Elemente de psihofizică

 

 

1. Introducere în psihofizică

2. Mărimi de excitare şi mărimi de senzaţie

3. Pragurile în psihofizică

4. Legea Lui Weber

5. Legea Weber-Fechner

6. Legea puterii (Stevens)

7. Codificarea parametrilor excitanţilor

8. Aplicaţie, psihoacustica

 

Introducere în psihofizică

 

Psihofizica, disciplină care se situează la graniţa dintre biofizică şi

psihologie, studiază relaţiile existente între caracteristicile stimulilor şi senzaţiile

produse de aceştia. Procesul de comunicare a omului cu mediul înconjurător

implică patru elemente esenţiale: stimulul, receptorul, senzaţia şi percepţia.

 

Stimulul, formă de energie care aparţine unei sfere exterioare conştiinţei,

constituie un semnal pentru organele de simţ în măsura în care anumite celule

ale acestora sunt sensibile la existenţa sa. Există o mare varietate de stimuli care

pot fi recepţionaţi de organele specializate ale organismului uman (optici,

acustici, chimici, termici etc). Pentru unii stimuli, cum ar fi stimulii electrici, nu

există însă organe specializate.

Receptorii sunt reprezentaţi de către celule specializate, sensibile la

acţiunea stimulilor, integrate uneori în structuri complexe - analizorii - destinate

prelucrării informaţiei recepţionate, în scopul obţinerii de senzaţii şi percepţii.

Din punct de vedere funcţional, receptorii pot fi consideraţi traductori care

transformă energia stimulului în energia bioelectrică ce stă la baza generării

influxului nervos. În acest fel, informaţia primită din mediul înconjurător prin

intermediul stimulilor este tradusă în semnale specifice sistemului nervos, care

sunt transmise pe căile nervoase până la centrii superiori, unde este generată

percepţia finală. O clasificare bazată pe provenienţa stimulilor împarte receptorii

în trei categorii:

- proprioceptorii, care primesc informaţii din propriul nostru corp

(muşchi, tendoane, articulaţii etc.);

- interoceptorii, care furnizează informaţii asupra mediului intern

(presiunea sângelui, concentraţia unor substanţe în sânge etc.), informaţii care în

general nu sunt conştientizate;

- exteroceptorii, care furnizează informaţii asupra mediului extern.

Din categoria exteroceptorilor fac parte organele de simţ. Dintre acestea,

analizorul vizual şi analizorul auditiv formează structuri complexe, care sunt

sisteme senzoriale. Un asemenea sistem senzorial este alcătuit din două părţi

principale:

1) Sistemul periferic care include receptorul senzorial propriu-zis

2) Căile nervoase care prelucrează informaţia şi ariile corticale specializate

care sunt destinatarul informaţiei.

Exemplu

 

Senzaţia, de natură subiectivă, reprezintă o reflectare psihică a unor

caracteristici separate ale stimulilor, caracteristici care acţionează direct asupra

organelor de simţ sau asupra receptorilor. Senzaţia poate conţine informaţii de

ordin calitativ (culoare, tonalitatea unui sunet, timbrul sonor) sau cantitativ

(intensitatea luminoasă, strălucirea, intensitatea unui sunet). Senzaţia nu poate

permite însă cunoaşterea caracteristicilor stimulilor în integralitatea lor.

 

Procesul psihic prin care fenomenele lumii înconjurătoare sunt integrate şi

cunoscute în totalitatea însuşirilor lor este percepţia. Percepţia necesită

intervenţia creierului, a memoriei şi a inteligenţei, care asociază senzaţia unui

stimul şi împreună dau posibilitatea identificării fenomenelor şi a diferenţierii lor

în raport cu alte fenomene.

Senzaţia şi percepţia reprezintă o reflectare a unor fenomene obiective,

fără a fi o reprezentare fidelă a acestora. Senzaţiile produse de aceiaşi stimuli

diferă de la un subiect la celălalt şi chiar la acelaşi subiect, în funcţie de condiţiile

în care acesta se află. Ele pot fi influenţate de o serie de factori cum ar fi:

experienţa anterioară, starea psiho-afectivă, nivelul de cultură, starea fizică

(oboseală, stress, adaptare etc.).

 

 

Mărimi de excitare şi mărimi de senzaţie

 

Deoarece psihofizica se ocupă cu studiul relaţiilor cantitative dintre stimuli

şi senzaţiile pe care aceştia le provoacă, apare problema evaluării acestor două

elemente prin stabilirea unor mărimi, a unor unităţi de măsură şi a unor scări

adecvate. Caracterizarea stimulului este în general mai simplă. Mărimile

corespunzătoare acestuia, numite mărimi de excitare sau de stimulare, sunt

exprimate prin caracteristicile şi unităţile fizice consacrate. Astfel, un sunet poate

fi definit prin nivelul său de presiune acustică, exprimat în dB şi prin frecvenţa sa,

exprimată în Hz. Un semnal luminos poate fi caracterizat prin lungimea sa de

undă, exprimată în metri, un semnal termic prin temperatura măsurată în grade

Celsius etc.

Senzaţia, în schimb, nu este măsurabilă obiectiv şi evaluarea sa este

posibilă numai pe baza descrierii pe care o face subiectul supus stimulării.

Caracterul subiectiv al răspunsului, variaţiile individuale ale senzaţiei produse de

către un acelaşi stimul, au făcut necesară efectuarea unor studii statistice pe

populaţii de oameni tineri şi sănătoşi. Într-un studiu de acest tip, subiectul este

stimulat cu un factor excitant oarecare şi i se cere să descrie senzaţia pe care o

încearcă. Componentele senzaţiei care reflectă diferitele componente ale

stimulului reprezintă mărimile de senzaţie. Deoarece o descriere prin

intermediul unor calificative nu este suficientă pentru a se face o evaluare

cantitativă, trebuie să se construiască scări de senzaţie, în mod analog cu

stabilirea scărilor pentru stimuli. În acustică, un asemenea exemplu este

reprezentat de scara de decibeli, scară de excitaţie şi scara de soni, scară de

senzaţie.

 

O scară de senzaţie ar trebui să aibă următoarele proprietăţi:

- treptelor sale să li se asocieze indici, a căror valoare să fie proporţională

cu senzaţia, respectiv unităţi de senzaţie;

- fiecărei trepte trebuie să-i corespundă o valoare precisă a mărimii de

excitaţie care determină respectiva senzaţie;

- trebuie să se stabilească o unitate de măsură a senzaţiei.

 

Prin urmare, construirea unei scări de senzaţie implică:

- găsirea unei limite inferioare (zero–ul scării) care corespunde unei

amplitudini minime a unui stimul care poate să genereze senzaţia respectivă;

- găsirea unei limite superioare, care corespunde unui stimul care nu

mai poate fi perceput deoarece a depăşit posibilităţile organului de simţ,

provoacă durere sau se produce saturaţie.

 

 

Pragurile în psihofizică

 

Pentru a construi o scară a senzaţiilor s-a folosit metoda pragurilor. Un

prag reprezintă limita dintre două stări: starea pentru care apare răspunsul

aşteptat şi starea pentru care răspunsul nu mai apare.

 

Pragul de detecţie reprezintă intensitatea minimă a unui stimul

(excitant) care poate genera o senzaţie. Un asemenea stimul este numit stimul

liminar. Pragul de detecţie mai este numit prag absolut sau prag inferior.

 

Pragul diferenţial absolut reprezintă cea mai mică diferenţă

perceptibilă (intervalul minim) dintre intensităţile a doi stimuli care sunt

percepuţi ca distincţi. Dacă se notează cu E intensitatea finală a excitantului şi cu

E0 intensitatea iniţială, pragul diferenţial va fi:

 

0EE E -=

 

Se defineşte pragul diferenţial relativ E/E ca fiind raportul dintre

pragul diferenţial absolut E şi valoarea intensităţii excitantului, E. În cazul unui

organ de simţ, pragul diferenţial relativ reprezintă puterea de rezoluţie a

acestuia. Un acelaşi organ de simţ poate detecta stimuli ale căror intensităţi

baleiază intervale de până la 12 ordine de mărime.

 

Intensitatea maximă a unui stimul care poate fi prelucrat de către un organ

de simţ corespunde, în general, pragului dureros.

 

 

Legea lui Weber

 

S-a constatat experimental că puterea de rezoluţie a organului de simţ

este, în general, constantă pe un anumit interval de valori. Pe baza acestei

constatări, Weber (1838) a formulat următoarea lege:

 

E/E = ct.

sau, pentru variaţii infinitesimale:

dE/E = ct.

 

 

Legea Weber-Fechner

 

Pe baza constanţei pragului diferenţial relativ, Fechner a emis ipoteza că

pragul diferenţial E/E corespunde celui mai mic interval de tărie a senzaţiei, S:

S = k E/E

 

Pentru variaţii infinitesimale, relaţia se scrie:

 

dS = k dE/E

 

în care k este o constantă care depinde de sistemul de unităţi şi asigură coerenţa

relaţiei. Prin integrare se obţine:

 

S= k ln E + ct

 

Această ecuaţie reprezintă legea Weber–Fechner, care afirmă că senzaţia

este proporţională cu logaritmul excitantului. Legea Weber-Fechner nu este însă

respectată în orice situaţie, fiind valabilă, de multe ori, numai pentru un interval

restrâns de valori ale intensităţii stimulului.

 

 

Legea puterii (Stevens)

 

Stevens (1953) a formulat, pe baza unor date experimentale, o altă relaţie,

care descrie mai corect o serie de procese psihofizice:

S = k (E-E0)n

 

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

 

 

Codificarea parametrilor excitanţilor

 

În general, tăria senzaţiilor este apreciată prin frecvenţa cu care sosesc

impulsurile pe scoarţa cerebrală. Alte caracteristici pot fi codificate spaţial sau

temporal.

În cazul semnalelor luminoase, intensitatea este codificată prin frecvenţa

cu care sosesc impulsurile nervoase la nivelul scizurii calcarine a scoarţei

cerebrale. Forma şi dimensiunile obiectelor sunt codificate spaţial: pe retină

imaginea se realizează spaţial şi vor fi excitate celulele fotoreceptoare

corespunzătoare. De la acestea impulsurile nervoase vor ajunge pe scoarţă în

locuri diferite. Culoarea se codifică de asemenea spaţial. Cele trei tipuri de celule

cu conuri au o distribuţie spaţială pe retină, trimiţând informaţii în regiuni diferite

ale scoarţei occipitale. Distanţa este codificată prin frecvenţa cu care sosesc

impulsurile de la proprioceptorii muşchilor globilor oculari care, pentru a asigura

suprapunerea imaginilor de la cei doi ochi, realizează o convergenţă a axelor

optice oculare, convergenţă cu atât mai accentuată cu cât obiectele sunt mai

aproape de ochi.

 

În cazul semnalelelor acustice, intensitatea (tăria sonoră) este codificată

prin frecvenţa impulsurilor sosite pe calea nervului auditiv. Frecvenţa este

codificată spaţial: diferitele frecvenţe sunt recepţionate de părţi diferite ale

membranei bazilare, sunt excitate celule ciliate aflate în zonele corespunzătoare

ale membranei bazilare şi acestora le corespund proiecţii în zone diferite ale

scoarţei. Direcţia este codificată temporal, prin defazajul între razele sonore care

ajung la cele două urechi; acest defazaj este amplificat în reţele neuronale

specifice. Prin aceasta sunt localizate sursele sonore.

 

 

Aplicaţie: noţiuni de psihoacustică

 

Caracteristicile stimulului sonor care au un corespondent subiectiv în

percepţia auditivă sunt: intensitatea sunetului, care determină tăria sonoră,

frecvenţa sunetului, care determină înălţimea tonală şi compoziţia în armonice,

care determină timbrul sonor.

 

Tăria sonoră

 

Tăria sonoră reprezintă intensitatea subiectivă a sunetelor. Datele

experimentale arată că senzaţia auditivă de intensitate este aproape în întregime

determinată de nivelul presiunii acustice. Se poate spune că mărimii de excitare

care este presiunea acustică, exprimată prin nivelul său în decibeli, îi corespunde

mărimea de senzaţie numită tărie sonoră.

 

Reţeaua de linii izosonice. Scara fonilor

 

În scopul stabilirii unei scări de senzaţie pentru tăria sonoră s-au făcut o

serie de studii psihoacustice asupra unor populaţii de subiecţi otologic normali. În

1933, Fletcher şi Munson au trasat un ansamblu de curbe, numite curbe de

egală tărie sonoră sau curbe izosonice, care unesc punctele de coordonate:

nivel de presiune acustică (ordonată), în dB, şi frecvenţă (abscisă) în Hz (într-o

scară logaritmică), care, pentru sunetele pure, dau urechii umane o aceeaşi

senzaţie de intensitate. Actualmente, reţeaua de curbe izosonice recomandată de

normele internaţionale este reţeaua de curbe izosonice normalizate, obţinută

de către Robinson şi Dadson (1956) în cazul audiţiei binaurale în câmp liber

(figura). Curba inferioară, notată cu MAF (minimum audible field), obţinută pentru

o populaţie de 51 subiecţi, în aceleaşi condiţii în care s-au trasat celelalte curbe

izosonice, este curba normalizată a pragului absolut de audibilitate în câmp

liber (ISO, 1961). Linia care reprezintă pragul dureros de audibilitate nu este

trasată explicit din cauza variaţiilor individuale mari. Aria acoperită de curbele

izosonice se numeşte aria normală de audibilitate sau câmp auditiv normal.

Se observă pe această reţea că pentru a părea la fel de intens ca un sunet de

1.000 Hz şi 30 dB, un sunet de 125 Hz sau un sunet de 9.000 Hz trebuie să aibă

un nivel de 40 dB. Se spune că aceste trei sunete au un acelaşi nivel de izosonie,

de 30 foni. Fiecare linie izosonică taie axa verticală de abscisă 1.000 Hz într-un

punct în care este trasat un indice, de valoare numeric egală cu numărul de

decibeli corespunzător nivelului, dar exprimată în foni.

 

Fonul este, deci, unitatea care serveşte pentru exprimarea nivelului de

izosonie. Scara fonilor coincide cu scara decibelilor pentru un sunet de 1.000

Hz. Fonul reprezintă un indice de tărie sonoră, făra a fi însă o unitate veritabilă

de senzaţie. Scara de senzaţie prin care se evaluează tăria sonoră este scara

sonilor. Această scară este puţin utilizată.

 

Codificarea senzaţiei de intensitate sonoră

 

În stadiul actual al cunoştinţelor, mecanismul codificării tăriei sonore nu

este pe deplin lămurit. Se pare că acest mecanism este complex şi implică, pe

de-o parte, o etapă de codificare la nivelul fibrelor nervului auditiv şi, pe de altă

parte, o prelucrare ulterioară la nivel cortical unde se asamblează informaţiile

provenite de la totalitatea fibrelor periferice.

La nivelul fibrelor nervului auditiv au fost evidenţiate mai multe fenomene

care sunt implicate în codificarea intensităţii sunetului, cum ar fi:

1) frecvenţa impulsurilor nervoase care se propagă prin fibrele nervului

auditiv;

2) creşterea numărului de fibre excitate ;

3) existenţa neuronilor cu praguri de excitare diferite.

 

Înălţimea tonală a sunetului auzit

 

Pe baza diferitelor definiţii înălţimea tonală a unui sunet este

componenta senzaţiei auditive asociată cu frecvenţa semnalului acustic, aşa cum

tăria sonoră este componenta asociată cu intensitatea acestuia. Această

componentă a senzaţiei auditive este pe deplin aplicabilă doar sunetelor

muzicale. În cazul sunetelor neperiodice şi impulsionale, din care este alcătuit în

general mediul sonor înconjurător, senzaţia de înălţime tonală nu apare foarte

clar, chiar dacă zgomotelor li se atribuie calificativele de grav sau înalt (ascuţit).

 

În cazul sunetelor complexe apare o altă componentă a senzaţiei, strâns

legată de înălţimea tonală, care reflectă compoziţia spectrală a sunetului şi care

este numită timbru.

Divizarea spectrului sonor. Există mai multe moduri de împărţire a spectrului

sonor, bazate fie pe caracteristicile fizice ale semnalului acustic, respectiv

frecvenţa acestuia, fie pe senzaţiile provocate la nivelul sistemului auditiv.

 

O primă divizare elementară, bazată pe frecvenţa semnalului sonor, este

următoarea:

< 150 Hz - grave extreme

150 Hz 400 Hz - grave

400 Hz 1.500 Hz - medii

1.500 Hz 3.500 Hz - înalte

> 3.500 Hz - înalte extreme

Această împărţire nu ţine seama de capacitatea de discriminare în

frecvenţă a urechii umane.

 

Intervale muzicale

 

În muzică, înălţimea tonală este caracterizată prin notele gamelor. Muzica

occidentală utilizează ca scară de înălţime tonală gama cromatică temperată,

bazată pe diviziunea în octave şi a octavei în 12 semitonuri - octava armonică.

Începând cu anul 1953, frecvenţa notei la a octavei a treia (la3) este fixată

la 440 Hz.

Din punct de vedere psihoacustic, această divizare este departe de

posibilităţile de discriminare în frecvenţă ale urechii umane. Astfel, urechea poate

să discearnă 620 trepte de înălţime tonală, în timp ce un pian are la dispoziţie

doar 85 de trepte.

Timbrul şi înălţimea tonală a sunetelor complexe

 

Sunetele mediului înconjurător care pot produce în sistemul auditiv uman o

senzaţie de înălţime tonală sunt, în marea lor majoritate, sunete complexe şi

periodice sau cvasiperiodice. Dintre acestea fac parte vocalele şi sunetele

produse de cea mai mare parte a instrumentelor muzicale. Sunetele complexe

periodice pot fi descrise, pe baza teoremei lui Fourier, ca o sumă de sunete pure

ale căror frecvenţe, numite armonice, sunt multipli întregi ai unei frecvenţe

numită frecvenţă fundamentală. Dacă se notează frecvenţa fundamentală cu ,

unde T este perioada sunetului complex, armonicele vor avea frecvenţele n, cu

n număr întreg. Asemenea sunete complexe sunt numite sunete armonice,

celelalte fiind sunete inarmonice. Ceea ce diferenţiază însă un sunet complex

de un sunet pur de aceeaşi înălţime tonală este o caracteristică a senzaţiei

numită timbru.

Timbrul poate fi definit ca reprezentând acea componentă a senzaţiei

auditive care permite să se diferenţieze două sunete care au aceeaşi înălţime

tonală şi aceeaşi tărie sonoră.

 

Astfel, două note interpretate de două instrumente muzicale diferite, la un

nivel de intensitate identic, vor produce senzaţii diferite; se poate spune că au

sonoritate diferită. Nu numai în cazul instrumentelor muzicale, dar şi în cazul

vocii umane se poate vorbi de timbru sonor, care permite recunoaşterea vocii

unei persoane.

 

Înălţimea tonală a sunetelor complexe

 

Senzaţia de înălţime tonală produsă de un sunet periodic complex este

determinată de frecvenţa fundamentală a acestuia.

Percepţia înălţimii tonale în cazul sunetelor complexe conţine un aspect

paradoxal numit fenomenul “fundamentalei absente”. Acest efect se referă la

capacitatea sistemului auditiv uman de a percepe o aceeaşi înălţime tonală şi

anume cea asociată cu frecvenţa fundamentală, indiferent dacă aceasta este sau

nu prezentă în sunetul periodic complex respectiv.

 

Codificarea înălţimii tonale

 

Mecanismul codificării înălţimii tonale în sistemul auditiv uman nu este

încă pe deplin cunoscut. Cele mai multe date experimentale, atât

neurofiziologice, cât şi psihoacustice, pledează pentru o codificare spaţială,

bazată pe tonotopia sistemului auditiv, la toate nivelele acestuia. Există, totuşi, o

serie de date experimentale care aduc argumente şi în favoarea unei codificări

temporale, cel puţin în domeniul de frecvenţe inferioare celei de 5.000 Hz.