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心理音響学は、人間の聴覚システムによる音の知覚を科学的に研究する心理物理学の一分野です。騒音、音声、音楽などの音に関連する心理的反応を研究する科学の一分野です。心理音響学は、心理学、音響学、電子工学、物理学、生物学、生理学、コンピューターサイエンスを含む学際的な分野です。[1]
背景
聴覚は、波の伝播という純粋に機械的な現象ではなく、感覚的かつ知覚的な出来事でもあります。人が何かを聞くとき、その何かは空気中を伝わる機械的な音波として耳に到達しますが、耳の中では神経活動電位に変換されます。これらの神経パルスは脳に伝わり、そこで知覚されます。したがって、オーディオ処理などの音響学の多くの問題では、環境の力学だけでなく、耳と脳の両方が人のリスニング体験に関与しているという事実も考慮に入れることが有利です。[引用が必要]
例えば、内耳は音の波形を神経刺激に変換する重要な信号処理を行っており、この処理によって波形間の特定の違いが知覚できないようになっています。[2] MP3などのデータ圧縮技術では、この事実を利用しています。[3]さらに、耳はさまざまな強度レベルの音に対して非線形に反応します。この非線形応答はラウドネスと呼ばれます。電話網や音声ノイズ低減システムでは、この事実を利用して、データサンプルを送信前に非線形圧縮し、再生時に展開しています。[4]耳の非線形応答のもう 1 つの影響は、周波数が近い音がファントムビート音、つまり相互変調歪みを生成することです。 [5]
知覚の限界
人間の耳は通常、以下の範囲の音を聞くことができる。20～20,000Hz 。上限は加齢とともに減少する傾向があり、ほとんどの成人はそれ以上の周波数を聞き取ることができません。16000Hz。理想的な実験室環境では、楽音として識別される最低周波数は12Hzです。 [ 6] 4～16Hzの音は、体の触覚で知覚できます。
人間が知覚する音声信号の時間間隔は10マイクロ秒未満と測定されている。これは100kHz以上の周波数が聞こえるという意味ではなく、時間差が周波数範囲と直接結びついていないという意味である。[7] [8]
耳の周波数分解能は1オクターブ内で約3.6Hzである。1000～2000 Hz つまり、臨床の場では3.6 Hzを超えるピッチの変化が知覚される可能性がある。[6]しかし、より小さなピッチの違いは、他の手段で知覚されることもある。例えば、2つのピッチの干渉は、音量の繰り返し変化として聞こえることが多い。この振幅変調は、2つの音の周波数の差に等しい周波数で発生し、ビーティングとして知られている。
西洋音楽の記譜法で使われる半音階は、線形周波数スケールではなく、対数スケールです。メル音階やバーク音階などの他の音階は、人間の聴覚知覚に関する実験から直接導き出されたもので（これらは知覚の研究には使われますが、音楽作曲では通常使われません）、高周波数端では周波数がほぼ対数的ですが、低周波数端ではほぼ線形です。
可聴音の強度範囲は非常に広い。人間の鼓膜は音圧の変化に敏感で、数マイクロパスカル（μPa）から1000μPaを超える圧力変化まで感知できる。100 kPa。このため、音圧レベルも対数的に測定され、すべての圧力は20μPa（または1.973 85 × 10 −10 atm）。したがって、可聴範囲の下限は次のように定義されます。0 dBですが、上限は明確に定義されていません。上限は、耳が物理的に損傷を受けるか、騒音性難聴を引き起こす可能性がある限界の問題です。
可聴範囲の下限をより厳密に調査すると、音が聞こえる最小閾値は周波数に依存することがわかります。さまざまな周波数の音をテストするためのこの最小強度を測定することで、周波数に依存する絶対聴力閾値（ATH）曲線を導き出すことができます。通常、耳は感度のピーク（つまり、最低ATH）を示します。1～5kHzですが、閾値は加齢とともに変化し、高齢の耳では2kHz以上の感度が低下することが示されています。[9]
ATH は等ラウドネス曲線の中で最も低いものです。等ラウドネス曲線は、可聴周波数の範囲にわたって、等しい音量として知覚される音圧レベル (dB SPL) を示します。等ラウドネス曲線は、 1933 年にベル研究所のフレッチャーとマンソンによってヘッドフォンで再生された純音を使用して初めて測定され、収集されたデータはフレッチャー・マンソン曲線と呼ばれています。主観的な音量を測定することは困難であったため、フレッチャー・マンソン曲線は多くの被験者で平均化されました。
ロビンソンとダドソンは 1956 年にこのプロセスを改良し、無響室で測定された正面音源の新しい等ラウドネス曲線のセットを取得しました。ロビンソン-ダドソン曲線は 1986 年にISO 226として標準化されました。2003 年に、ISO 226 は12 の国際研究から収集されたデータを使用して等ラウドネス曲線として改訂されました。
音の定位
音源定位とは、音源の位置を特定するプロセスです。脳は、両耳の音量、音色、タイミングの微妙な違いを利用して、音源を定位します。[10]定位は、方位角または水平角、天頂角または垂直角、距離（静止音の場合）または速度（移動音の場合）の3次元位置で説明できます。[11]人間は、ほとんどの四足動物と同様に、水平方向の方向を検知するのに長けていますが、耳が対称に配置されているため、垂直方向の検知はそれほど得意ではありません。フクロウのいくつかの種は、耳が非対称に配置されており、3つの平面すべてで音を検知できます。これは、暗闇で小型哺乳類を狩るための適応です。[12]
マスキング効果
リスナーが無音状態で特定の音響信号を聞くことができるとします。信号が再生されているときに別のサウンド (マスカー) が再生されている場合、リスナーがそれを聞き取るには、信号が強くなければなりません。マスキングが発生するには、マスカーが元の信号の周波数成分を持っている必要はありません。マスクされた信号は、マスカーより弱くても聞こえます。信号とマスカーが一緒に再生されると、たとえば、1 人がささやき、もう 1 人が叫ぶ場合など、弱い信号は大きなマスカーによってマスクされているため、リスナーには聞こえません。マスキングは、マスカーが開始する前またはマスカーが停止した後の信号にも発生することがあります。たとえば、突然大きな拍手音が 1 回鳴ると、その直前または直後の音が聞こえなくなることがあります。後方マスキングの効果は前方マスキングよりも弱いです。マスキング効果は、心理音響研究で広く研究されてきました。マスカーのレベルを変更してしきい値を測定し、同様の特徴を示す心理物理学的チューニング曲線の図を作成できます。マスキング効果は、 MP3などの非可逆オーディオ エンコーディングでも使用されます。
基礎が欠けている
2 f、 3 f、 4 f、 5 fなどの関係にある倍音列の周波数が提示されると（ここでfは特定の周波数）、人間は音程がfであると認識する傾向があります。YouTubeで聞き取れる例を見ることができます。[13]
ソフトウェア
心理音響モデルは、特定のデジタルオーディオ信号のどの部分を安全に削除（または積極的に圧縮）できるか、つまり（意識的に）知覚される音質に大きな損失を与えることなく削除できるかを記述することにより、高品質の非可逆信号圧縮を実現します。
これは、静かな図書館では鋭い手拍子が耳障りなほど大きく聞こえるのに、混雑した市街地の道路で車がバックファイアした後にはほとんど気づかれない理由を説明できます。これは全体的な圧縮率に大きな利点をもたらし、心理音響分析により、圧縮された音楽ファイルは高品質のマスターの10分の1から12分の1のサイズに抑えられ、比例した品質の低下が目に見えて少なくなることが日常的に得られます。このような圧縮は、ほぼすべての最新の非可逆オーディオ圧縮形式の特徴です。これらの形式には、ドルビーデジタル（AC-3）、MP3、Opus、Ogg Vorbis、AAC、WMA、MPEG-1レイヤーII （いくつかの国でデジタルオーディオ放送に使用）、およびミニディスクと一部のウォークマンモデル で使用されている圧縮方式であるATRACなどがあります。
心理音響学は、主に人体の解剖学、特に前述のように音を知覚する際の耳の限界 に基づいています。要約すると、これらの限界は次のとおりです。
圧縮アルゴリズムは、人間の聴覚範囲外の音に低い優先度を割り当てることができます。重要でないコンポーネントから重要なコンポーネントへビットを慎重にシフトすることで、アルゴリズムは、リスナーが最も知覚する可能性の高いサウンドが最も正確に表現されることを保証します。
音楽
心理音響学には、音楽心理学や音楽療法に関連するテーマや研究が含まれます。ベンジャミン・ボレッツなどの理論家は、心理音響学の研究結果の一部は音楽の文脈でのみ意味があると考えています。[14]
アーヴ・タイベルのEnvironmentsシリーズLP（1969-79）は、心理能力を高めるために特別に発売された市販のサウンドの初期の例です。[15]
応用心理音響学
心理音響学は長い間、コンピュータサイエンスと共生関係を築いてきました。インターネットの先駆者であるJCR Licklider 氏とBob Taylor 氏は、両者とも心理音響学の大学院レベルの研究を修了しており、BBN Technologies 社は、最初のパケット交換ネットワークの構築を開始する前は、もともと音響問題に関するコンサルティングを専門としていました。
リクライダーは「ピッチ知覚の二重理論」と題する論文を執筆した。[16]
心理音響学はソフトウェア開発の多くの分野で応用されており、開発者は実証済みおよび実験的な数学的パターンをデジタル信号処理にマッピングしています。MP3やOpusなどの多くのオーディオ圧縮コーデックは、圧縮率を高めるために心理音響モデルを使用しています。劇場や家庭での音楽再生用の従来のオーディオシステムの成功は、心理音響学によるものであり[17] 、心理音響学の考慮から、心理音響音場合成などの新しいオーディオシステムが生まれました。[18]さらに、科学者は、障害、傷害、または死に至る可能性のある周波数を発する新しい音響兵器を作成する実験を行ってきました。[19]心理音響学は、複数の独立したデータ次元を聞きやすく簡単に解釈できるようにするために、ソニフィケーションにも活用されています。 [20]これにより、空間オーディオを必要とせずに聴覚誘導が可能になり、ソニフィケーション コンピューターゲーム[21]や、ドローンの飛行や画像誘導手術などの他のアプリケーションに使用できます。[22]これは今日でも音楽の分野で応用されており、ミュージシャンやアーティストは楽器の不要な周波数をマスキングして他の周波数を強調することで、新しい聴覚体験を生み出し続けています。さらに別の応用としては、小型または低品質のスピーカーの設計があり、基本音が失われる現象を利用して、スピーカーが物理的に生成できるよりも低い周波数でベース音の効果を与えることができます（参考文献を参照）。
自動車メーカーは、エンジンやドアに特定の音が出るように設計している。[23]
参照
関連分野
心理音響学のトピック
参考文献
注記
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出典
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- 大橋 孝文; 河合 暢; 仁科 栄治; 本田 正之; 八木 亮; 中村 聡; 森本 正; 前川 孝文; 米倉 康文; 柴崎 秀次 (2006 年 2 月)。「ハイパーソニック効果の発現における聴覚気伝導以外の生物学的システムの役割」。Brain Research。1073– 1074 : 339– 347。doi : 10.1016 / j.brainres.2005.12.096。PMID 16458271。
外部リンク
ウィキメディア・コモンズには、心理音響学に関連するメディアがあります。
- 音楽の耳—音の知覚 2005-12-25 にWayback Machineでアーカイブ
- ミュラー C、シュナイダー P、パーステラー A、オピッツ M、ネフィヨドバ MV、ベルガー M (1993)。 「[宇宙飛行における応用心理音響学]」。Wien Med Wochenschr (ドイツ語)。143 ( 23–24 ): 633– 5. PMID 8178525。—ヘッドフォンによる自由音場聴覚のシミュレーション
- GPSYCHO - ISO ベースの MP3 エンコーダー用のオープンソースの心理音響およびノイズシェーピング モデル。
- 定義: 知覚的オーディオコーディング
- マスキングのデモンストレーションを行う Java アプレット
- 時間マスキング
- HyperPhysics の概念 - 音と聴覚
- 標準オブジェクトとしての MP3