banda crítica

En audiología y psicoacústica , el concepto de bandas críticas , introducido por Harvey Fletcher en 1933 ^{[ 1 ]} y perfeccionado en 1940 ^{[ 2 ]} , describe el ancho de banda de frecuencia del "filtro auditivo" creado por la cóclea , el órgano sensorial de la audición dentro del oído interno . En términos generales, la banda crítica es la banda de frecuencias de audio dentro de la cual un segundo tono interferirá con la percepción del primer tono por enmascaramiento auditivo .

Desde el punto de vista psicofisiológico , las sensaciones de pulsación y aspereza auditiva pueden vincularse a la incapacidad del mecanismo de análisis de frecuencia auditiva para resolver entradas cuya diferencia de frecuencia es menor que el ancho de banda crítico y al "cosquilleo" irregular resultante ^{[ 3 ]} del sistema mecánico ( membrana basilar ) que resuena en respuesta a dichas entradas. Las bandas críticas también están estrechamente relacionadas con los fenómenos de enmascaramiento auditivo : la reducción de la audibilidad de una señal de sonido cuando está en presencia de una segunda señal de mayor intensidad dentro de la misma banda crítica. Los fenómenos de enmascaramiento tienen amplias implicaciones, que van desde una relación compleja entre sonoridad (marco de referencia perceptivo) e intensidad (marco de referencia físico) hasta algoritmos de compresión de sonido .

Los filtros se utilizan en muchos aspectos de la audiología y la psicoacústica , incluido el sistema auditivo periférico. Un filtro es un dispositivo que amplifica ciertas frecuencias y atenúa otras. En particular, un filtro de paso de banda permite el paso de un rango de frecuencias dentro del ancho de banda, bloqueando aquellas que se encuentran fuera de las frecuencias de corte. ^{[ 4 ]}

La forma y organización de la membrana basilar implica que diferentes frecuencias resuenan con especial intensidad en distintos puntos a lo largo de la membrana. Esto da lugar a una organización tonotópica de la sensibilidad a los rangos de frecuencia a lo largo de la membrana, que puede modelarse como una matriz de filtros de paso de banda superpuestos conocidos como «filtros auditivos». ^{[ 5 ]} Los filtros auditivos están asociados a puntos a lo largo de la membrana basilar y determinan la selectividad de frecuencia de la cóclea y, por lo tanto, la discriminación del oyente entre diferentes sonidos. ^{[ 4 ] [ 6 ]} Son no lineales y dependientes del nivel, y el ancho de banda disminuye desde la base hasta el ápice de la cóclea a medida que la sintonización en la membrana basilar cambia de alta a baja frecuencia. ^{[ 4 ] [ 6 ] [ 7 ]} El ancho de banda del filtro auditivo se denomina ancho de banda crítico, como propuso por primera vez Fletcher (1940) . Si una señal y un enmascarador se presentan simultáneamente, solo las frecuencias del enmascarador que se encuentran dentro del ancho de banda crítico contribuyen al enmascaramiento de la señal. Cuanto mayor sea el ancho de banda crítico, menor será la relación señal-ruido (SNR) y mayor será el enmascaramiento de la señal.

Otro concepto asociado al filtro auditivo es el ancho de banda rectangular equivalente (ERB). El ERB muestra la relación entre el filtro auditivo, la frecuencia y el ancho de banda crítico. Un ERB transmite la misma cantidad de energía que el filtro auditivo al que corresponde y muestra cómo cambia con la frecuencia de entrada. ^{[ 4 ] [ 6 ]} Según Glasberg y Moore (1990) , el ERB se aproxima bien a bajos niveles de sonido mediante la siguiente ecuación: ^{[ 8 ]}

${\displaystyle {\begin{aligned}\operatorname {\mathsf {ERB}} (\ f\ )&=24.7\ {\mathsf {Hz}}\ \cdot \left({\frac {4.37\cdot f}{\ 1000\ {\mathsf {Hz}}\ }}+1\right)\\&={\frac {f}{\ 9.2645\ }}+24.7\ {\mathsf {Hz}}\ ,\end{aligned}}}$

donde ERB está en Hertz , f es la frecuencia central, también en Hertz (Hz), y f está entre 100 y 10 000 Hz . ^{[ 8 ]}

Se cree que cada ERB equivale a aproximadamente 0,9  mm en la membrana basilar. ^{[ 6 ] [ 7 ]} El ERB se puede convertir en una escala que se relaciona con la frecuencia y muestra la posición del filtro auditivo a lo largo de la membrana basilar.

Por ejemplo, ERB = 3,36 Hz corresponde a una frecuencia en el extremo apical de la membrana basilar, mientras que ERB = 38,9 Hz corresponde a la base, y un valor de 19,5  Hz se sitúa a medio camino entre ambos. ^{[ 6 ]}

Un tipo de filtro utilizado para modelar los filtros auditivos es el filtro gammatone . Es un filtro lineal simple y, por lo tanto, fácil de implementar, pero por sí solo no puede explicar los aspectos no lineales del sistema auditivo; sin embargo, se utiliza en diversos modelos del sistema auditivo . Las variaciones y mejoras del modelo gammatone de filtrado auditivo incluyen el filtro "gammachirp", los filtros gammatone de "todos polos y uno-cero", el filtro gammatone de "dos lados", los modelos de cascada de filtros y diversas versiones de estos que dependen del nivel y son dinámicamente no lineales. ^{[ 9 ]}

Las formas de los filtros auditivos se encuentran mediante el análisis de la sintonización psicoacústica, que son gráficos que muestran el umbral de detección de un tono de un sujeto en función de los parámetros del enmascarador. ^{[ 8 ]}

Las curvas de sintonización psicoacústica se pueden medir utilizando el método de ruido con muesca. Esta forma de medición puede llevar una cantidad considerable de tiempo y puede tomar alrededor de 30 minutos para encontrar cada umbral enmascarado . ^{[ 10 ]} En el método de ruido con muesca, al sujeto se le presenta un ruido con muesca como enmascarador y una sinusoide ( tono puro ) como señal. El ruido con muesca se utiliza como enmascarador para evitar que el sujeto escuche pulsaciones que ocurren si se utiliza un enmascarador sinusoidal. ^{[ 7 ]} El ruido con muesca es un ruido con una muesca alrededor de la frecuencia de la señal que el sujeto está tratando de detectar, y contiene ruido dentro de un cierto ancho de banda. El ancho de banda del ruido cambia y se miden los umbrales enmascarados para la sinusoide. Los umbrales enmascarados se calculan a través del enmascaramiento simultáneo cuando la señal se reproduce al sujeto al mismo tiempo que el enmascarador y no después.

Para obtener una representación fiel de los filtros auditivos en un sujeto, es necesario calcular muchas curvas de sintonización psicoacústica con la señal en diferentes frecuencias. Para cada curva de sintonización psicoacústica que se mida, se deben calcular al menos cinco, pero preferiblemente entre trece y quince umbrales, con diferentes anchos de muesca. ^{[ 10 ]} También es necesario calcular un gran número de umbrales porque los filtros auditivos son asimétricos, por lo que los umbrales también deben medirse con la muesca asimétrica a la frecuencia de la señal. ^{[ 8 ]} Debido a las numerosas mediciones necesarias, el tiempo requerido para encontrar la forma de los filtros auditivos de una persona es muy prolongado. Para reducir el tiempo necesario, se puede utilizar el método ascendente al encontrar los umbrales enmascarados. Si se utiliza el método ascendente para calcular el umbral, el tiempo necesario para calcular la forma del filtro se reduce drásticamente, ya que se tarda alrededor de dos minutos en calcular el umbral. ^{[ 10 ]} Esto se debe a que el umbral se registra cuando el sujeto escucha el tono por primera vez, en lugar de cuando responde a un cierto nivel de estímulo un cierto porcentaje del tiempo.

El oído humano se compone de tres áreas: el oído externo, el oído medio y el oído interno. Dentro del oído interno se encuentra la cóclea . La cóclea es una formación en forma de caracol que permite la transmisión del sonido a través de una vía sensorial, en lugar de una vía conductiva. ^{[ 11 ]} La cóclea es una estructura compleja, que consta de tres capas de líquido. La rampa vestibular y la rampa media están separadas por la membrana de Reissner, mientras que la rampa media y la rampa timpánica están divididas por la membrana basilar. ^{[ 11 ]} El siguiente diagrama ilustra la compleja disposición de los compartimentos y sus divisiones: ^{[ 4 ]}

La membrana basilar se ensancha a medida que avanza desde la base hasta el ápice. Por lo tanto, la base (la parte más delgada) tiene mayor rigidez que el ápice. ^{[ 4 ]} Esto significa que la amplitud de una onda sonora que viaja a través de la membrana basilar varía a medida que viaja a través de la cóclea. ^{[ 11 ]} Cuando una vibración se transmite a través de la cóclea, el líquido dentro de los tres compartimentos hace que la membrana basilar responda de manera ondulatoria. Esta onda se denomina "onda viajera"; este término significa que la membrana basilar no simplemente vibra como una unidad desde la base hacia el ápice.

Cuando se presenta un sonido al oído humano, el tiempo que tarda la onda en viajar a través de la cóclea es de tan solo 5 milisegundos. ^{[ 11 ]}

Cuando las ondas viajeras de baja frecuencia atraviesan la cóclea, la amplitud de la onda aumenta gradualmente y luego disminuye casi de inmediato. La ubicación de la vibración en la cóclea depende de la frecuencia de los estímulos presentados. Por ejemplo, las frecuencias más bajas estimulan principalmente el ápice, en comparación con las frecuencias más altas, que estimulan la base de la cóclea. Esta característica de la fisiología de la membrana basilar se puede ilustrar en forma de un mapa de lugar-frecuencia: ^{[ 12 ]}

La membrana basilar sostiene el órgano de Corti , que se encuentra dentro de la rampa media. ^{[ 4 ]} El órgano de Corti está compuesto por células ciliadas externas e internas. Hay aproximadamente entre 15 000 y 16 000 de estas células ciliadas en un oído. ^{[ 11 ]} Las células ciliadas externas tienen estereocilios que se proyectan hacia la membrana tectorial , que se encuentra sobre el órgano de Corti. Los estereocilios responden al movimiento de la membrana tectorial cuando un sonido provoca vibración a través de la cóclea. Cuando esto ocurre, los estereocilios se separan y se forma un canal que permite que se produzcan procesos químicos. Finalmente, la señal llega al nervio auditivo, donde se procesa en el cerebro. ^{[ 11 ]}

Los filtros auditivos están estrechamente relacionados con el enmascaramiento, tanto por su forma de medición como por su funcionamiento en el sistema auditivo. Como se describió anteriormente, el ancho de banda crítico del filtro aumenta con la frecuencia, y, a su vez, el filtro se vuelve más asimétrico con el aumento del nivel.

Se cree que estas dos propiedades del filtro auditivo contribuyen a la propagación ascendente del enmascaramiento; es decir, las bajas frecuencias enmascaran mejor las altas que a la inversa. Dado que al aumentar el nivel la pendiente de las bajas frecuencias se vuelve menos pronunciada, al incrementar su amplitud, las bajas frecuencias enmascaran más las altas que con un nivel de entrada menor.

El filtro auditivo puede reducir los efectos de una señal enmascaradora al escuchar una señal con ruido de fondo mediante la escucha fuera de frecuencia. Esto es posible cuando la frecuencia central de la señal enmascaradora es diferente de la de la señal. En la mayoría de los casos, el oyente opta por escuchar a través del filtro auditivo centrado en la señal; sin embargo, si hay una señal enmascaradora presente, esto puede no ser apropiado. El filtro auditivo centrado en la señal también puede contener una gran cantidad de señal enmascaradora, lo que provoca una baja relación señal-ruido (SNR) del filtro y disminuye la capacidad del oyente para detectar la señal. Sin embargo, si el oyente escucha a través de un filtro ligeramente diferente que aún contiene una cantidad sustancial de señal pero menos señal enmascaradora, la SNR aumenta, lo que le permite detectar la señal. ^{[ 4 ]}

El primer diagrama muestra el filtro auditivo centrado en la señal y cómo parte del enmascarador queda dentro de dicho filtro. Esto resulta en una baja relación señal-ruido (SNR). El segundo diagrama muestra el siguiente filtro a lo largo de la membrana basilar, que no está centrado en la señal, pero contiene una cantidad sustancial de esta y menos enmascarador. Esto reduce el efecto del enmascarador al aumentar la SNR.

Lo anterior se aplica al modelo de espectro de potencia del enmascaramiento. En general, este modelo se basa en que el sistema auditivo contiene una serie de filtros auditivos y selecciona el filtro con la señal en su centro o con la mejor relación señal-ruido (SNR). Solo el enmascarador que cae dentro del filtro auditivo contribuye al enmascaramiento, y el umbral de audición de la persona está determinado por dicho enmascarador. ^{[ 6 ]}

En un oído «normal», el filtro auditivo tiene una forma similar a la que se muestra a continuación. Este gráfico refleja la selectividad de frecuencia y la sintonización de la membrana basilar.

La afinación de la membrana basilar se debe a su estructura mecánica. En su base, la membrana es estrecha y rígida, y responde mejor a las altas frecuencias. En cambio, en su ápice es ancha y flexible, y responde mejor a las bajas frecuencias. Por lo tanto, diferentes secciones de la membrana basilar vibran según la frecuencia del sonido y ofrecen una respuesta máxima a esa frecuencia en particular.

Sin embargo, en un oído con discapacidad, el filtro auditivo tiene una forma diferente en comparación con la de un oído "normal". ^{[ 14 ]}

El filtro auditivo de un oído dañado es más plano y ancho en comparación con un oído normal. Esto se debe a que la selectividad de frecuencia y la sintonización de la membrana basilar se reducen a medida que se dañan las células ciliadas externas. Cuando solo se dañan las células ciliadas externas, el filtro se ensancha en el lado de las bajas frecuencias. Cuando se dañan tanto las células ciliadas externas como las internas, el filtro se ensancha en ambos lados. Esto es menos común. El ensanchamiento del filtro auditivo se produce principalmente en el lado de las bajas frecuencias. Esto aumenta la susceptibilidad al enmascaramiento de bajas frecuencias, es decir, la propagación ascendente del enmascaramiento, como se describió anteriormente. ^{[ 6 ]}

• Volumen
• Psicoacústica , efectos de enmascaramiento
• Enmascaramiento auditivo
• Consonancia y disonancia
• Ancho de banda rectangular equivalente , escala de Bark , escala de Mel

• Vassilakis, PN y Fitz, K. (2007) Archivado el 18 de noviembre de 2019 en Wayback Machine . SRA: Una herramienta de investigación basada en la web para el análisis espectral y de rugosidad de señales de sonido. Financiado por una subvención del Northwest Academic Computing Consortium a J. Middleton, Eastern Washington University.