Construction of psychoacoustic measurement system

Abstract

AB3:Psykoakustiikka voidaan määritellä kuuloaistin tutkimiseksi psykologian kannalta. Tietoa kuuloaistin toiminnasta tarvitaan, kun tutkitaan kuulon kautta ihmisiin vaikuttavia ilmiöitä. Tällaisia aloja ovat vaikkapa kuulolaitteiden, hälytyslaitteiden tai huoneakustiikan kehittäminen. Yksi tärkeä tutkimuskohde, jolle on hyötyä psykoakustiikan kehityksestä on audiosignaalien pakkaus eli kompressio. Kansainvälinen standardointijärjestön (International Organization for Standardization) määrittelemä korkealaatuisten audiosignaalien kompressointimenetelmä MPEG1 käyttää psykoakustista mallia kvantisointikohinan pienentämiseksi. Malli simuloi ihmisen kuuloaistia erottelemalla ihmiskorvin kuultavat äänet sellaisista, jotka ovat peittyneet muiden äänien alle. -Kvantisoinnissa analoginen signaali muunnetaan digitaaliseen muotoon mallintamalla jatkuvaaikaisen signaalin jännitetasoja muutamalla hetkellisjännitteellä, jolloin osa informaatiosta väistämättä katoaa. Alkuperäisen signaalin ja kvantisoidun signaalin ero havaitaan digitaalisessa signaalissa lisääntyneenä kohinana. Psykoakustinen malli pyrkii ohjaamaan kvantisointia siten, että tämä kohina pysyisi ihmisen havaintokynnyksen alapuolella. Kynnyksen taso riippuu signaalin komponenttien maskaus- eli peittokyvystä. Tällä hetkellä MPEGI:n psykoakustinen malli perustuu yhden maskerin eli peittävän äänen peitto-ominaisuuksista tehtyihin mittauksiin. On kuitenkin esitetty, että kahden tai useamman yhtäaikaisen maskerin yhteinen peittokyky olisi suurempi, kuin näiden maskerien yksittäisen peittokyvyn summa. -Psykoakustinen mittausjärjestelmä kehitettiin välineeksi, jolla peittoilmiön epälineaarista summautumista voidaan tutkia. Jotta koehenkilöiden mahdolliset kuulovauriot eivät vaikuttaisi mittaustuloksiin, on testattavien koehenkilöiden kuulo syytä tutkia. Tästä syystä laitteistoon on lisätty myös kuulon tason mittaus. Äänten peittokyky on erittäin monitahoinen ilmiö, jonka selvittämiseen tarvitaan monenlaisia mittauksia. Siksi mittauslaitteiston monipuolisuus on tärkeää. Laitteistolla on mahdollista tutkia samanaikaisten äänten peittymisen lisäksi myös peittävää ääntä edeltävien ja seuraavien äänien peittymistä eli etu- ja jälkimaskausta. On myös mahdollista käyttää yhtä, kahta tai useampaa peittävää ääntä, sekä ulkoisesta signaalilähteestä otettua jatkuvaa pohjakohinaa peittämään signaalien keskinäismodulaatiosta aiheutuvaa häiriötä. - Mittauslaitteisto on tietokone ohjattu. Lisäksi se sisältää signaaliprosessorin tuottamaan mittauksissa tarvittavat äänet. Mittaus tehdään käyttäen testiääntä, jonka voimakkuutta vaihtelemalla etsitään testattavan kuulokynnys kyseiselle äänelle. Riippuen siitä käytetäänkö mittauksessa peittävää ääntä vai ei, kertoo mitattu äänenpainetaso peittävän äänen peittotason tai testattavan henkilön absoluuttisen kuulokynnyksen. Mittaus toteuttaa kahden intervallin algoritmia, jossa testattava joutuu valitsemaan kahdesta peräkkäisestä jaksosta sen, joka sisälsi testiäänen. Testiäänen voimakkuutta kasvatetaan jokaisen väärän havainnon jälkeen ja pienennetään kolmen oikean havainnon jälkeen. Käyttämällä erilaisia testiääniä löydetään myös ilmiön taajuuskäyttäytyminen. Laitteistolla tehdyt testimittaukset osoittivat, että jonkinlaista epälineaarista summautumista peittoilmiössä saattaa esiintyä. Testit olivat kuitenkin alustavia ja ilmiön tarkempi selvittäminen vaatii lisätutkimuksia.

The need for developing the psychoacoustic measurement system raised from the study of audio signal compression because new compression methods -and better signal quality are needed. The psychoacoustic model, which is used in some compression methods for controlling the audibility of the quantization noise, is based on measurements from the masking ability of one simultaneous masker. The psychoacoustic model attempts to imitate the function of the human ear and keep the quantization noise inaudible by taking advantage of the masking phenomena. There are studies, which suggests that masking is not a linear phenomena and the masking effect of several simultaneous makers is greater than just the sum of its individual components. The quantization and compression of audio signals can be improved, if the nature of this nonlinear additivity of masking is studied. -The measurement system is a computer controlled equipment, which can be used for studying the various aspects of masking. A signal processor is used for producing the test signals, which are presented to the test subject via headphones or a loudspeaker. The audibility of the system's test signals to the subject determines the level of the hearing threshold or the level of the masked tones. The response of the test subject adjusts the loudness of the test signal by the three-down, one-up rule. In addition, the measurement algorithm follows the two interval forced choice procedure where the test signal is located in either of two successive presented intervals and the test subject must perceive, which interval contained the signal. -The preliminary measurements demonstrated that the system is adequate for studying the masking phenomena. However, the measurements must be carefully planned in order to avoid mistakes. The non-linear additivity of masking was tested by measuring the masking of two different sounds individually plus the masking of the sum of these sounds. When the results of the latter measurement was compared with the linearly summed results of the first two measurements, some non-linear additivity was found. However, the results are only preliminary and further studying of the phenomena requires more measurements.