Metody pomiarowe stosowane w psychoakustyce

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 pomiarprogu słyszalnościlubpomiar 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 absolutnymnazywana jest wartość bodźca mierzona w warunkach eksperymentalnych, przy której zaczyna lub przestaje wywoływać reakcję.Progiem różnicowym (różnicy)nazywana jestminimalna (wzrastająca lub malejąca)różnica pomiędzy parą bodźców, którą to różnicę można dostrzec w warunkach eksperymentalnych.

9. Progiem słyszalnościnazywamy 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 błędówzwana 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 s otrzymanych wyników, oraz • prawdopodobny błąd jako 0,6745 s.

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. 27 30 33 36 39 wartość bodźca porównawczego 100 % 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. 50 0

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 zwanapróbapusta). 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 sygnałusą takie same jak w metodzie „tak - nie”

34. Procedura „n-alternatywnego wyboru wymuszonego” W procedurze tej prezentuje się słuchaczowi „n” prób, zktórych 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 ustalonychbodźcach. 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:

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.

44. 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”

45. i jeśli warunek 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: 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:

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 krokprzed 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 jestwartość bodźca osiągnięta ostatnim krokiem(bodźca na tym poziomie już się nie podaje słuchaczowi).

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