Gevoeligheid van het oor voor faseverhoudingen

entropy

Is het oor gevoelig voor de faseverhoudingen van frequenties die het oor bereiken?

Olof Bosma

entropy schreef: Is het oor gevoelig voor de faseverhoudingen van frequenties die het oor bereiken?

Ja.
Een extreem voorbeeld is een Dirac puls. Zo'n puls is oneindig hoog en kort. Spectraal gezien bestaat zo'n puls uit alle frequenties met gelijke amplitude. De puls treedt op op het moment dat alle frequentiecomponenten gelijktijdig een maximum (met gelijk teken) vertonen. Voor het gehoor klinkt dat als een harde scherpe tik midden in de stilte.
Witte ruis heeft precies hetzelfde frequentiespectrum, alleen is er hier een random faserelatie tussen de frequentiecomponenten. Dit klinkt als een voortdurende ruis.
De geluidservaring is dus volkomen verschillend, terwijl het enige verschil de faserelatie tussen de frequentiecomponenten is.

Benm

Daar wil ik toch wel wat op afdingen, juist omdat het zo'n extreem voorbeeld is. Een dirac puls is in principe oneindig in amplitude, iets dat in de praktijk onmogelijk is.

Maar neem je iets dat in de praktijk wel bestaat dan wordt het lastiger: Stel je neemt een sinus van 1 kHz en een harmonische van 3 kHz op -10 dB daarvan. Dat is gewoon een relatief irritante piep die je prima kunt produceren met een luidsprekertje. Hoor je vervoglens wat de faserelatie tussen de grondtoon en de harmonische is?

Misschien bij een voorbeeld van 1 grondtoon en 1 harmonische wel, met moeite. Bij iets complexers als popmuziek zul je het echter niet horen. Het wordt weleens expres gedaan om een luider klinkend signaal binnen een gegeven piek-amplitude te houden. In het 1+3kHz verhaal zou je het 3 kHz signaal dan zo opschuiven dat de pieken daarvan niet samenvallen met de pieken van 1 kHz.

Olof Bosma

Benm schreef: Daar wil ik toch wel wat op afdingen, juist omdat het zo'n extreem voorbeeld is. Een dirac puls is in principe oneindig in amplitude, iets dat in de praktijk onmogelijk is.

Maar neem je iets dat in de praktijk wel bestaat dan wordt het lastiger: Stel je neemt een sinus van 1 kHz en een harmonische van 3 kHz op -10 dB daarvan. Dat is gewoon een relatief irritante piep die je prima kunt produceren met een luidsprekertje. Hoor je vervoglens wat de faserelatie tussen de grondtoon en de harmonische is?

Wanneer je het spectrum van een Dirac puls en witte ruis beperkt tot bv. het audiospectrum heb je een uiterst praktische situatie en is de puls ook niet oneindig hoog. Het extreme verschil in waarneming blijft (dus puls klinkt dan als een ratel, afhankelijk van de laagste frequentie die nog meekomt). Het ligt ook in de lijn der verwachting dat de grootste effecten zullen optreden bij pulsvormige geluiden. Bij periodieke signalen is het faseverschil zoals in jouw voorbeeld ook bij mijn weten niet hoorbaar.
Toch wordt ook bij filters in audiocircuits gepoogd de groepenlooptijdvervorming (vertragingsverschillen bij verschillende frequenties) laag te houden. Bij spraak en muziek is deze soort vervorming (afhankelijk van de mate) wel waarneembaar, maar daar komen dan ook pulsvormige geluiden in voor.

Benm

Daar zal het inderdaad in zitten. Wellicht hoor je de faseverschuiving wel bij geluiden als een tik op een drumstel of iets dergelijks, maar niet bij continue signalen. De vraag is of je dan nog kan spreke van het horen van een faseverschuiving of dat het puur ligt aan de (onvermijdelijke) verandering in het tijd-domein die daarbij komt kijken.

entropy

Is het ook anatomisch te onderbouwen?

Benm

Dat zal denk ik lastig worden - de werking van het gehoorsysteem als geheel is uiterst complex. Je ziet dat bijvoorbeeld als je kijkt naar hoe we feilloos bepalen waar een geluid vandaan komt, waarvoor zowel de faserelatie tussen de beide oren als de vorm van de oorschelpen essentieel zijn. Een aanzienlijk deel daarvan is 'rekenwerk' voor de hersenen.

Evolutionair is natuurlijk wel te verklaren waarom het belangrijk is dat we geluidsbronnen snel en nauwkeurig kunnen localiseren, maar voor iets artificieels als de faserelatie tussen grondtoon en harmonischen is dat niet zo eenvoudig.

Psychoaukoestiek is toch wel een veld van veel experimenteel onderzoeken. Denk bijvoorbeeld aan compressie algorithmen voor muziek: die worden experimenteel getoetst door een luisterpanel, met strict meten alleen kun je nauwelijks bepalen of een verandering hoorbaar is of niet.

317070

entropy schreef: Is het oor gevoelig voor de faseverhoudingen van frequenties die het oor bereiken?

Dat was een examenvraag op mijn cursus van signaalverwerking 5 jaar geleden. Ik heb achteraf er nog eens met de prof over gediscussieerd, en dit is het antwoord:

Het oor bevat een slakkenhuis, en in dat slakkenhuis staan er organen die resoneren op een beperkt frequentiegebied. Opengerold ziet het eruit als rechts in de afbeelding:
Dus hoe dieper in het oor, hoe smaller het slakkenhuis wordt, en hoe kleiner de frequentie wordt waarop het basilair membraan resoneert.
Op dat basilair membraan zitter er sensoren (haarcellen), die meten met hoeveel vermogen het basilair membraan resoneert. Afhankelijk of een haarcel dus dieper of minder diep in het oor zit, meet die dus de energie die op een bepaalde frequentie zit. Zie hieronder voor een idee hoe breed het frequentiegebied is bij verschillende haarcellen.

F4.large.jpg (144.63 KiB) 4348 keer bekeken
De hoeveelheid vermogen die een haarcel opmeet in zijn frequentiegebied, wordt dan doorgegeven aan de zenuwcellen. Er is geen enkel verband tussen het zenuwsignaal en de fase van het geluid.

Dus, de hamvraag is: kan je oor faseverschillen meten?

Het antwoord is: ja, maar enkel tussen 2 signalen die binnen het frequentiebereik van 1 haarcel zitten. Als 2 signalen 2 verschillende haarcellen aanspreken, dan hebben de hersenen geen idee van de fase, want een haarcel meet geen fase op.

Als 2 signalen een faseverschil hebben die binnen het frequentiebereik van 1 haarcel zitten, dan kunnen onze hersenen wél een faseverschil horen. Maar, dat uit zich dan in de vorm van een 'beat' https://en.wikipedia.org/wiki/Beat_(acoustics) Die ene haarcel ziet namelijk het vermogen binnen zijn frequentiegebied luider en stiller worden met de snelheid van het frequentieverschil. Maar dat is het dan ook.

TL;DR In ons oor is er eenvoudigweg niets aanwezig dat fase kan opmeten. De enige manier om fase op te meten is via 'beats' binnen het frequentiedomein van 1 haarcel.

En die prof doet/deed onderzoek naar psycho-akoestiek en geluidscompressie.

317070

Benm schreef: Daar zal het inderdaad in zitten. Wellicht hoor je de faseverschuiving wel bij geluiden als een tik op een drumstel of iets dergelijks, maar niet bij continue signalen. De vraag is of je dan nog kan spreke van het horen van een faseverschuiving of dat het puur ligt aan de (onvermijdelijke) verandering in het tijd-domein die daarbij komt kijken.

Bij een tik kun je dat horen, omdat die uit heel veel frequenties bestaat (theoretisch allemaal). Dus vallen veel van die verschoven frequenties binnen dezelfde haarcel. Maar moest je de hoge frequenties en de lage frequenties apart wat verschuiven in fase, dan maakt het niets meer uit.

Maar als je zo ver gaat verschuiven dat het tijdsdomein weer gaat meespelen (de zenuwcellen en haarcellen hadden een minimale tijdsresolutie, ~2ms blijkbaar: http://biology.stackexchange.com/questions/27662/what-is-the-human-ears-temporal-resolution) dan verandert het verhaal weer.

Benm

Die tijdsresolutie is nog wel een dingetje natuurlijk. Als je een apparaat hebt dat piepjes van 1 kHz genereert kun je via je gehoor wel bepalen waar dat apparaat zo ongeveer staat. Dat vereist toch een tijdresolutie die kleiner is dan 1 ms tussen beide oren die die stimulus onafhankelijk van elkaar oppikken.

De vraag is dan of je gebruik maakt van de fase of van het verschil in vertraging. Dat is een subtiel verschil, maar als het puur op tijd aan komt zou je de plaats van een continue signaalbron van 1 kHz niet kunnen bepalen.

In de praktijk blijkt dat mensen dat wel kunnen, maar of dat op basis van faseverschuiving ligt blijft discutabel, want ook de vorm van de oorschelp speelt een rol. Dat gaat zelfs zo ver dat mensen met 1 werkend oor ook in enige mate de locatie van een geluid kunnen vaststellen, vergelijkbaar met hoe je met 1 werkend oog in zekere mate kunt vaststellen hoe ver weg een object is. Dat is geen puur fysiologisch effect maar ook een hele partij 'rekenwerk' door de hersenen die er binnen een natuurlijke context best aardig uitkomen.

Olof Bosma

De trilharen hebben een bepaalde bandbreedte. Dat betekent dat er sprake is van inslingeren en uitslingeren (bij een bandbreedte van 0 blijft eeuwig signaal aanwezig). Dat betekent ook dat de amplitude-informatie van de verschillende haarcellen tijdinformatie bevat. En deze tijdinformatie zegt iets over de faserelatie tussen signalen die door verschillende trilharen verwerkt worden (zolang het om niet repeterende signalen gaat).
Dus ook al geven de trilharen zelf geen fase-informatie, uit de gezamenlijke informatie van de trilharen kunnen de hersenen wel faserelaties vaststellen.
Dit is volgens mij de verklaring voor het enorme verschil in het ervaren van een Dirac puls en witte ruis, die spectraal gezien bij weglating van de fase-informatie niet van elkaar te onderscheiden zijn.

Flisk

317070 schreef:Als 2 signalen een faseverschil hebben die binnen het frequentiebereik van 1 haarcel zitten, dan kunnen onze hersenen wél een faseverschil horen. Maar, dat uit zich dan in de vorm van een 'beat' https://en.wikipedia.org/wiki/Beat_(acoustics) Die ene haarcel ziet namelijk het vermogen binnen zijn frequentiegebied luider en stiller worden met de snelheid van het frequentieverschil. Maar dat is het dan ook.

Beats krijg je wanneer er sprake is van een frequentieverschil. Faseverschil heeft hier toch weinig mee te maken of zie ik iets over het hoofd?

Superpositie van twee zuivere sinusgolven, beide gelijke frequentie en amplitude maar met een faseverschil, geeft een sinusgolf met dezelfde frequentie maar met een andere amplitude en fase. De randgevallen zijn tegenfase (amplitude 0) en in fase (amplitude x2).

entropy

Kan het moment waarop een amplitude(combinatie) verandert ook faseinformatie opleveren? (dit is al genoemd)

Flisk

entropy schreef: en dus als gevolg van faseverhoudingen?

Wat bedoel je met "faseverhoudingen"?

Olof Bosma

entropy schreef: Kan het moment waarop een amplitude(combinatie) verandert ook faseinformatie opleveren? (dit is al genoemd)

Dat is wat ik in #11 probeer te vertellen.

Wetenschapsforum

Laatste berichten

Nieuwsberichten

Gevoeligheid van het oor voor faseverhoudingen

Gevoeligheid van het oor voor faseverhoudingen

Re: Gevoeligheid van het oor voor faseverhoudingen

Re: Gevoeligheid van het oor voor faseverhoudingen

Re: Gevoeligheid van het oor voor faseverhoudingen

Re: Gevoeligheid van het oor voor faseverhoudingen

Re: Gevoeligheid van het oor voor faseverhoudingen

Re: Gevoeligheid van het oor voor faseverhoudingen

Re: Gevoeligheid van het oor voor faseverhoudingen

Re: Gevoeligheid van het oor voor faseverhoudingen

Re: Gevoeligheid van het oor voor faseverhoudingen

Re: Gevoeligheid van het oor voor faseverhoudingen

Re: Gevoeligheid van het oor voor faseverhoudingen

Re: Gevoeligheid van het oor voor faseverhoudingen

Re: Gevoeligheid van het oor voor faseverhoudingen

Re: Gevoeligheid van het oor voor faseverhoudingen