108

 

ОБ АБСОЛЮТНОМ ПОРОГЕ В ПСИХОАКУСТИКЕ

 

Ю. А. ИНДЛИН

 

Основатель психофизики Фехнер постулировал существование нулевого значения ощущения, которое возникает не при нулевом, а при конечном значении стимула; большие по величине стимулы вызывают положительные или «осознанные» ощущения, меньшие — отрицательные, или «неосознанные» ощущения [10], [2]. Такое граничное значение стимула называют мгновенным абсолютным порогом [11], подчеркивая тем самым его изменчивость во времени.

Постулирование мгновенного абсолютного порога означало, что для величин стимула ниже нижней границы диапазона изменения мгновенного порога, а главное, в отсутствие стимула осознанное ощущение возникнуть не может. Это положение было использовано, в частности, Блэквеллом при выводе поправки на случайный успех [12], [1].

Новый подход к пороговой проблеме следовал из предположения о том, что внутренний сенсорный шум может вызывать осознанные ощущения в отсутствии стимула [14]; это разрушало классическую конструкцию порога, не допускавшую возникновения осознанного ощущения в отсутствие стимула, и привело к дискуссии вокруг существования порога как «граничного уровня сенсорного возбуждения, который либо превышается, либо не превышается сенсорным эффектом сигнала; если граничный уровень превышается, то наблюдатель замечает, или обнаруживает, сигнал; если граничный уровень не превышается, сигнал не оказывает какого-либо эффекта на наблюдателя» [14]. Таким образом, классическое понятие порога раздражителя как точки на стимульной оси уступило место сенсорному порогу как точке на сенсорной оси.

Проблема абсолютного сенсорного порога стояла следующим образом.

Предположим, что существует некоторая сенсорная ось, на которой располагаются сенсорные эффекты, вызываемые многократным предъявлением исследуемого сигнала. В отсутствие сигнала на этой оси располагаются вызываемые внутренним шумом случайные сенсорные эффекты, величины которых описываются обычно нормальным распределением (рис. 1, а). Если абсолютный сенсорный порог не существует, то любой из шумовых сенсорных эффектов является осознанным ощущением; если же порог на оси ощущений существует, то нижепороговые сенсорные эффекты являются неосознанными ощущениями.

Так как на сенсорной оси может быть введена единица измерения, равная стандартному отклонению распределения шумовых сенсорных эффектов σ_о то основные пороговые концепции удается характеризовать величиной порога, выраженной в этих единицах.

При высоком сенсорном пороге (например, при х_п – х_о = 3 σ_о) имеем приемлемую интерпретацию классического представления о пороге: сенсорный шум практически не может вызвать осознанного ощущения. Другой заслуживающей внимания пороговой концепцией является предположение о низком пороге, лежащем между средним х_о распределения и точкой выше х_о на σ_о (т. е. 0<х_п—х_о<σ_о) [14].

Допущение о существовании высокого сенсорного порога было отвергнуто экспериментальной практикой. Что же касается концепции низкого порога, то в принципе экспериментальные данные не противоречат этой концепции [14]. Однако до недавнего времени существование сенсорного порога не было продемонстрировано

 

 

Рис. 1 Распределение сенсорных эффектов:

а) для стандартного звука (распределение шумовых сенсорных эффектов), б) для стандартного звука в смеси с сигналом (распределение сигнальных сенсорных эффектов); заштрихованные площади указывают на вероятность того, что сенсорный эффект х превосходит порог х_п.

 

109

 

и это привело к интенсивному развитию психофизики последних десятилетий в русле беспороговых представлений. [14], [9], [3], [1].

В настоящей работе мы приводим собственные экспериментальные данные, свидетельствующие в пользу существования абсолютного сенсорного порога.

Непосредственная проверка пороговой концепции могла бы быть проведена методом двухальтернативного вынужденного выбора [1]; сигнал предъявляется испытуемому лишь в одном из двух заданных интервалов наблюдения, а испытуемому требуется определить, в каком именно. В отсутствие сигнала сенсорные события в интервалах наблюдения можно описать распределением шумовых сенсорных эффектов (как это показано на рис. 1 а), при наличии сигнала — распределением сигнальных сенсорных эффектов на той же сенсорной оси, но с другими параметрами (средним и стандартным отклонением). Форма психометрической кривой при известных параметрах внутреннего шума могла бы подсказать решение вопроса. Однако такая непосредственная проверка вряд ли возможна в силу ряда технических и принципиальных трудностей, связанных с получением данных о параметрах внутреннего шума.

Поэтому мы обратимся к экспериментальным ситуациям, которые описываются в сенсорной области аналогично обнаружению сигнала на фоне внутреннего шума и вместе с тем легко допускают определение необходимых параметров.

Такая ситуация возникает при обнаружении приращения среднего уровня узкополосного шума, когда сигналом служит узкополосный шум, подмешиваемый к такому же стандартному шуму, что и вызывает приращение среднего уровня. Стандартный шум описывается так же, как и внутренний шум, — распределением шумовых сенсорных эффектов, увеличенный по среднему уровню шум — распределением сигнальных сенсорных эффектов. Параметры распределений полностью определены физическими параметрами шума и его приращения, поскольку флуктуации физических параметров узкополосного шума преобладают над  флуктуациями сенсорной природы.

Другая подобная ситуация возникает при обнаружении приращения тона. В этом случае физические параметры не изменяются во времени, и случайный характер сенсорного эффекта определяется флуктуациями физиологи ческой природы, величина которых может быть определена экспериментально.

И наконец, наиболее типичная ситуация: обнаружение тона на фоне специально создаваемого (внешнего) широкополосного (белого) шума. И в этом случае параметры распределений сенсорных эффектов, связанные с характером слуховой обработки широкополосного звука, также могут быть определены экспериментально.

Все три эксперимента проводились с участием одного и того же весьма опытного испытуемого по следующей методике.

Каждая стимульная пара (проба) состояла из двух интервалов наблюдения, длительность стимульного интервала 0,1 с1, межстимульный интервал 1 с, интервал между парами 2,1 с. Сигнал подмешивался в первом (s, n) или во втором (n, s) интервале пары, причем вероятности появления проб s, n и n, s были одинаковы (и равны 0,5). Подробности методики см. в [7], [8].

В качестве стандартного звука использовались: узкополосный (91 Гц) шум со средней частотой 1 кГц, тон частоты 1 кГц, и белый шум. Сигналами служили: в первых двух экспериментах — те же тон и узкополосный шум, подмешиваемые к соответствующему стандартному звуку и создающие приращение уровня, в третьем эксперименте — тон частоты 1 кГц. С целью получения психометрических кривых использовался широкий диапазон уровней сигнала, однако в каждой экспериментальной серии уровень сигнала поддерживался неизменным. Эксперименты проводились как для прерывистого стандарта (в перерывах между стимульными интервалами звук не подавался), так и для непрерывно звучащего стандарта (в этом случае интервалы наблюдения выделялись вспышками).

Чтобы иметь более наглядное представление о форме психометрических кривых, экспериментальные результаты представлялись в функции от приращения уровня значимого (т. е. определяющего сенсорные расстояния) физического параметра. В первых двух экспериментах значимым физическим параметром являлся уровень звука. В третьем эксперименте результаты обнаружения хорошо описываются энергетической моделью [7], согласно которой испытуемый оценивает энергию звука, пришедшую в интервал наблюдения в полосе частот шириной около 250 Гц, центрированной относительно частоты обнаруживаемого тона (частотой 1 кГц). В этом случае значимым физическим параметром служит уровень энергии в полосе W=250 Гц, и обнаружение тона на фоне внешнего шума можно рассматривать как обнаружение приращения уровня энергии в полосе 250 Гц.

В случае прерывистого стандарта экспериментальные точки хорошо аппроксимируются интегральными кривыми нормального распределения, в данном случае представляющими собой половину S-образной кривой (кривые 1–3 на рис. 2)2. Если же стандарт предъявляется непрерывно, то форма кривой, аппроксимирующей экспериментальные данные, заметно изменяется и становится S-образной во

 

110

 

 

Рис. 2 Экспериментальные результаты и аппроксимирующие их психометрические кривые:

белые значки и кривые 1—3—для прерывистого стандартного звука, черные значки и кривые 1΄ — 3΄ — для непрерывного стандартного звука. ΔL — приращение уровня значимого физического параметра, р — относительное число правильных ответов. Каждая экспериментальная точка получена в результате усреднения от 400 до 800 ответов.

 

всех трех экспериментах (кривые 1'—3', рис. 2). Чтобы выявить причину этих изменений, рассмотрим схематическое представление процесса обнаружения.

Пусть распределение сенсорных эффектов от многократного предъявления стандартного звука длительностью 0,1 с описывается нормальной кривой со стандартным отклонением σ_о на рис. 1 а, а звука, получившего приращение уровня, — кривой со стандартным отклонением σ Δ на рис. 1, б. В результате прослушивания каждой стимульной пары возникают сенсорные эффекты, вероятности которых описываются этими кривыми. Испытуемый сравнивает эффекты по величине, и результат этого сравнения описывается нормальным распределением разности сенсорных эффектов со стандартным отклонением =

Величина σ, выраженная в относительных единицах, определяет наклон кривых 1'—3', рис. 2 (σ_р соответствует абсциссе точки кривой с ординатой р=0,84).

Это традиционное описание процесса обнаружения (и различения), справедливое для прерывистого стандарта, не проходит для случая непрерывного стандарта, о чем говорит форма кривых 1'—3' на рис. 2. Объяснение этому следующее.

При прерывистом стандарте испытуемый запоминает сенсорный эффект от первого интервала наблюдения и принимает решение, после того как поступил сенсорный эффект от второго интервала наблюдения. При непрерывном стандарте испытуемый способен оценить и запомнить сенсорный эффект в интервале наблюдения лишь в том случае, если он заметно выделяется над некоторым средним уровнем сенсорных эффектов, вызываемых непрерывным стандартом. Если же этот сенсорный эффект не превосходит существенно соседних с ним во времени сенсорных эффектов, то он не запоминается и испытуемый, не дожидаясь второго интервала наблюдения, приходит к заключению, что в данном интервале наблюдения приращение отсутствовало. Это коренным образом меняет описание процесса обнаружения.

Пусть, для того чтобы сенсорный эффект оценивался и запоминался испытуемым, он должен превосходить величину х_п (рис. 1). Тогда распределения оцениваемых испытуемым сенсорных эффектов описываются заштрихованными областями. Сравнение сенсорных эффектов теперь возможно лишь в том случае, если оба они в данной пробе оказались выше х_п (т. е. в заштрихованной области). Если только один из эффектов превосходит х_п, то для принятия решения нет нужды в сравнении. Если же ни один из двух сенсорных эффектов не превосходит х_п, то решение принимается путем угадывания. Формализация описанной процедуры [7] дала выражение для вероятности р_с правильного ответа в виде

a F — знак интеграла Лапласа.

Полученная формула хорошо согласуется с представленными экспериментальными данными (рис. 2).

При узкополосном шуме σ_о=σ_Δ; из результатов экспериментов с прерывистым стандартом (кривая I) имеем σ_о=1,3 дБ. Далее, полагая х_о = 0 дБ и х = ΔL (дБ), подбираем х_п, при котором (1) определяет кривую, наилучшим образом аппроксимирующую экспериментальные точки на рис. 2: это кривая 1, построенная при х_п = х_о + σ_о (или при d^о =(Х_п — х_о)/ σ_о = 1).

Во втором эксперименте, в отсутствие физических флуктуации, колебания величин сенсорных эффектов незначительны и можно ожидать различий в величинах σ_о = σ_Δ для непрерывного и прерывистого стандарта из-за влияния памяти (при непрерывном стандарте, в отличие от прерывистого, влияние памяти проявляется лишь в тех случаях, когда оба сенсорных эффекта превосходят х_п). Поэтому для определения σ_о в условиях непрерывного стандарта проводился специальный эксперимент [8], давший σ_о = О,235 дБ, величину действительно меньшую, чем при прерывистом стандарте (0,37 дБ). Воспользовавшись полученной величиной σ_о = О,235 дБ, с помощью (1) нетрудно построить кривую 2 (рис. 2), наилучшим образом аппроксимирующую экспериментальные данные; для этой кривой х_п = х_о + 1,2 σ_о (или d_o =1,2).

При обнаружении тона на фоне белого шума параметры распределения вычисляются согласно энергетической модели [7] из формул

где Es — энергия сигнала (тональной посылки

 

111

 

длительностью 0,1 с) N_o — спектральная плотность мощности шума, Т=0,1 с — длительность интервала наблюдения.

Экспериментальные данные хорошо аппроксимируются кривой 3', построенной согласно (1) и :(2) при х_п = х_о + σ_о (или d_o=l).

Таким образом, процессы обнаружения в рассмотренных трех экспериментальных ситуациях имеют сходные черты: при непрерывном стандарте сенсорный эффект в интервале наблюдения оценивается и запоминается лишь в том случае, если он превзошел определенную величину х_п, характеризуемую практически одинаковыми значениями d_o, несмотря на различие в источниках флуктуации сенсорных эффектов и существенное различие в величинах этих флуктуации (σ_о=0,235 дБ для тона и σ_о=1,3 дБ для узкополосного шума). Это дает основание считать х_п внутренней, сенсорной постоянной и назвать (низким) сенсорным порогом.

Обнаружение тона на фоне непрерывного шума исследовалось во многих работах и объективность требует отметить, что результаты этих исследований отличаются как между собой, так и от полученных нами данных. Чтобы убедиться в этом, представим результаты нашего третьего эксперимента (кривые 3 и 3' на рис. 2) в функции от уровня сигнала (кривые 1 и 2 на рис. 3), как это принято в литературе. Порог обнаружения тона на фоне непрерывного шума, оцениваемый операционально величиной L_s,o, соответствующей р=0,75, согласно нашим данным (кривая 2), равен 18 дБ (по верхней оси 8 дБ). По другим работам он лежит в диапазоне от 19,2 до 22, 3 дБ [7].

 

 

Рис. 3 Экспериментальные результаты обнаружения тона на фоне белого шума и теоретические психометрические кривые:

белые кружки и кривая 1 — прерывистый шум, черные кружки и кривая 2 — непрерывный шум при х_п = х_о + σ_о, треугольники (данные из [,14]) и кривая 3 — непрерывный шум при х_п = х_о + 2,4σ_о, крестики и кривая 4 — непрерывный шум при х_п = х_о +3,8σ_о L_s,o = 201g (U_s/U_о), ε –ŋ_о = L_s,o –10, U_s  - действующее значение напряжения сигнала. U_о — действующее значение напряжения шума приведенное к полосе 1 Гц, ε — уровень энергии сигнала, ŋ_о — уровень спектральной плотности мощности шума. Каждая экспериментальная точка на рисунке — результат усреднения 400 ответов.

 

Эти результаты хорошо объясняются пороговой энергетической моделью при d₀>l; например, на рис. 3 приведены экспериментальные результаты обнаружения тона 1 кГц на фоне непрерывного белого шума (треугольники), которые признаются типичными для такого рода экспериментов [14]; аппроксимирующая их кривая 3 построена при d₀=2,4.

Столь существенные различия в величинах сенсорного порога маловероятны. Более правдоподобно предположение, что испытуемые в этих экспериментах использовали вышепороговый критерий частного решения в каждом интервале наблюдения, что эквивалентно наличию высокого сенсорного порога.

Такое нарушение инструкции, требующей сравнения сенсорных эффектов в двух интервалах наблюдения, можно оправдать следующим обстоятельством.

При непрерывном стандарте испытуемый должен удерживать в памяти величину сенсорного эффекта, который превзошел порог в первом интервале наблюдения до поступления второго сенсорного эффекта. Это — наиболее утомительная часть работы испытуемого, требующая от него большого внимания. При вышепороговом критерии частного решения число сенсорных эффектов, требующих запоминания, уменьшается. Это облегчает работу испытуемого и используется им при недостаточной заинтересованности в результатах своей работы или при утомлении.

В наших экспериментах участвовал испытуемый, заинтересованный в хороших результатах своей работы, кроме того, использовалась направленная обратная связь [4], гарантирующая наилучшие результаты работы тренированного испытуемого. При этом во всех трех наших экспериментах получены близкие значения d_o и ни в одном из экспериментов, как наших, так и других исследователей, не были получены данные, характеризуемые d₀<l. Это дает основание полагать, что если критерий частного решения действительно используется, то в наших экспериментах получена нижняя граница его возможного изменения — низкий сенсорный порог, характеризуемый соотношением d₀= 1.

Диапазон изменения критерия (или возможных значений сенсорного порога у разных испытуемых с нормальным слухом) ограничен не только снизу, но и сверху. На это указывают следующие соображения.

Обнаружение тона на фоне белого шума осуществляется по косвенному признаку присутствия тона, каким является увеличение громкости шумового звучания в определенной области частотного спектра. Увеличение критерия означает, что все большие приросты громкости принимаются испытуемым за возможные признаки присутствия тона. При некотором достаточно сильном сенсорном эффекте косвенный признак присутствия тона сопровождается прямым: отчетливо прослушивается тональный характер звучания. Обнаружение по тональному признаку (правильнее сказать, не обнаружение, а идентификация) требует минимального напряжения и легко производится испытуемым. Применение специальной методики позволило получить

 

112

 

экспериментальные данные для такого обнаружения-идентификации: оказалось, что х_п = х₀ + 4σ_о (или d₀ = 4) [7]. Эту величину можно считать верхней границей возможного изменения критерия частного решения (или диапазона сенсорных порогов у разных испытуемых), а соответствующий порог обнаружения L_s,o=22,7 дБ (крестики и кривая на рис. 3) — верхней границей порогов обнаружения. И в самом деле, известные по литературным данным пороги обнаружения не превосходят этой величины.

Итак, результаты экспериментов по обнаружению сигнала на фоне непрерывного шума и других наших экспериментов указывают на существование низкого сенсорного порога. Внутренний сенсорный шум — непрерывен. Следовательно, сигнал на фоне сенсорного шума должен обнаруживаться лишь в том случае, если вызванный им сенсорный эффект превосходит абсолютный сенсорный порог. Вывод. Абсолютный слуховой порог, определяемый как низкий порог при обнаружении сигнала на фоне внутреннего сенсорного шума, — существует; его величина определяется статистическими характеристиками этого шума.

 

1.       Бардин К. В. Проблема порогов чувствительности и психофизические методы. — М., 1976. — 395 с.

2.       Боринг Э. Д. Психофизика Фехнера. — В сб.: Проблемы и методы психофизики/Под ред. А. Г. Асмолова, М. Б. Михалевской. М., 1974, с. 20—32.

3.       Забродин Ю. М., Лебедев А. И. Психофизика и психофизиология. — М., 1977, с. 6—167.

4.       Индлин Ю. А. Модель обучаемого наблюдателя в ситуации обнаружения и различения. — В сб.: Проблемы принятия решения/Под ред. В. Ф. Рубахина. М., 1976, с. 56—77.

5.       Индлин Ю. А. Способы выделения сенсорной функции. — В сб.: Психофизические исследования/Под ред. Б. Ф. Ломова, Ю. М. Забродина. М., 1977, с. 189—217.

6.       Индлин Ю. А. Принятие решения при обнаружении и различении. — Вопросы психологии, 1980, № 3, с. 78—87.

7.       Индлин Ю. А. Слуховое обнаружение сигнала на фоне непрерывного шума. — Акустический журнал, в печати.

8.       Индлин Ю. А. О дифференциальном пороге в психоакустике. — Психологический журнал, в печати.

9.       Леонов Ю. П. Теория статистических решений и психофизика. — М., 1977, с. 9—221.

10.    Фехнер Г. Т. О формуле измерения ощущений. — В сб.: Проблемы и методы психофизики/Под ред. А. Г. Асмолова, М. Б. Михалевской. М., 1974, с. 13—19.

11.    Энген Т. Психофизика I. Различение и обнаружение. — В сб.: Проблемы и методы психофизики/Под ред. А. Г. Асмолова, М. Б. Михалевской. М„ 1974, с. 103—173.

12.    Blackwell H. R. Psychophysical Thresholds. — Bull. Engen, Res. Inst., Univ. Michig., 1953, N 36, p. 3—7.

13.    Green D. M. Psychoacoustics and Detection Theorv. J. Acoust. Soc. America, 1960, 32, 10, p. 1189—1203.

14.    Green D. M., Swets J. A. Signal Detection Theory and Psychophisics. Wiley, N. Y., 1964, p. 127, 139.

 

Поступила в редакцию 25.V.1981 г.