MASKIRANJE
prema Zwicker i Fastl (1999) Psychoacoustics
Maskiranje u svakodnevnom životu ima važnu ulogu. Za razgovor na pločniku u tihoj ulici, na primjer, dovoljno je malo zvučne energije da bi govornici razumjeli jedan drugoga. Međutim, ako prođe kamion, a nismo povećali glasnoću (snagu) govorenja, naš sugovornik nas neće čuti, odnosno, razumjeti. U takvom slučaju možemo pričekati da kamion prođe, pa onda nastaviti konverzaciju, a možemo povećati snagu govorenja, odnosno glasnoću. Sličan efekt događa se u glazbi: ako jedan instrument svira glasno, on može maskirati zvuk drugog instrumenta koji svira tiho. Ako glasan instrument ima pauzu, ponovno se začuje onaj tihi instrument. Ovo su tipični primjeri (simultanog) maskiranja. Efekt maskiranja kvantitativno se može izraziti određivanjem praga maskiranja. Maskirajući prag (masked threshold) je razina zvučnog tlaka test tona koja je potrebna da se dosegne prag slušanja u prisustvu maskirajućeg zvuka. Maskirajući prag (prag uz prisustvo maskirajućeg tona) gotovo uvijek je viši od praga u tišini, osmi u slučaju kad su test ton i maskirajući zvuk jako različiti po svojim spektralnim svojstvima.
Efekt maskiranja može se primijetiti i onda kad maska i signal nisu istovremeni. Ako signal prethodi maski onda se radi o maskiranju unazad (backward masking), a kad signal nastupa nakon što je maska prestala, onda je to maskiranje unaprijed (forward masking).
Maskiranje čistog tona šumom
U psihoakustici se koriste različite vrste šuma. Takozvani "bijeli šum" predstavalja širokopojasni šum kojem je spektralna gustoća (spectral density) neovisna o frekvenciji, ne provocira osjet tonske visine niti ritma. Za razliku od bijelog šuma, ružičasti šum ima visoke frekvencije atenuirane. U ovom poglavlju bit će riječi o još jednoj vrsti šuma: jednoliko maskirajućem šumu (uniform masking noise).
Čisti tonovi maskirani široko pojasnim šumom
Slika 4.1 predstavlja razinu praga (threshold level) u funkciji frekvencije test tona uz prisustvo bijelog šuma nekoliko različitih razina gustoće (density level).
slika 4.1 Razina upravo maskiranog test tona (prag) bijelim šumom. Crtkana krivulja predstavlja prag u tihim uvjetima (bez šuma). Parametar inad uz krivulja je razina gustoće šuma. Dodamo li tim vrijednostima 40 dB dobijemo razinu zvučnog tlaka.
Premda se za bijeli šum definira da je spektralno neovisne gustoće, to znači istog intenziteta u svakom jednko širokom pojasu u cijelom spektru od 20 Hz do 20 kHz, on do 500 Hz djeluje linearno maskirajuće, a za frekvencije iznad 500 Hz efekt maskiranja veći je za 10 dB po dekadi (deset puta veća frekvencija). Na dijagramu je to prikazano točkastom linijom. Za niske frekvencije prag maskiranja je oko 17 dB iznad razine gustoće šuma. Po brojevima koji predstavljaju spektralnu gustoću šuma (lwn) vidimo da i negativne vrijednosti djeluju maskirajuće. Povećanje razine gustoće šuma od 10 dB podiže prag test tonovima također za 10 dB. To znači da široko pojasni šum maskira linearno. Za vrlo niske i vrlo visoke frekvencije, maskirajući prag isti je kao u tišini, odnosno, gubi se efekt maskiranja.
Za neka mjerenja potrebno je postići prag maskiranja neovisan o frekvenciji test tona. To se postiže posebnim šumom kojemu je spektralna gustoća ovisna o frekvenciji. Takav se šum postiže tako da predstavlja zrcalnu sliku efekta maskiranja, odnosno da se od 500 Hz naviše atenuira 10 dB po dekadi. Takav šum naziva se jednoliko maskirajućim šumom.
Slika 4.2 Razina upravo maskiranog test tona jednoliko maskirajućim šumom. Gornji dijagram predstavlja potrebno atenuiranje da bi se od bijelog šuma kreirao jednoliko maskirajući šum.
Razina maskiranja prikazana na slici 4.2 podudara se za frekvencije do 500 Hz s onom prikazanom na slici 4.1.
Čisti tonovi maskirani uskopojasnim šumom
U ovom kontekstu, uskopojasnim šumom smatra se šum širine pojasa jednakim ili manjim od širine kritčnog pojasa za neku frekvenciju. To znači da je za frekvencije do 500 Hz uži od 100 Hz, a za više frekvencije 0,2 f. Kad se radi o uskopojasnom šumu, za izražavanje razine šuma bolje je koristiti ukupnu razinu šuma umjesto razine gustoće. Ako se zna širina pojasa, razina gustoće jednostavno se transformira u ukupnu razinu.
Slika 4.3 prikazuje prag čistog tona maskirnog bijelim šumom širine kritičnog pojasa, središnjih frekvencija 0,25, 1 i 4 kHz. Razina maskirajućih šumova je 60 dB a njihova širina 100, 160 i 700 Hz. Strmina gušenja filtara je više od 200 dB/oc, što je više nego je frekvencijska selektivnost ljudskog uha. Frekvencijska ovisnost maskirajućeg praga za uskopojasni šum centriran oko 1 kHz slična je onoj za 4 kHz, dok je za 250 Hz krivulja nešto šira. Osim toga maksimalan efekt maskiranja se za više središnje frekvencije maskirajućeg šuma smanjuje unatoč tome što je svaki od tri maskirajuća pojasa šuma iste razine intenziteta od 60 dB. Za 250 Hz maksimum je 2 dB ispod crtkane linije koja predstavlja razinu intenziteta od 60 dB, za 1000 Hz 3 dB, a za 4 kHz 5 dB manje. Lijevi bok krivulje maskiranja vrlo je strm, oko 100 dB po oktavi. Desni bok nešto je manje strm.
Slika 4.3 Razina test tona tek maskiranog šumom širine kritičnog pojasa razine 60 dB, središnjih frekvencija 250 Hz, 1 kHz i 4 kHz. Crtkana linija predstavalja prag bez prisustva maske.
Slika 4.4 Razina test tona (tek) maskiranog šumom širine kritičnog pojasa središnje frekvencije 1 kHz i različitih razina intenziteta u zavisnosti o frekvenciji test tona.
Na slici 4.4 prikazana je zavisnost praga maskiranja (masked threshold) o razini šuma. Sve se krivulje strmo uspinju do maksimalnog efekta maskiranja koje je oko središnje frekvencije pojasa šuma. Ta strmina (lijevog boka) neovisna je o razini šuma, a maksimum uvijek doseže 3 dB ispod razine maskirajućeg šuma. Desni bok krivulje maskiranja za više razine šuma sve je položeniji, dakle efekt maskiranja nije linearan. Uleknuće na krivuljama za razine šuma od 80 i 100 dB proizlazi od nelinearnosti našeg slušnog sustava, odnosno, zbog tzv. diferencijalnog tona koji nastaje interakcijom test tona i uskopojasnog maskirajućeg šuma. Kod većih razina test tona, ispitanici prag dosižu slušajući bilo što dodatno pa tako i taj diferencijalni ton koji se čuje sve dok razina test tona ne dosegne točkasti dio krivulje.
Čisti tonovi maskirani šumom filtriranim nisko propusnim i visokopropusnim filtrom
Maskiranje čistih tonova bijelim šumom kojem je frekvencijski raspon omeđen niskopropusni i visokopropusnim filtrom prikazano je na slici 4.5. Parametar (0, 20 i 40 dB) je, kao za bijeli šum, razina gustoće intenziteta šuma.
Slika 4.5 Razina test tona upravo maskiranog niskopropusnim (low pass) šumom (pune linije), i visokopropusnim šumom (točkaste linije) za različite razine gustoće šuma, u funkciji frekvencije test tona. Granične frekvencije visokopropusno i niskopropusno filtriranog šuma su 900 Hz i 1100 Hz.
Na graničnoj frekvenciji masiranje se smanjuje ali ne strminom filtra nego slično kao i kod maskiranja uskopojasnim šumom prikazanim na slici 4.4. Za frekvencije ispod granične za nispopropusno filtrirani šum, efekt maskiranja isti je kao i za bijeli šum. Isto vrijedi i za frekvencije iznad granične frekvencije kad je maskirajući šum filtriran visokopropusnim filtrom. To jest, prag maskiranja izdiže se za 10 dB po dekadi. Ako se pogleda kombinacija strmina prikazanih lijevi bok prikazan točkastom a desni punom linijom, oblik efekta maskiranja isti je kao u slučaju maskiranja uskopojasnim šumom širine kritičnog pojasa.
Maskiranje čistih tonova tonovima
Unatoč tome što su stimulusi u ovom slučuaju relativno jednostavno definirani, promatranje, eksprimentiranje se susreće s poteškoćama, osobito na srednjim i višim razinama. Na slici 4.6 prikazan je prag test tona (u funkciji njegove frekvencije) maskiranog čistim tonom od 1 kHz razine intenziteta 80 dB. Ispitanici su reagirali čim bi čuli neki efekt pored zvuka maske. U tom slučaju, kad se frekvenije maske i test tona približe čujni su treptaji. Na primjer, test ton od 990 Hz razine intenziteta 60 dB s maskom proizvodi treptaje od 10 Hz. Ispitanici u tom slučaju čuju nešto drugo nego kontinuirani maskirajući ton i reagiraju. Treptaji se mogu identificirati još oko 2 kHz i oko 3 kHz.
Drugi je problem u situaciji kad je test ton oko 1400 Hz, razine inetnzitena od 40 dB. Pažljivim ispitivanjem može se ustanoviti da na toj razini ispitanici uz masku ne čuju 1400 Hz nego diferencijalni ton od 600 Hz. Test ton od 1400 Hz s prepoznatljivom tonskom visinom može se čuti tek na razini od 50 dB.
Slika 4.6 Razina test tona maskiranog čistim tonom (1 kHz, 80 dB SPL) u funkciji frekvencije test tona. Crtkanu zonu predstavlja područje treptaja a sivu (točkastu) područje pojave diferencijalnog tona.
Maskiranje čistih tonova kompleksnim tonovima
Čisti tonovi u prirodi su jako rijetki. Najsličniji su čistom tonu zvuk flaute i pijev nekih ptica. Većina glazbenih instrumenata proizvodi uz osnovni ton i niz harmonika. Razlika u boji glazbenih instrumenata proizlazi iz različitih frekvencijskih spektara njihovih harmonika. Za razliku od flaute koja uglavnom proizvodi osnovni ton bez viših harmonika, truba proizvodi širok spektar harmonika pa može i maskirajući jače djelovati.
Slika 4.10 Razina test tona maskiranog kompleksnim tonom 200 Hz s deset harmonika
Razine pojedinih harmonika označene su kao parametar uz krivulje.
Različiti razmaci između maksimuma maskirajućeg efekta pojedinih harmonika proizlaze iz upotrebljene logaritamske frekvencijske skale (apscisa). U skladu s tim manjim razmacima su na višim frekvecijama i "dolovi" plići. U frekvencijskom dijapazonu iznad djelovanja najvišeg harmonika (2 kHz) desni bok krivulje položeniji je za više razine maske. Oktavu, odnosno dvije oktave iznad frekvencije najvišeg harmonika maskirajući prag približava se pragu detekcije u tišini.
Psihoakustičke krivulje ugođenosti (tuning curves)
Maskirajuće djelovanje tona na tonove može se prikazati na različite načine. Imamo četiri varijable: frekvenciju i razinu maske, te frekvenciju i razinu test tona (signala). Najčešće prikazivali smo prag test tona u prisustvu maske zavisnosti od frekvencije test tona. Na slici 4.13 a prikazano je tako maskiranje kao i prag u tišini dobiveno naročitom poluautomatskom metodom – tracking metodom. Taj se prikaz može usporediti s dijagramom na slici 4.6 koji je detaljno opisan prije. Psihoakustičke krivulje ugođenosti slijede obrnutu logiku. Prikazuje se razina maske potrebna da maskira fiksni test ton male razine, u funkciji frekvencije maske. Taj je princip prikazan (također tracking metodom) na slici 4.13 b. Ispitanik određuje intenzitet maske kojoj se frekvencija postepeno povisuje, tako da test ton bude na granici čujnosti. Dakle, namijesti se neka razina test tona koji je bez maske u čujnom području. Zatim se generira maskirajući ton kojem se i frekvencija automatski postepeno povisuje. Istovremeno povisuje se automatski razina intenziteta maske do trenutka kad ispitanik pritiskom na taster "objavi" da više ne čuje test ton. Od trenutka tog pritiska na taster, razina intenziteta maske automatski se polagano smanjuje dok ispitanik ponovnim pritiskom na taster ne objavi da ponovno čuje test ton i tako to traje dok čitav spektar ne bude skaniran takvim načinom.
Slika 4.13 a, b. Primjeri upotrebe "tracking" metode u mjerenju kontinuiranog praga u tišini i uz prisustvo maske (a), i psihoakustičke krivulje ugođenosti (b). Na slici (a) ordinata predstavlja razinu test tona, a na slici (b) razinu maske potrebnu da se maskira test ton fiksne razine označene zvjezdicom.
Funkcija vremena pri maskiranju
Dosada je opisano maskiranje dugotrajnih test i maskirajućih zvukova. U glazbi, a osobito u govoru, protok zvučnih informacija ima vrlo izraženu vremensku strukturu. Glasni zvukovi slijede tihe i obratno. U govoru, vokali su najglasniji zvukovi, a okruženi su relativno tihim konsonantima. Okluzivi su često maskirani okolnim vokalima. //Autori Zwicker i Fastl, ovdje najvjerojatnije misle na čujnost samog šuma eksplozije, a ne na sposobnost identifikacije okluziva jer, poznato je da je u okolnim vokalima dio zvučne informacije koji olakšava identifikaciju. op. Bakran// To maskiranje djelomično je posljedica odjeka prostora a djelomično je uvjetovano svojstvima slušnog sustava.
Slika 4.17 Shematski prikaz vremenskog djelovanja u maskiranju. Obratite pažnju na to da je za maskiranje unaprijed (post-masking, forward masking) drugo ishodište vremenske skale. Ordinata predstavalja razinu osjeta (broj decibela iznad praga u tihim uvjetima)
Da bi se izmjerili vremenski utjecaji u maskiranju, emitira se maska ograničenog trajanja i signali u principu vrlo kratkog trajanja. Zatim se signal koji je zanemarivog trajanja u odnosu na trajanje maske, pomiće bliže i dalje od vremenskih rubova maskirajućeg zvuka. Na slici 4.17 maska traje 200 ms. Razlikuju se tri vremenska razmaka. Maskiranje unazad (backward masking, premasking) događa se u zoni prije početka maskirajućeg zvuka. Tu se primjenjuju negativne vrijednosti vremenskog razmaka. Slijedi područje simultanog maskiranja, a nakon njega područje maskiranja unaprijed, (forward, postmasking). U tom posljednjem vremenskom području maska nije više fizički prisutna a maskirajući efekt još postoji. Maskiranje unaprijed, odnosno, djelovanje maskirajućeg zvuka i nakon njegova kraja može se razumijeti kao postepeno "odumiranje" zvuka (decay), vrijeme potrebno za odmaranje slušnih receptora. Maskiranje unazad s druge strane, ne znači da možemo čuti unaprijed masku koja će smetati. Može se pretpostaviti da je svakom zvuku potrebno neko vrijeme da dopre do svijesti, (built-up time), pa nadalje možemo pretpostaviti da tihom zvuku treba više vremena nego glasnom. Na taj način glasan zvuk koji slijedi tihoga može smetati percepcije tihoga zvuka unatoč tome što je prije počeo. Efekt maskiranja unazad može se primijetiti samo u vrlo kratkom vremenskom razmaku, do 20 ms. S druge strane, maskiranje unaprijed, uz masku koja traje 200 ms, može se identificirati i do 100 ms nakon prestanka maskirajućeg zvuka. Prema tome, u nesimultanom maskranju, dominantno je maskiranje unaprijed.
Trajanje signala kod simultanog maskiranja
Prag sluha u tihim uvjetima kao i maskirajući prag zavise o trajanju test tona. To moramo imati posebno na umu za promatranje nesimultanog maskiranja.
slika 4.18 Razina tek čujnog tona (Lt) u funkciji trajanja, za 3 različite frekvencije (0,2, 1 i 4 kHz) u tihim uvjetima, prikazano točkastim krivuljama, i uz dvije razine jednoliko maskirajućeg šuma (40 u 60 dB). Napomena: Lt je razina kontinuiranog tona iz kojeg su uzeti kraći isječci (tone bursts)
Vidimo da za duže signale od 200 ms, prag je konstantan i u tišini i u uvjetima maskiranja. Za kraće signale, što je signal kraći, prag je viši oko 10 dB po dekadi. Ovakav rezultat obajašnjava se time da slušni mehanizam inetegrira zvučni intenzitet do trajanja 200 ms. Frekvencijska zavisnost praga odnosi se samo na mjerenje u tišini kao što je prikazano i prije na slici 4.2.
Trajanje signala kod nesimultanog maskiranja
Rezultati pokusa s maskiranjem unazad nisu pouzdani, teško se reproduciraju, čak i s uvježbanim ispitanicima. Djelovanje trajanja signala ne može se ispitati jer se ionako eksperimetnira s vrlo kratikim signalima s obzirom na to da se efekt može primijetiti samo u vremenskom razmako do 20 ms. To ujedno znači da je efekt ima relativno malu važnost. // Mogli bismo pretpostaviti da upravo maskiranje unazad djeluje na percepciju šuma eksplozije iza koje slijedi glasan vokalski zvuk. op Bakran//
Maskiranje unaprijed (postmasking, forward masking) djeluje do 200 ms nakon prestanka maske.
Slika 4.22 Razina (peak level) šuma od 20 mikrosekundi, tek čujna u prisustvu šuma trajanja 0,5 s, razine od 40, 60 i 80 dB u zavisnosti od vremena koje je prošlo od prestanka maskirajućeg šuma. Crtkane krivulje predstavljaju ekponencijalni model (koji, kao što se vidi, eksperimentalni podaci ne slijede u potpunosti.
Na slici 4.22 vidi se da djelovanje maske na čujnost kratkog impulsa traje do razmaka od 200 ms, i to neovisno o razini maskirajućeg zvuka. Primijećujemo i to da prvih 5 ms nakon kraja maske, prag detekcije ostaje isti kao i kod simultanog maskiranja. Tek nakon toga prag detekcije počinje se smanjivati.
Maskiranje unaprijed zavisi i od trajanja maske. Što duže maska traje, efekt maskiranja je veći. To vidimo na slici 4.23 s primerom dva trajanja maske, iste razine.
Slika 4.23 Maskiranje unaprijed zavisi o trajanju maskirajućeg zvuka. Razina test tona od 2 kHz i trajanja 5 ms označena je u zavisnosti od vremenskog razmaka nakon prestanka maskirajućeg šuma razine 60 dB i dva trajanja - 5 ms (točkasta linija) i 200 ms (puna linija)