Elemente de psihofizica

1. Introducere in psihofizica
2. Marimi de excitare si marimi de senzatie
3. Pragurile in psihofizica
4. Legea Lui Weber
5. Legea Weber-Fechner
6. Legea puterii (Stevens)
7. Codificarea parametrilor excitantilor
8. Aplicatie, psihoacustica

Introducere in psihofizica

Psihofizica, disciplina care se situeaza la granita dintre biofizica si psihologie, studiaza relatiile existente intre caracteristicile stimulilor si senzatiile produse de acestia. Procesul de comunicare a omului cu mediul inconjurator implica patru elemente esentiale: stimulul, receptorul, senzatia si perceptia.

Stimulul, forma de energie care apartine unei sfere exterioare constiintei, constituie un semnal pentru organele de simt in masura in care anumite celule ale acestora sunt sensibile la existenta sa. Exista o mare varietate de stimuli care pot fi receptionati de organele specializate ale organismului uman (optici, acustici, chimici, termici etc). Pentru unii stimuli, cum ar fi stimulii electrici, nu exista insa organe specializate.

Receptorii sunt reprezentati de catre celule specializate, sensibile la actiunea stimulilor, integrate uneori in structuri complexe - analizorii - destinate prelucrarii informatiei receptionate, in scopul obtinerii de senzatii si perceptii. Din punct de vedere functional, receptorii pot fi considerati traductori care transforma energia stimulului in energia bioelectrica ce sta la baza generarii influxului nervos. In acest fel, informatia primita din mediul inconjurator prin intermediul stimulilor este tradusa in semnale specifice sistemului nervos, care sunt transmise pe caile nervoase pana la centrii superiori, unde este generata perceptia finala. O clasificare bazata pe provenienta stimulilor imparte receptorii in trei categorii:

- proprioceptorii, care primesc informatii din propriul nostru corp (muschi, tendoane, articulatii etc.);

- interoceptorii, care furnizeaza informatii asupra mediului intern (presiunea sangelui, concentratia unor substante in sange etc.), informatii care in general nu sunt constientizate;

- exteroceptorii, care furnizeaza informatii asupra mediului extern.

Din categoria exteroceptorilor fac parte organele de simt. Dintre acestea, analizorul vizual si analizorul auditiv formeaza structuri complexe, care sunt sisteme senzoriale. Un asemenea sistem senzorial este alcatuit din doua parti principale:

1) Sistemul periferic care include receptorul senzorial propriu-zis

2) Caile nervoase care prelucreaza informatia si ariile corticale specia­lizate care sunt destinatarul informatiei.

Exemplu

Senzatia, de natura subiectiva, reprezinta o reflectare psihica a unor caracteristici separate ale stimulilor, caracteristici care actioneaza direct asupra organelor de simt sau asupra receptorilor. Senzatia poate contine informatii de ordin calitativ (culoare, tonalitatea unui sunet, timbrul sonor) sau cantitativ (intensitatea luminoasa, stralucirea, intensitatea unui sunet). Senzatia nu poate permite insa cunoasterea caracteristicilor stimulilor in integralitatea lor.

Procesul psihic prin care fenomenele lumii inconjuratoare sunt integrate si cunoscute in totalitatea insusirilor lor este perceptia. Perceptia necesita interventia creierului, a memoriei si a inteligentei, care asociaza senzatia unui stimul si impreuna dau posibilitatea identificarii fenomenelor si a diferentierii lor in raport cu alte fenomene.

Senzatia si perceptia reprezinta o reflectare a unor fenomene obiective, fara a fi o reprezentare fidela a acestora. Senzatiile produse de aceiasi stimuli difera de la un subiect la celalalt si chiar la acelasi subiect, in functie de conditiile in care acesta se afla. Ele pot fi influentate de o serie de factori cum ar fi: experienta anterioara, starea psiho-afectiva, nivelul de cultura, starea fizica (oboseala, stress, adaptare etc.).

Marimi de excitare si marimi de senzatie

Deoarece psihofizica se ocupa cu studiul relatiilor cantitative dintre stimuli si senzatiile pe care acestia le provoaca, apare problema evaluarii acestor doua elemente prin stabilirea unor marimi, a unor unitati de masura si a unor scari adecvate. Caracterizarea stimulului este in general mai simpla. Marimile corespunzatoare acestuia, numite marimi de excitare sau de stimulare, sunt exprimate prin caracteristicile si unitatile fizice consacrate. Astfel, un sunet poate fi definit prin nivelul sau de presiune acustica, exprimat in dB si prin frecventa sa, exprimata in Hz. Un semnal luminos poate fi caracterizat prin lungimea sa de unda, exprimata in metri, un semnal termic prin temperatura masurata in grade Celsius etc.

Senzatia, in schimb, nu este masurabila obiectiv si evaluarea sa este posibila numai pe baza descrierii pe care o face subiectul supus stimularii. Caracterul subiectiv al raspunsului, variatiile individuale ale senzatiei produse de catre un acelasi stimul, au facut necesara efectuarea unor studii statistice pe populatii de oameni tineri si sanatosi. Intr-un studiu de acest tip, subiectul este stimulat cu un factor excitant oarecare si i se cere sa descrie senzatia pe care o incearca. Componentele senzatiei care reflecta diferitele componente ale stimulului reprezinta marimile de senzatie. Deoarece o descriere prin intermediul unor calificative nu este suficienta pentru a se face o evaluare cantitativa, trebuie sa se construiasca scari de senzatie, in mod analog cu stabilirea scarilor pentru stimuli. In acustica, un asemenea exemplu este reprezentat de scara de decibeli, scara de excitatie si scara de soni, scara de senzatie.

O scara de senzatie ar trebui sa aiba urmatoarele proprietati:

- treptelor sale sa li se asocieze indici, a caror valoare sa fie proportionala cu senzatia, respectiv unitati de senzatie;

- fiecarei trepte trebuie sa-i corespunda o valoare precisa a marimii de excitatie care determina respectiva senzatie;

- trebuie sa se stabileasca o unitate de masura a senzatiei.

Prin urmare, construirea unei scari de senzatie implica:

- gasirea unei limite inferioare (zero-ul scarii) care corespunde unei amplitudini minime a unui stimul care poate sa genereze senzatia respectiva;

- gasirea unei limite superioare, care corespunde unui stimul care nu mai poate fi perceput deoarece a depasit posibilitatile organului de simt, provoaca durere sau se produce saturatie.

Pragurile in psihofizica

Pentru a construi o scara a senzatiilor s-a folosit metoda pragurilor. Un prag reprezinta limita dintre doua stari: starea pentru care apare raspunsul asteptat si starea pentru care raspunsul nu mai apare.

Pragul de detectie reprezinta intensitatea minima a unui stimul (excitant) care poate genera o senzatie. Un asemenea stimul este numit stimul liminar. Pragul de detectie mai este numit prag absolut sau prag inferior.

Pragul diferential absolut reprezinta cea mai mica diferenta perceptibila (intervalul minim) dintre intensitatile a doi stimuli care sunt perceputi ca distincti. Daca se noteaza cu E intensitatea finala a excitantului si cu E₀ intensitatea initiala, pragul diferential va fi:

Se defineste pragul diferential relativ DE/E ca fiind raportul dintre pragul diferential absolut DE si valoarea intensitatii excitantului, E. In cazul unui organ de simt, pragul diferential relativ reprezinta puterea de rezolutie a acestuia. Un acelasi organ de simt poate detecta stimuli ale caror intensitati baleiaza intervale de pana la 12 ordine de marime.

Intensitatea maxima a unui stimul care poate fi prelucrat de catre un organ de simt corespunde, in general, pragului dureros.

Legea lui Weber

S-a constatat experimental ca puterea de rezolutie a organului de simt este, in general, constanta pe un anumit interval de valori. Pe baza acestei constatari, Weber (1838) a formulat urmatoarea lege:

DE/E = ct.

sau, pentru variatii infinitesimale:

dE/E = ct.

Legea Weber-Fechner

Pe baza constantei pragului diferential relativ, Fechner a emis ipoteza ca pragul diferential DE/E corespunde celui mai mic interval de tarie a senzatiei, DS:

DS = k DE/E

Pentru variatii infinitesimale, relatia se scrie:

dS = k dE/E

in care k este o constanta care depinde de sistemul de unitati si asigura coerenta relatiei. Prin integrare se obtine:

S= k ln E + ct

Aceasta ecuatie reprezinta legea Weber-Fechner, care afirma ca senzatia este proportionala cu logaritmul excitantului. Legea Weber-Fechner nu este insa respectata in orice situatie, fiind valabila, de multe ori, numai pentru un interval restrans de valori ale intensitatii stimulului.

Legea puterii (Stevens)

Stevens (1953) a formulat, pe baza unor date experimentale, o alta relatie, care descrie mai corect o serie de procese psihofizice:

S = k (E-E₀)ⁿ 

unde n este o constanta care depinde de tipul de receptor (figura).

Codificarea parametrilor excitantilor

In general, taria senzatiilor este apreciata prin frecventa cu care sosesc impulsurile pe scoarta cerebrala. Alte caracteristici pot fi codificate spatial sau temporal.

In cazul semnalelor luminoase, intensitatea este codificata prin frecventa cu care sosesc impulsurile nervoase la nivelul scizurii calcarine a scoartei cerebrale. Forma si dimensiunile obiectelor sunt codificate spatial: pe retina imaginea se realizeaza spatial si vor fi excitate celulele fotoreceptoare corespunzatoare. De la acestea impulsurile nervoase vor ajunge pe scoarta in locuri diferite. Culoarea se codifica de asemenea spatial. Cele trei tipuri de celule cu conuri au o distributie spatiala pe retina, trimitand informatii in regiuni diferite ale scoartei occipitale. Distanta este codificata prin frecventa cu care sosesc impulsurile de la proprioceptorii muschilor globilor oculari care, pentru a asigura suprapunerea imaginilor de la cei doi ochi, realizeaza o convergenta a axelor optice oculare, convergenta cu atat mai accentuata cu cat obiectele sunt mai aproape de ochi.

In cazul semnalelelor acustice, intensitatea (taria sonora) este codificata prin frecventa impulsurilor sosite pe calea nervului auditiv. Frecventa este codificata spatial: diferitele frecvente sunt receptionate de parti diferite ale membranei bazilare, sunt excitate celule ciliate aflate in zonele corespunzatoare ale membranei bazilare si acestora le corespund proiectii in zone diferite ale scoartei. Directia este codificata temporal, prin defazajul intre razele sonore care ajung la cele doua urechi; acest defazaj este amplificat in retele neuronale specifice. Prin aceasta sunt localizate sursele sonore.

Aplicatie: notiuni de psihoacustica

Caracteristicile stimulului sonor care au un corespondent subiectiv in perceptia auditiva sunt: intensitatea sunetului, care determina taria sonora, frecventa sunetului, care determina inaltimea tonala si compozitia in armonice, care determina timbrul sonor.

Taria sonora

Taria sonora reprezinta intensitatea subiectiva a sunetelor. Datele experimentale arata ca senzatia auditiva de intensitate este aproape in intregime determinata de nivelul presiunii acustice. Se poate spune ca marimii de excitare care este presiunea acustica, exprimata prin nivelul sau in decibeli, ii corespunde marimea de senzatie numita tarie sonora.

Reteaua de linii izosonice. Scara fonilor

In scopul stabilirii unei scari de senzatie pentru taria sonora s-au facut o serie de studii psihoacustice asupra unor populatii de subiecti otologic normali. In 1933, Fletcher si Munson au trasat un ansamblu de curbe, numite curbe de egala tarie sonora sau curbe izosonice, care unesc punctele de coordonate: nivel de presiune acustica (ordonata), in dB, si frecventa (abscisa) in Hz (intr-o scara logaritmica), care, pentru sunetele pure, dau urechii umane o aceeasi senzatie de intensitate. Actualmente, reteaua de curbe izosonice recomandata de normele internationale este reteaua de curbe izosonice normalizate, obtinuta de catre Robinson si Dadson (1956) in cazul auditiei binaurale in camp liber (figura). Curba inferioara, notata cu MAF (minimum audible field), obtinuta pentru o populatie de 51 subiecti, in aceleasi conditii in care s-au trasat celelalte curbe izosonice, este curba normalizata a pragului absolut de audibilitate in camp liber (ISO, 1961). Linia care reprezinta pragul dureros de audibilitate nu este trasata explicit din cauza variatiilor individuale mari. Aria acoperita de curbele izosonice se numeste aria normala de audibilitate sau camp auditiv normal. Se observa pe aceasta retea ca pentru a parea la fel de intens ca un sunet de 1.000 Hz si 30 dB, un sunet de 125 Hz sau un sunet de 9.000 Hz trebuie sa aiba un nivel de 40 dB. Se spune ca aceste trei sunete au un acelasi nivel de izosonie, de 30 foni. Fiecare linie izosonica taie axa verticala de abscisa 1.000 Hz intr-un punct in care este trasat un indice, de valoare numeric egala cu numarul de decibeli corespunzator nivelului, dar exprimata in foni.

Fonul este, deci, unitatea care serveste pentru exprimarea nivelului de izosonie. Scara fonilor coincide cu scara decibelilor pentru un sunet de 1.000 Hz. Fonul reprezinta un indice de tarie sonora, fara a fi insa o unitate veritabila de senzatie. Scara de senzatie prin care se evalueaza taria sonora este scara sonilor. Aceasta scara este putin utilizata.

Codificarea senzatiei de intensitate sonora

In stadiul actual al cunostintelor, mecanismul codificarii tariei sonore nu este pe deplin lamurit. Se pare ca acest mecanism este complex si implica, pe de-o parte, o etapa de codificare la nivelul fibrelor nervului auditiv si, pe de alta parte, o prelucrare ulterioara la nivel cortical unde se asambleaza informatiile provenite de la totalitatea fibrelor periferice.

La nivelul fibrelor nervului auditiv au fost evidentiate mai multe fenomene care sunt implicate in codificarea intensitatii sunetului, cum ar fi:

1) frecventa impulsurilor nervoase care se propaga prin fibrele nervului auditiv;

2) cresterea numarului de fibre excitate ;

3) existenta neuronilor cu praguri de excitare diferite.

Inaltimea tonala a sunetului auzit

Pe baza diferitelor definitii inaltimea tonala a unui sunet este componenta senzatiei auditive asociata cu frecventa semnalului acustic, asa cum taria sonora este componenta asociata cu intensitatea acestuia.  Aceasta componenta a senzatiei auditive este pe deplin aplicabila doar sunetelor muzicale. In cazul sunetelor neperiodice si impulsionale, din care este alcatuit in general mediul sonor inconjurator, senzatia de inaltime tonala nu apare foarte clar, chiar daca zgomotelor li se atribuie calificativele de grav sau inalt (ascutit).

In cazul sunetelor complexe apare o alta componenta a senzatiei, strans legata de inaltimea tonala, care reflecta compozitia spectrala a sunetului si care este numita timbru.

Divizarea spectrului sonor. Exista mai multe moduri de impartire a spectrului sonor, bazate fie pe caracteristicile fizice ale semnalului acustic, respectiv frecventa acestuia, fie pe senzatiile provocate la nivelul sistemului auditiv.

O prima divizare elementara, bazata pe frecventa semnalului sonor, este urmatoarea:

< 150 Hz - grave extreme

150 Hz 400 Hz - grave

400 Hz 1.500 Hz - medii

1.500 Hz3.500 Hz - inalte

> 3.500 Hz - inalte extreme

Aceasta impartire nu tine seama de capacitatea de discriminare in frecventa a urechii umane.

Intervale muzicale

In muzica, inaltimea tonala este caracterizata prin notele gamelor. Muzica occidentala utilizeaza ca scara de inaltime tonala gama cromatica temperata, bazata pe diviziunea in octave si a octavei in 12 semitonuri - octava armonica.

Incepand cu anul 1953, frecventa notei la a octavei a treia (la₃) este fixata la 440 Hz.

Din punct de vedere psihoacustic, aceasta divizare este departe de posibilitatile de discriminare in frecventa ale urechii umane. Astfel, urechea poate sa discearna 620 trepte de inaltime tonala, in timp ce un pian are la dispozitie doar 85 de trepte.

Timbrul si inaltimea tonala a sunetelor complexe

Sunetele mediului inconjurator care pot produce in sistemul auditiv uman o senzatie de inaltime tonala sunt, in marea lor majoritate, sunete complexe si periodice sau cvasiperiodice. Dintre acestea fac parte vocalele si sunetele produse de cea mai mare parte a instrumentelor muzicale. Sunetele complexe periodice pot fi descrise, pe baza teoremei lui Fourier, ca o suma de sunete pure ale caror frecvente, numite armonice, sunt multipli intregi ai unei frecvente numita frecventa fundamentala. Daca se noteaza frecventa fundamentala cu n, unde T este perioada sunetului complex, armonicele vor avea frecventele nn, cu n numar intreg. Asemenea sunete complexe sunt numite sunete armonice, celelalte fiind sunete inarmonice. Ceea ce diferentiaza insa un sunet complex de un sunet pur de aceeasi inaltime tonala este o caracteristica a senzatiei numita timbru.

Timbrul poate fi definit ca reprezentand acea componenta a senzatiei auditive care permite sa se diferentieze doua sunete care au aceeasi inaltime tonala si aceeasi tarie sonora.

Astfel, doua note interpretate de doua instrumente muzicale diferite, la un nivel de intensitate identic, vor produce senzatii diferite; se poate spune ca au sonoritate diferita. Nu numai in cazul instrumentelor muzicale, dar si in cazul vocii umane se poate vorbi de timbru sonor, care permite recunoasterea vocii unei persoane.

Inaltimea tonala a sunetelor complexe

Senzatia de inaltime tonala produsa de un sunet periodic complex este determinata de frecventa fundamentala a acestuia.

Perceptia inaltimii tonale in cazul sunetelor complexe contine un aspect paradoxal numit fenomenul "fundamentalei absente". Acest efect se refera la capacitatea sistemului auditiv uman de a percepe o aceeasi inaltime tonala si anume cea asociata cu frecventa fundamentala, indiferent daca aceasta este sau nu prezenta in sunetul periodic complex respectiv.

Codificarea inaltimii tonale

Mecanismul codificarii inaltimii tonale in sistemul auditiv uman nu este inca pe deplin cunoscut. Cele mai multe date experimentale, atat neurofiziologice, cat si psihoacustice, pledeaza pentru o codificare spatiala, bazata pe tonotopia sistemului auditiv, la toate nivelele acestuia. Exista, totusi, o serie de date experimentale care aduc argumente si in favoarea unei codificari temporale, cel putin in domeniul de frecvente inferioare celei de 5.000 Hz.