Как измерить остроту слуха?

Этот же прием позволяет измерить и другой важнейший показатель - контрастную чувствительность. Можно менять не частоту полос решетки, а контрастность рисунка. Минимальный (пороговый) контраст, при котором различима инверсия фазы решетки, укажет, какова контрастная чувствительность. А чтобы провести измерение во всей полноте, можно варьировать и контраст, и частоту решетки. Зависимость порогового контраста от частоты решетки (частотно-контрастная кривая) - полный и точный показатель разрешающей способности зрения.

Можно ли так же просто и строго, используя тот же оправдавший себя прием, измерять разрешающую способность слуха? Попробуем сделать это. Для начала разберемся, какие сигналы играют для слуха ту же роль, что контрастные решетки для зрения.

Уже говорилось, что первейшая операция, выполняемая ухом, - разложение звука на составляющие его частоты. Рецепторная поверхность органа слуха (кортиев орган) устроена так, что разные ее точки откликаются на разные звуковые частоты, так что вдоль рецепторной поверхности представлена вся шкала звуковых частот: на одном конце - самые высокие частоты, на другом - самые низкие. Что же нужно сделать, чтобы на этой поверхности появилась "решетка" - чередующиеся участки возбужденных и невозбужденных клеток? Ответ очевиден: нужно воздействовать таким звуком, в частотном спектре которого представлены периодически чередующиеся пики и провалы (рис.3). А чтобы измерить разрешающую способность слуха, нужно менять расстояние между спектральными пиками, т.е. "плотность" спектральной решетки, и найти тот предел, при котором ухо еще способно различать, что спектр сигнала не сплошной, а "решетчатый". Если же хотим измерить еще и контрастную чувствительность, будем менять "контраст" спектральной решетки, т.е. высоту пиков и глубину провалов, и найдем тот порог, при котором "решетчатый" спектр отличим от равномерного (рис. 4).

Рис.3 Рецепторная поверхность органа слуха (кортиев орган) схематически представлена в виде полоски, вдоль которой распространяются звуковые волны (вверху). Каждая точка (чувствительная слуховая клетка кортиева органа) реагирует на звук своей частоты, так что вся шкала звуковых частот (от 20 до 20 тыс. Гц) представлена вдоль полоски. Чтобы создать "решетку" из возбужденных и невозбужденных участков (темные и светлые участки), нужно воздействовать звуком, в частотном спектре которого есть пики и провалы на соответствующих частотах.

Рис.4 Спектры сигналов, используемые для измерения разрешающей способности слуха. Верхняя пара - прямая и инверсная спектральные решетки с низкой плотностью и высоким контрастом пиков и провалов звукового сигнала. Если один сигнал заменить на другой, это хорошо слышно. Средняя пара - спектры с низким контрастом; в этом случае замену одного сигнала на другой уловить трудно. Внизу - спектры с высоким контрастом, но и с высокой плотностью пиков: пики сливаются в сплошной спектр, поэтому замену одного сигнала другим тоже трудно услышать.

Тут нужно небольшое пояснение: применительно к спектральным решеткам мы использовали термин "плотность", тогда как для зрительных решеток мы говорили об их частоте. По сути это совершенно одно и то же, но дело в том, что применительно к звуку термин "частота" используется для обозначения частоты звуковых волн. Чтобы избежать путаницы, условимся для спектральных решеток использовать термин "плотность", считая, что эта величина тем выше, чем меньше частотный интервал между пиками (пики расположены плотнее).

Но как узнать, различает ухо "решетчатый" рисунок спектра или нет? Да точно так же, как и для зрения: используя тест инверсии фазы решетки (рис.4). Включим звуковой сигнал, имеющий "решетчатый" спектр. (Кстати, все сигналы с более или менее широким частотным спектром воспринимаются как шумы различного тембра; так же звучит и наш сигнал.) Затем неожиданно заменим его на другой - тоже "решетчатый", с той же шириной спектра, той же громкости, но с противоположным положением спектральных пиков и провалов на частотной шкале. Он тоже звучит как шум, но с чуть другим тембром. Услышал испытуемый, что в звуке что-то изменилось, - значит, смог различить спектральную структуру сигнала. Если же плотность пиков настолько велика, что они сливаются для него в сплошной спектр, или контраст решетки слишком мал - испытуемый не уловит никакого изменения: ведь за исключением положения спектральных пиков на частотной шкале, сигналы до и после переключения абсолютно идентичны.

Итак, показатели разрешающей способности слуха - та максимальная плотность спектральной "решетки" и тот минимальный ее контраст, при которых улавливается инверсия фазы этой "решетки".

Чем привлекателен такой способ измерения остроты слуха? Во-первых, в отличие от речевой аудиометрии, это строгий аппаратурный метод, и результат он дает в точных физических единицах: плотность спектральных пиков выражается в их количестве на 1кГц или как отношение частоты к интервалу между пиками, а контраст решетки - в процентах отклонения ее пиков и провалов от среднего уровня.

Во-вторых, для тестирования используются сигналы со сложным спектральным составом (т.е. сходные с естественными звуками), поэтому результат отражает реальную разрешающую способность слуха.

В-третьих, это одноточечный метод: чтобы получить одно значение разрешающей способности, достаточно найти лишь один порог восприятия изменения спектральной "решетки", а не много порогов маскировки.

В-четвертых, процедура измерения предельно проста для испытуемого. От него не требуется как-то оценивать характер слышимых звуков, надо лишь ответить на простой и понятный вопрос: заметил ли он хоть какие-то изменения в предъявляемых сигналах? Несомненно, этот достаточно простой и быстрый метод захотелось сразу использовать в практических целях для индивидуальной диагностики. Однако предстояло еще во многом разобраться.

Результат

Основная идея метода была опубликована¹ еще в 1984 г., но, чтобы довести ее "до ума", надо было сделать многое: разработать методы синтеза звуковых сигналов, которые имели бы именно такие частотные спектры, какие нужны для нашей задачи; испробовать разные варианты сигналов, чтобы установить, какие из них наиболее пригодны для тестирования; выяснить, могут ли быть в сигналах посторонние "подсказки", которые исказят результаты измерения; наконец, установить, какова же на самом деле разрешающая способность человеческого слуха в норме. И главное - понять, какие физиологические механизмы определяют разрешающую способность слуха: только ли острота частотной настройки слуховых фильтров или более сложные процессы. Ведь пытаться создать метод диагностики без понимания фундаментальных основ тестируемых процессов - дело бесперспективное.

Все это стало возможным в течение последних лет благодаря выполнению проектов, поддержанных РФФИ. Наконец, впервые были получены данные о частотной разрешающей способности слуха². Если обратиться к результатам, их можно свести к нескольким простым графикам, но именно они характеризуют разрешающую способность нормального слуха. Один из них (рис.5) служит иллюстрацией того, как способность различать контраст между высотой пиков и глубиной провалов зависит от плотности пиков на частотной шкале, т.е. их числа в интервале частот 1 кГц. Если плотность спектральных пиков невелика, человек на слух способен различить спектральный рисунок с отклонениями по громкости от среднего уровня не менее 15-20%; менее контрастные спектральные рисунки слуху недоступны. Но и этот 15-20%-й порог доступен только при низкой плотности спектральной решетки - не более 10 пиков на 1 кГц интервала. По мере того как плотность решетки увеличивается, контрастный порог растет. Например, при плотности решетки 15 пиков на 1кГц спектральный рисунок будет различим только при контрасте перепадов высоты пиков не меньше 50%. А если плотность решетки увеличить до 20-25 пиков на 1кГц, то спектральный рисунок даже при 100%-м контрасте едва-едва различим. Дальше увеличивать контраст некуда; стало быть, 20-25 пиков на 1кГц - это предел частотной разрешающей способности слуха нормального человека. Более дробный спектральный рисунок не различается ни при каких иных параметрах сигнала: все сливается в сплошной, равномерный спектр.

Рис.5 Кривая контрастной чувствительности нормального слуха человека. Все те сочетания плотности пиков и контраста, которые выше кривой (затененная область), доступны для различения; то, что ниже кривой, - за пределами возможностей слуха.

Итак, первый шаг сделан, найдены "рамки", показывающие, в каких пределах слуховая система может различать спектральные рисунки: или контраст не менее 15-20% при низкой плотности спектральных пиков, или плотность не выше 20-25 пиков на 1кГц при 100%-м контрасте, или некоторые промежуточные сочетания того и другого.

Назад | Вперед