Введение к работе
Актуальность проблемы Локализация объектов окружающей среды - одна из основных задач, решаемых слуховой системой человека и животных Локализация приближающихся и удаляющихся источников звука позволяет слушателю в любых условиях, в том числе условиях ограниченной видимости, избежать опасного столкновения с ними или, наоборот, преследовать биологически значимые источники звука Для понимания того, как реализуется эта функция, необходимо учитывать воздействие всех признаков, по которым происходит оценка расстояния до звукового источника Эти признаки возникают и формируются в процессе распространения акустической волны от источника до слушателя (Coleman, 1968) По словам Л А Орбели «В задачу изучения эволюции функций входит установление причинной зависимости изменений (функции) от факторов среды, воздействующих на живое существо » (Орбелй^ Избранные труды, 1961, т 1, с 61) Локализация человеком приближающихся и удаляющихся источников звука практически не изучена, что явилось предметом данного исследования
Движение реальных источников звука в условиях свободного поля крайне сложно воспроизвести в лабораторных условиях, так как это потребует применения бесшумных механизмов и анэхоидных звукоизолированных помещений большого объема Исследования реального приближения или удаления источников звука в литературе нами не обнаружены Слуховое восприятие движущихся источников звука исследуют с помощью моделей движения - движущихся звуковых образов (sound images) Движущиеся звуковые образы представляют собой акустические сигналы, содержащие признаки движения источников звука, излучаемые одним или несколькими неподвижными излучателями Такие модели широко применяются в исследовании движения по азимуту, элевации и радиальной координате В существующих моделях движения источников звука по радиальной координате (их приближения и удаления) (Вартанян, Черниговская, 1980, Кожевникова, 1980, Пак, Огородникова, 1997, Hellmann, 1997) применяют только один признак локализации по расстоянию - амплитуду звуковой волны, как наиболее универсальный с точки зрения условий прослушивания и однозначности восприятия признак (Ashmead et al, 1995) О восприятии динамических изменений интенсивности звука сравнительно мало известно по сравнению с хорошо изученным восприятием интенсивности стационарных сигналов (Телепнев, 1990, de Boer, Dreschler, 1987) Об этом, в частности, свидетельствовала дискуссия, развернутая в журнале «Nature» по
вопросу о том, существует ли преимущество в восприятии одного из^ к/
противоположных направлений изменений интенсивности (ее убывания или нарастания) и, если да, то какими физиологическими механизмами оно формируется (Neuhoff, 1998, Canevet et al, 1999)
На оценку расстояния до неподвижного источника звука влияют как амплитудные, так и спектральные изменения сигнала (Coleman, 1963, Haustem, 1969, von Hornbostel, 1923, Snow, 1953) Изменения спектра возникают вследствие физических процессов распространения звука от источника в ближнем акустическом поле (Скучек, 1976), частотно-зависимого поглощения звука слоем воздуха (Piercy et al, 1977) и искажения звуковых волн, вызванных головой и телом слушателя (Brungart, Rabinowitz, 1999) Описанные изменения амплитуды и спектра сигнала с увеличением расстояния до его источника можно выявить, получив информацию только через одно из ушей, их называют монауральными Представляет интерес выяснить влияние спектральных изменений сигнала на восприятие приближения и удаления источника звука, а также исследовать совместное воздействие амплитудного и спектрального признаков локализации источника звука по расстоянию на оценку его движения
Межушные различия сигналов тоже могут быть признаком для оценки расстояния от слушателя до источника звука Сферическая акустическая волна, излучаемая источником звука, падает на правое и левое ухо слушателя под разными азимутальными углами Возникает акустический параллакс - разница в углах падения волны (Блауэрт, 1979), которая меняется с расстоянием до тех пор, пока расстояние до источника звука сопоставимо с межушным расстоянием у слушателя Порог межушных различий достигается при расстояниях около 3 м, при больших расстояниях межушная разница не может быть обнаружена Влияние этого бинаурального признака на восприятие приближения и удаления источника звука экспериментально не исследовалось
Известно, что точность оценки слушателем расстояния до неподвижного источника звука изменяется с расстоянием (Coleman, 1963, Hoft, Thurlow, 1969, Gardner, 1969, Mershon, Bowers, 1979) Расстояния менее 3 м переоцениваются слушателем, а большие расстояния - недооцениваются Мы предположили, что эти различия в восприятии расстояния до неподвижного источника звука в ближней (ближе 3 м) и дальней (далее 3 м) области пространства должны проявляться и при оценке приближения и удаления источников звука Необходимо было проверить это предположение
Локализация источника звука не может происходить мгновенно, для нее требуется определенное время звучания Это свойство слуховой системы И Блауэрт назвал инерционностью (1979) Характеристиками инерционности при восприятии движущихся источников звука являются пороги по длительности звучания, необходимой для обнаружения факта движения и для определения его направления, а также дифференциальные пороги по скорости движения Характеристики инерционности приближения и удаления источников звука почти не исследованы Отмечено исчезновение признака приближения или удаления для сигналов длительностью менее 400 мс в работе И А Вартанян и Т В Черниговской (1981) Относительные дифференциальные пороги по скорости приближения, измеренные в работах (Кожевникова, 1985, Огородникова, Пак, 1998), различались по величине почти в 10 раз Зависимость характеристик инерционности движения от азимутального угла, под которым происходило приближение или удаление источника звука не была изучена
Локализация источника звука происходит на фоне других событий в акустическом пространстве, которые являются помехами Помехоустойчивость слуха при локализации приближающихся и удаляющихся источников звука может определяться детально изученными явлениями бинаурального освобождения от маскировки и эффекта предшествования (обзоры Good, Gilkey, 1996, Litovsky et al, 1999) только на расстояниях до источника менее 3 м, когда присутствует акустический параллакс В то же время, механизмы помехоустойчивости сигналов, содержащих динамические изменения монауральных признаков локализации, должны существенно отличаться от широко исследованных явлений, основанных на бинауральных механизмах слухового анализа Изучение помехоустойчивости слуха при локализации радиально движущихся звуковых образов, содержащих монауральные признаки, не проводилось
Нерешенность перечисленных теоретических проблем локализации приближающихся и удаляющихся звуковых источников свидетельствуют о необходимости их систематического исследования, что составило содержание настоящей работы Актуальность изучения локализации источников звука определяется также практическими потребностями, связанными с формированием виртуальной акустической реальности Акустические дисплеи находят применение в самых разных областях науки и техники коммуникационные системы, архитектурный акустический дизайн и акустическая "визуализация" многомерных данных (Wenzel, 1992, Begault et al, 2001) Возможность их эффективного использования тесно
связана с решением фундаментальных проблем пространственного слуха, в том
числе с пониманием механизмов слухового анализа приближающихся и
удаляющихся источников звука
Цель исследования Выяснить роль монауральных и бинауральных механизмов
пространственного слуха в анализе приближения и удаления источника звука
Задачи исследования
1) Определить влияние монауральных признаков локализации по расстоянию на
восприятие приближающихся и удаляющихся звуковых образов в ближней и
дальней областях пространства
Измерить психоакустические показатели, характеризующие оценку направления, равномерности и скорости приближающихся и удаляющихся звуковых образов
Определить показатели восприятия приближения и удаления звукового образа под разными азимутальными углами у слушателей с нормальным слухом и при односторонней глухоте
4) Выявить механизмы слуха, которые определяют инерционность восприятия
приближения и удаления звуковых образов
Выполнить сравнительный анализ помехоустойчивости монаурапьных признаков радиального движения
Оценить влияние широкополосного белого шума на временные психоакустические показатели слухового анализа приближающихся и удаляющихся звуковых образов
Научная новизна В работе впервые выполнено систематическое исследование локализации движущегося вдоль радиальной оси акустического пространства звукового образа Разработаны модели радиального движения звуковых источников, которые позволяют имитировать различные комбинации монауральных и бинауральных признаков локализации и изменять величину признаков в широком диапазоне их значений Показана неоднозначность оценки движения звуковых образов, формируемых с помощью спектрального признака Впервые обнаружены различия в восприятии радиального движения звукового образа в дальней и ближней областях пространства
Впервые определены показатели инерционности слуховой системы при обнаружении радиального движения источника звука, оценке его направления и равномерности (постоянства скорости) Продемонстрировано влияние процессов временной интеграции в слуховой системе на определение направления радиального движения источников звука Обнаружены различия в слуховом анализе
приближающихся и удаляющихся звуковых образов и выяснена роль прямой и обратной последовательной маскировки в формировании этих различий
Показано увеличение инерционности слуховой системы при восприятии слушателем приближения и удаления звукового образа под влиянием теневого эффекта головы Установлено, что монауральная локализация радиально движущегося звукового образа в случае односторонней глухоты также приводит к увеличению инерционности слуховой системы Впервые выявлена роль высокочастотного бинаурального механизма пространственного слуха в локализации радиапьно движущегося звукового образа
Установлена высокая помехоустойчивость механизмов временного анализа радиального движения звуковых образов Временные показатели восприятия радиального движения (минимальная длительность стимула, необходимая для определения направления движения, время реакции выбора) на фоне непрерывного широкополосного шума при всех уровнях интенсивности до порога маскировки оставались практически неизменными В слуховом анализе приближающихся и удаляющихся звуковых образов, создаваемых изменениями амплитуды обнаруживались различия в условиях тишины различия, но на фоне непрерывного широкополосного шума они отсутствовали Непрерывный широкополосный шум в качестве маскера снижал неоднозначность восприятия спектральных признаков приближения и удаления источника звука Основные положения, выносимые на защиту
Восприятие направления движущегося в ближней и дальней областях пространства звукового источника основано на тех же признаках движения, что и локализация неподвижных источников звука
Локализация приближающегося и/или удаляющегося звукового источника в ближней области пространства (расстояния менее 3 м) обеспечивается как монауральными, так и бинауральными механизмами, тогда как его локализация в дальней области базируется исключительно на монауральных механизмах
Инерционность слуховой системы проявляется в ограничениях по длительности звучания источника при обнаружении факта его радиального движения, оценке направления и равномерности движения Инерционность увеличивается при монауральном восприятии движения и при перемещении звукового образа под азимутальным углом 90, когда исключено участие высокочастотного бинаурального механизма
4 Слуховой анализ радиального движения звукового образа обладает высокой
помехоустойчивостью, которая проявляется в стабильности психофизических
шкал радиального движения в условиях шума и в постоянстве временных
показателей восприятия на фоне непрерывной широкополосной помехи
Теоретическое и практическое значение работы В данном исследовании решен
ряд теоретических проблем, связанных с созданием теории пространственного
слуха Выявлены причины неоднозначного восприятия удаленности звуковых
источников и выдвинута гипотеза о существовании двух подсистем локализации по
расстоянию Исследованы признаки локализации и временные характеристики для
обеих подсистем Показана роль временных интегративных процессов при
монауральной и бинауральной локализации радиально движущихся источников
звука Выявлена высокая помехоустойчивость локализации источников звука по
радиальной координате акустического пространства
На основе выполненных теоретических исследований и методических разработок становится возможным формирование движущихся в радиальном направлении звуковых образов Исследование пространственного слуха человека определяется важностью решения актуальной технологической задачи -формирования виртуальной реальности, в частности, создания акустических дисплеев Знание механизмов, определяющих возможности слуховой системы анализировать приближение и удаление источников звука, позволит определить условия, необходимые для принятия решения в ситуациях, когда нужно избежать столкновения с движущимся объектом (катастрофы) Поэтому механизмы анализа слуховой системой радиального движения источников звука являются ключевым моментом не только в понимании фундаментальных вопросов физиологии слуха, но и в решении практических задач
Полученные нами данные составили часть научно-исследовательской работы, выполненной по теме "Формирование' способности оператора ориентироваться в трехмерном акустическом пространстве на основе оценки движения звукового образа" (контракт NAS515-10110) Результаты работы были использованы в лекционных курсах и практических демонстрациях для студентов факультета биологии Санкт-Петербургского Государственного университета, Ленинградского государственного областного университета им А С Пушкина, Санкт-Петербургского института специальной педагогики и психологии им Р Валленберга Апробация работы Основные результаты, включенные в диссертацию, были представлены на XXXVIII Совещании по проблемам высшей нервной деятельности,
посвящ 140-летию со дня рождения акад И П Павлова, {Л , 1989), X Всесоюз совещ по эволюц физиологии (Л, 1990), Fourth IBRO World Congress of Neuroscience (Kyoto, 1995), II Biennal symposium "Modern problems of physiology and pathology of hearing" (Moskow, 1995), конференции молодых физиологов и биохимиков России "Биохимические и биофизические механизмы физиологических функций (С Петербург, 1995), I(XI) Межд Совещ по эволюционной физиологии (С Петербург, 1996), Fourth International Congress on sound and vibration (St Peterburg, 1996), Российско-Американском совещ по программе "Мир-НАСА" (Москва, 1996), рабочем совещ "Физиологические механизмы опознания биологически значимых слуховых сигналов" (С Петербург, 1997), III Всерос научно-практической конференции с межд участием "Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности" (С Петербург, 1998), науч-практ меж-вуз конф с межд участием "II Царскосельские чтения" (С Петеріург, 1998), 9th World Congress of the IOP (Taormina, 1998), VII съезде Всерос физиол общества им ИП Павлова (Ростов-на-Дону, 1998), всеросс науч конф, поев 150-летию ИП Павлова (С Петербург, 1999), науч конф "Современные возможности реабилитации при нарушениях слуха" (С Петербург, 2000), всеросс конф "Природные и социальные основания интеллектуального развития и деятельности" (С Петербург, 2000), XXX всеросс совещ по проблемам ВНД, поев 150-летию со дня рожд И П Павлова (С Петербург, 2000), росс конф "Организм и окружающая среда жизнеобеспечение и защита человека" (Москва, 2000), XII межд совещ и V школа по эвол физиологии (С Петербург, 2001), XVI съезде отоларингологов РФ "Отоларингология на рубеже тысячелетий" (Сочи, 2001), XVill и XIX съездах физиол общества им И П Павлова (С Петербург, 2001, Екатеринбург, 2004), XII конференции по космической биологии и авиакосмической медицине (Москва, 2002), XIII сессии Российского акустического общества (Москва, 2003), 3-й и 4-й конф, поев памяти чл -корр АН СССР Г В Гершуни "Физиология слуха и речи" (С Петербург, 2003, 2005), XV и XVI сессиях РАО (Нижний Новгород, 2004, Москва, 2005), I съезде физиологов СНГ (Сочи, 2005) Публикации Основное содержание диссертации изложено в 38 научных работах (16 статей в рецензируемых журналах)
Финансовая поддержка работы Работа выполнена при финансовой поддержке Российского космического агентства (контракт NAS515-10110), Российского фонда фундаментальных исследований (фанты №№ 97-04-48224, 00-04-48600, 03-04-49411)
Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, обзора литературы - глава 1, описания методов исследования - глава 2, экспериментальных данных - главы 3, 4 и 5, обсуждения - глава 6, выводов Работа изложена на 253 страницах, содержит 73 рисунка и 9 таблиц Библиографический указатель состоит из 310 источников
