Psychoacoustics : facts and models 3. edView

Contents 1 Stimuli and Procedures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.1 Temporal and Spectral Characteristics of Sound . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Presentation of Sounds by Loudspeakers and Earphones . . . . . 5 1.3 Methods and Procedures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.4 Stimuli, Sensations, and Data Averaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2 Hearing Area . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.1 Threshold in Quiet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 3 Information Processing in the Auditory System . . . . . . . . . . 23 3.1 Preprocessing of Sound in the Peripheral System . . . . . . . . . . . 23 3.1.1 Head and Outer Ear . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.1.2 Middle Ear . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 3.1.3 Inner Ear . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.1.4 Otoacoustic Emissions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.1.5 Model of the Nonlinear Preprocessing System . . . . . . . . 50 3.2 Information Processing in the Nervous System . . . . . . . . . . . . . 58 4 Masking. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 4.1 Masking of Pure Tones by Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 4.1.1 Pure Tones Masked by Broad-Band Noise . . . . . . . . . . . 62 4.1.2 Pure Tones Masked by Narrow-Band Noise . . . . . . . . . . 64 4.1.3 Pure Tones Masked by Low-Pass or High-Pass Noise . . 66 4.2 Masking of Pure Tones by Tones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 4.2.1 Pure Tones Masked by Pure Tones . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 4.2.2 Pure Tones Masked by Complex Tones . . . . . . . . . . . . . . 71 4.3 Psychoacoustical Tuning Curves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 4.4 Temporal Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 4.4.1 Simultaneous Masking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 4.4.2 Premasking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 4.4.3 Postmasking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 4.4.4 Temporal Masking Patterns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 4.4.5 Masking-Period Patterns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 4.4.6 Pulsation Threshold . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 4.4.7 Mixed Spectral and Temporal Masking . . . . . . . . . . . . . . 102 X Contents 4.5 “Addition” of Masking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 4.5.1 “Addition” of Simultaneous Masking . . . . . . . . . . . . . . . 103 4.5.2 “Addition” of Postmasking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 4.6 Models of Masking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 4.6.1 Psychoacoustical Model of Simultaneous Masking . . . . 107 4.6.2 Psychoacoustical Model of Non-simultaneous Masking. 108 4.6.3 Masking Described in Cochlear Active Feedback Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 5 Pitch and Pitch Strength . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 5.1 Pitch of Pure Tones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 5.1.1 Ratio Pitch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 5.1.2 Pitch Shifts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 5.2 Model of Spectral Pitch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 5.3 Pitch of Complex Tones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 5.4 Model of Virtual Pitch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 5.5 Pitch of Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 5.6 Acoustic After Image (Zwicker-tone) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 5.7 Pitch Strength . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 6 Critical Bands and Excitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 6.1 Methods for the Determination of the Critical Bandwidth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 6.2 Critical-Band Rate Scale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 6.3 Critical-Band Level and Excitation Level . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 6.4 Excitation Level versus Critical-Band Rate versus Time Pattern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 7 Just-Noticeable Sound Changes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 7.1 Just-Noticeable Changes in Amplitude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 7.1.1 Threshold of Amplitude Variation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 7.1.2 Just-Noticeable Level Differences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180 7.2 Just-Noticeable Changes in Frequency. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 7.2.1 Threshold for Frequency Variation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 7.2.2 Just-Noticeable Frequency Differences . . . . . . . . . . . . . . . 185 7.3 Just-Noticeable Phase Differences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 7.4 Influence of Partial Masking on Just-Noticeable Changes . . . . 192 7.5 Models of Just-Noticeable Changes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 7.5.1 Model for Just-Noticeable Variations . . . . . . . . . . . . . . . . 194 7.5.2 Model for Just-Noticeable Differences . . . . . . . . . . . . . . . 201 8 Loudness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203 8.1 Loudness Level . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203 8.2 Loudness Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205 8.3 Spectral Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208 Contents XI 8.4 Spectrally Partial Masked Loudness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214 8.5 Temporal Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216 8.6 Temporally Partial Masked Loudness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219 8.7 Model of Loudness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220 8.7.1 Specific Loudness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223 8.7.2 Loudness Summation (Spectral and Temporal) . . . . . . . 226 8.7.3 Loudness Calculation and Loudness Meters . . . . . . . . . . 233 9 Sharpness and Sensory Pleasantness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239 9.1 Dependencies of Sharpness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239 9.2 Model of Sharpness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241 9.3 Dependencies of Sensory Pleasantness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243 9.4 Model of Sensory Pleasantness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245 10 Fluctuation Strength . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247 10.1 Dependencies of Fluctuation Strength . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247 10.2 Model of Fluctuation Strength . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253 11 Roughness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257 11.1 Dependencies of Roughness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257 11.2 Model of Roughness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261 12 Subjective Duration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265 12.1 Dependencies of Subjective Duration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265 12.2 Model of Subjective Duration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268 13 Rhythm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271 13.1 Dependencies of Rhythm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271 13.2 Model of Rhythm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275 14 The Ear’s Own Nonlinear Distortion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277 14.1 Even Order Distortions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279 14.2 Odd Order Distortions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282 14.3 Models of Nonlinear Distortions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286 15 Binaural Hearing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293 15.1 Just-Noticeable Interaural Delay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293 15.2 Binaural Masking-Level Differences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295 15.2.1 Dependencies of BMLDs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296 15.2.2 Model of BMLDs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302 15.3 Lateralization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308 15.4 Localization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309 15.5 Binaural Loudness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311 XII Contents 16 Examples of Application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315 16.1 Noise Abatement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315 16.1.1 Loudness Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317 16.1.2 Evaluation of Noise Emissions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320 16.1.3 Evaluation of Noise Immissions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323 16.1.4 Evaluation of Sound Quality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327 16.1.5 Cognitive Effects: Identification of Sound Source . . . . . 330 16.2 Applications in Audiology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333 16.2.1 Otoacoustic Emissions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334 16.2.2 Tuning Curves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336 16.2.3 Amplitude Resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340 16.2.4 Temporal Resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341 16.2.5 Temporal Integration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347 16.2.6 Loudness Summation and Recruitment . . . . . . . . . . . . . . 348 16.2.7 Speech in Background-Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352 16.2.8 Localisation with Hearing Instruments . . . . . . . . . . . . . . 356 16.3 Hearing Aids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356 16.4 Broadcasting and Communication Systems . . . . . . . . . . . . . . . . 359 16.5 Speech Recognition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361 16.6 Musical Acoustics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362 16.7 Room Acoustics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366 Literature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369 Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 429 Contents of CD: Psychoacoustic Demonstrations. . . . . . . . . . . . . . 447