner law, but the value of the limit of this difference for the duration of signals tending to zero is much smaller than in the case of participants in behavioural studies. This is the largest discrepancy between the results of behavioural studies and mechano-electronic measurements. The origin of this discrepancy seems to be an interesting topic for further research. Mechanisms of perception of extremely short sound signals in various acoustic conditions may be important in the development of the means of expression of instrumental and electroacoustic music.