¿Que es psicoacústica?
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Boletín #8
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La audición humana es un proceso extraordinariamente complejo, que apenas está comenzando cuando el sonido golpea el tímpano y es convertido de variaciones en la presión del aire a impulsos nerviosos. ¿Que es psicoacústica?

 

  Por: Ing. Daniel Torres

De ahí en adelante, es asunto de la mente, y la psicología se convierte en factor importante para estudiar y analizar los sonidos, así como las reacciones de las personas ante éstos.

La psicoacústica puede ser definida simplemente como el estudio psicológico de la audición. El objetivo de la investigación psicoacústica es averiguar cómo funciona la audición. En otras palabras, el objetivo es descubrir cómo los sonidos que entran al oído son procesados por éste y el cerebro, con el fin de dar a la persona que escucha información útil acerca del mundo exterior.

La conexión de la psicoacústica con la psicología puede ser confusa. Muchos de los problemas abordados por los psicoacústicos tienen muy poco que ver con la concepción popular de la psicología. Por ejemplo, existen algunas investigaciones concernientes con la sonoridad, y cómo ésta es representada por las células nerviosas en el oído. Algunas personas podrían pensar que esto sería una materia concerniente a la neurofisiología, y de hecho lo es. Sin embargo, donde un fisiologista auditivo podría abordar el problema aplicándole un electrodo a un ratón de laboratorio, un psicoacústico lo abordaría midiendo la capacidad del oyente para hacer discriminaciones entre sonidos escogidos cuidadosamente.

¿Que es psicoacústica?

 Por ejemplo, si se modifica la intensidad de un sonido (su sonoridad) esto afecta a la percepción de la altura y del timbre, etc. Algunos ejemplos para comprender qué es la psicoacústica es escuchar un disco en dos monitores que están frente a nosotros y luego escucharlo con un par de auriculares, es claro que la percepción de las distancias no es la misma, en el caso de los auriculares la voz la tenemos en el centro de la cabeza, incluso podríamos deciradentro, sin embargo al escucharla con dos monitores frente a nosotros, la voz esta justamente frente a nosotros y la percepción de distancia se hace en sentido paralelo a nosotros y en el caso de los auriculares, en sentido perpendicular. Otro ejemplo claro es escuchar una voz alentada en pitch lo que la hace muchísimo más grave, y luego escuchar la misma frase acelerada (voz de ardilla). En el primer caso vamos a sentir que nos habla un gigante o un demonio, en el segundo caso sentiremos que nos habla alguien de menor tamaño que nosotros, eso también se lo considera psicoacústica. Por otra parte podríamos hablar de casos como el tiempo de una canción, la generación de extensiones de acordes, la rítmica y demás componentes de una pieza que generan diferentes estados en el oyente. Los volúmenes también forman parte de la psicoacústica, dado que a niveles de sonido más altos, los volúmenes se generan armónicos, nuestra percepción puede hacer que al comparar una canción o un instrumento a altos volúmenes nos haga pensar que suenan mejor.

El hecho de tratar de medir las reacciones en el comportamiento, en las personas oyentes, es básicamente la razón por la cual la psicoacústica es considerada como una rama de la psicología. Sin embargo, la psicoacústica no se involucra en cómo los sonidos producen una respuesta emocional o cognoscitiva particular, lo cual le corresponde a la psicología cognoscitiva. Lo que sí se debe reconocer, es que la psicoacústica es un área muy amplia, y mientras existe un gran solapamiento con la fisiología en un extremo, en el otro extremo se tiene que recurrir algunas veces a la psicología clísica para poder explicar los resultados experimentales más complejos.

Algunas de las investigaciones psicoacústicas más interesantes son:

¿Cuál es el mecanismo usado para lograr distinguir sonidos que ocurren simultáneamente?

¿Cómo se localiza el origen espacial de un sonido?

¿Cómo se determina el tono de, por ejemplo, un instrumento musical?

Determinar las capacidades y limitaciones del oído humano es invaluable y necesario para entender la forma en que los sonidos son procesados. Cualquier dispositivo que produzca sonido con el propósito del disfrute humano debería tomar en cuenta lo que los oídos harán con ese sonido. Algunos de estos imperativos de diseño son mucho más que sentido común, y tampoco pueden ser analizados satisfactoria y completamente a través de una prueba de escucha casual. En muchos casos se requiere un conocimiento más profundo y real del problema.

Por ejemplo, ¿Cómo diseñar un dispositivo de compresión de datos que reduzca la cantidad de información digital viajando por una línea telefónica sin afectar la calidad del sonido percibido? ¿Cómo se determina un nivel seguro o confortable de exposición al ruido en una fábrica? ¿Cómo diseñar un sistema de advertencia auditivo que sea claramente audible sobre el ruido de fondo sin ser causa de distracción? Un buen conocimiento en psicoacústica puede ser de gran ayuda en todos estos problemas de diseño.

ASPECTOS RELEVANTES

Mínimo umbral auditivo

Este umbral, también conocido como umbral absoluto, corresponde al sonido de intensidad más débil que se puede escuchar en un ambiente silencioso. El mínimo umbral auditivo no tiene un comportamiento lineal; se representa por una curva de Intensidad (dB) contra Frecuencia (Hz), que posee niveles mínimos entre 2 y 5 KHz, los cuales corresponden a la parte más sensitiva del oído humano. Por lo tanto, en los sistemas de compresión de audio que sacan provecho de la psicoacústica, no es necesario codificar los sonidos situados bajo este umbral (el área por debajo de la curva), ya que éstos no serán percibidos.

¿Que es psicoacústica?

ENMASCARAMIENTO

El efecto de enmascaramiento se basa en las limitantes del oído humano para responder a todas las componentes de un sonido complejo. Durante los sonidos fuertes, no se pueden oír los sonidos más débiles. Por ejemplo, cuando un músico organista no está tocando, se puede escuchar el resoplido de los tubos; y cuando el músico toca, se pierde el sonido de éstos porque ha sido enmascarado.
Enmascaramiento en frecuencia
Funciona de manera que un sonido en determinada frecuencia puede enmascarar o disminuir el nivel de otro sonido en las frecuencias adyacentes, siempre y cuando el nivel del sonido enmascarante sea más alto (un sonido más intenso, más fuerte) que el nivel del sonido adyacente.

 

¿Que es psicoacústica?

ENMASCARAMIENTO TEMPORAL

Se presenta cuando un tono suave está muy cercano en el dominio del tiempo (unos cuantos milisegundos) a un tono fuerte. Si se está escuchando un tono suave y aparece un tono fuerte, el tono suave será enmascarado por el tono fuerte, antes de que el tono fuerte efectivamente aparezca (preenmascaramiento). Posteriormente, cuando el tono fuerte desaparece, el oído necesita un pequeño intervalo de tiempo (entre 50 y 300 ms) para que se pueda seguir escuchando el tono suave (post-enmascaramiento).

 

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Con el post-enmascaramiento no hay problemas; pero el preenmascaramiento sugiere que un tono será enmascarado por otro tono, antes de que el tono enmascarador realmente aparezca, atentando contra el buen juicio de cualquier oyente. Para este fenómeno, se han presentado dos explicaciones:

El cerebro integra el sonido sobre un período de tiempo, y procesa la información por ráfagas en la corteza auditiva, o

Simplemente, el cerebro procesa los sonidos fuertes más rápido que los sonidos suaves.

Sin importar el mecanismo, el caso es que el preenmascaramiento temporal en verdad existe, así sea exageradamente pequeño (se ha calculado con un valor aproximado de 30 ms).

En un sonido cualquiera, se presentan ambos tipos de enmascaramiento. El enmascaramiento en frecuencia es mucho más importante que el enmascaramiento temporal; aunque en ciertos dispositivos para compresión de audio se tienen en cuenta ambos tipos de enmascaramiento, con lo cual se logra mejor compresión de datos. Superponiendo ambas gráficas en una sola que presente tres ejes, se puede ver una curva bajo la cual están todos los sonidos que no pueden ser escuchados.

¿Que es psicoacústica?

JOINT STEREO O ESTÉREO CONJUNTO

Si una señal de audio es estereofónica se puede lograr comprimirla, con base en la irrelevancia o redundancia entre ambos canales. Por ejemplo, en muchas locaciones de alta fidelidad, existe un único y potente altavoz denominado “BOOMER”. Sin embargo, se tiene la impresión de que el sonido proviene de diferentes fuentes como si existieran parlantes en todas las direcciones. En la realidad, por debajo de una frecuencia determinada, el oído ya no es capaz de localizar el origen espacial de los sonidos. De esta manera, algunas frecuencias se pueden grabar como señal monofónica seguida por un pequeño código para lograr restaurar un pequeño porcentaje de espacialización en la decodificación.

 

CBANDAS CRÍTICAS Y EL BARK.

Estudios de la discriminación en frecuencia del oído han demostrado que en las bajas frecuencias, tonos con unos cuantos Hertzios de separación pueden ser distinguidos; sin embargo, en las altas frecuencias para poder discriminar los tonos se necesita que estén separados por cientos de Hertzios. En cualquier caso, el oído responde al estímulo más fuerte que se presente en sus diferentes regiones de frecuencia; a este comportamiento se le da el nombre de bandas críticas. Los estudios muestran que las bandas críticas son mucho más estrechas en las bajas frecuencias que en las altas; el 75% de las bandas críticas están por debajo de los 5 KHz, lo que implica que el oído recibe más información en las bajas que en las altas frecuencias. Las bandas críticas tienen un ancho de aproximadamente 100 Hz para las frecuencias de 20 a 400 Hz; este ancho aumenta de manera logarítmica a medida que aumenta la frecuencia. Se ha comprobado que el ancho de las bandas críticas se puede aproximar con la fórmula:

                                Ancho de la banda crítica (Hz) = 24.7 (4.37F + 1)

F es la frecuencia central en KHz.

Las bandas críticas son comparables a un analizador de espectro con frecuencia central variable. Más importante aún es el hecho de que las bandas críticas no son fijas; son continuamente variables en frecuencia y cualquier tono audible creará una banda crítica centrada en él. Mirado desde otro punto de vista, el concepto de la banda crítica es un fenómeno empírico: una banda crítica es el ancho de banda al cual las respuestas subjetivas cambian abruptamente.

 

BARK

El bark (en honor al físico alemán Georg Heinrich Barkhausen) es la unidad de frecuencia perceptual; específicamente, un bark mide la tasa de banda crítica, o sea, una banda crítica tiene un ancho de un bark. La escala bark relaciona la frecuencia absoluta (en Hz) con las frecuencias medidas perceptualmente (el caso de las bandas críticas). Usando el bark, un sonido en el dominio de la frecuencia puede ser convertido a sonido en el dominio psicoacústico. De esta manera, un tono puro (representado por una componente en el dominio de la frecuencia) puede ser representado como una curva de enmascaramiento psicoacústico. Eberhard Zwicker modeló el oído con 24 bandas críticas arbitrarias para frecuencias por debajo de 15 KHz, con una banda adicional que ocupa la región entre 15 y 20 KHz. El bark (ancho de una banda crítica) puede calcularse con las siguientes fórmulas:

¿Que es psicoacústica?

donde f = frecuencia.

De las consideraciones anteriores, se deduce que el umbral de enmascaramiento es diferente cuando se tienen en cuenta las bandas críticas. El umbral sin tener en cuenta las bandas críticas, sería:

 

¿Que es psicoacústica?

Y teniendo en cuenta las bandas críticas:

¿Que es psicoacústica?

CONCLUSIÓN:

Con lo que se ha mostrado acerca de la psicoacústica, se concluye que no todos los sonidos tienen la misma relevancia. Estas propiedades son usadas por los mecanismos de compresión de audio para disminuir la cantidad de datos necesarios para representar un sonido, basándose en un modelo psicoacústico que simula el comportamiento del oído humano. Se toma ventaja de las limitaciones del oído (así como del cerebro) para responder a todos los componentes en una onda de audio compleja y de esta manera, lograr que los mecanismos de compresión calculen lo que se oirá de un sonido particular, descartando el material indetectable o codificándolo con menos precisión, idealmente sin cambiar la calidad del sonido percibido.

 Por: Ing. Daniel Torres

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