Кодирование сигналов в нервной системе

Волосковые клетки и нейроны работают в бинарном режиме. С волосковой клеткой контактирует "входной" отросток нейрона - дендрит, оканчивающийся синапсом. Между синапсами и источниками сигнала (в данном случае волосковыми клетками) имеется небольшой промежуток, называемый синаптической щелью. При акустическом воздействии волосковые клетки выделяют в синаптическую щель вещество, называемое медиатором. Плазма нейрона имеет электролитические свойства - ее молекулы разделены на положительно и отрицательно заряженные ионы. Медиатор изменяет разность потенциалов, приложенную к клеточной мембране, и через нее возникает обмен ионами между плазмой нейрона и межклеточной жидкостью. Этот процесс занимает 1-2 мс. Электрохимический процесс распространяется вдоль нейрона и дойдя до выходного отростка - аксона, завершается выделением медиатора в следующую синаптическую щель. Скорость распространения сигнала по аксону 0,1-10 м/с.

Надо отметить, что модели механизмов кодирования сигнала и обработки в центральной нервной системе носят характер достаточно обоснованных, но, все-таки, гипотез: точно известны лишь входной звуковой сигнал, результат обработки и некоторые сведения о видах активности групп нейронов и взаимосвязях отделов нервной системы. "Срисовать" алгоритм работы мозга крайне сложно в силу большого количества, однотипности элементов нейронной сети и затруднительности неразрушающего исследования.

По современным представлениям слух использует два разных алгоритма кодирования сигнала.

1. На частотах до 3-4 кГц кодируется форма сигнала. Нейроны имеют разные пороги срабатывания, поэтому сигнал кодируется номером нейрона с самым высоким порогом и числом сработавших нейронов. Однако частота следования импульсов в отдельно взятом нейроне не может превышать 300-400 Гц, т.к. на выделение медиатора и восстановление электрического равновесия уходит 1-2 мс. Поэтому на средних частотах близкорасположенные нейроны объединяются в группу (до 10 нейронов) и возбуждаются периодами сигнала по очереди (это положение называется теорией залпов). Этот алгоритм требует периодической структуры сигнала на протяжение порядка 10 периодов, что в частотной области означает узкополосный сигнал с шириной полосы около 300-400 Гц. Это обеспечивается функциональной фильтрацией сигнала в улитке. Таким образом, диапазон частот кодируемого сигнала достигает 3-4 кГц.

2. На частотах выше 4 кГц возможности организации последовательной работы нейронов исчерпываются, и кодируется не сам сигнал, а его огибающая. Сигнал нейрона уже не несет информации о частоте, частотная информация извлекается из точки его подключения к коритеву органу. Иными словами, для определения высоты тона используется положение максимума амплитуды бегущей волны на основной мембране.

В пользу изменения алгоритма определения частоты свидетельствует и тот факт, что музыкальный звукоряд простирается только до 4 кГц. Замена кодирования мгновенных значений сигнала на частотах выше 4 кГц кодированием огибающей имеет весьма важные последствия.

1. Разрешающая способность по частоте в диапазоне высоких частот заметно падает.

2. Наиболее важным становится наличие высокочастотного сигнала с определенной огибающей и не столь важно, какая у него частота заполнения (в пределах трети октавы).

3. Если огибающая высокочастотного сигнала является периодическим сигналом звуковой частоты, то ее частота и воспринимается в качестве высоты тона. В спектральной области это означает, что в качестве высоты тона воспринимается не какая-либо физически существующая частота, а период сложного сигнала.

3. Разделимость сигналов нескольких источников заметно падает, если они не содержат спектральных составляющих ниже 4 кГц. Если же низкочастотные составляющие присутствуют, то разделение, вероятно, производится "присоединением" высокочастотного призвука к низкочастотному сигналу со сходным поведением во времени.

Итого: до 4 кГц царство тонального звука (деревянные духовые, фортепиано), а выше - царство нетонального (атаки, щипки струн и т.д.). Использование этого факта при конструировании АС может быть очень продуктивным: СЧ/ВЧ раздел на частоте 4 кГц с хорошим акустомеханическим спадом АЧХ среднечастотного громкоговорителя позволяет получить мягкий тональный звук и не отягощенный интермодуляцией нетональный

ЛЕКЦИЯ 6 (4 ЧАСА). СОБСТВЕННО ВОСПРИЯТИЕ

Восприятие в целом можно разделить на 2 составляющих:

1) восприятие содержания звука;

2) восприятие пространственных характеристик источника звука.

Будем рассматривать их по порядку.

Восприятие содержания

Под восприятием содержания будем понимать восприятие эмоций и информации, закодированных во временной форме сигнала вне зависимости от ее пространственных характеристик. Собственно, эмоции - это тоже информация, но особого рода.

В этой связи перед нервной системой стоит 2 задачи:

1) селекция нужного источника;

2) собственно извлечение информации из формы сигнала.

Условие, при котором сигналы источников можно разделить: два сигнала можно разделить, если один из них нельзя представить как второй, измененный по амплитуде и сдвинутый во времени (причем это касается не отдельных периодов времени, а всего сигнала). В противном случае мы слышим либо эхо, либо один кажущийся источник звука (КИЗ), расположенный между излучателями.

Если указанное условие выполняется (а оно выполняется даже для исполнителей, поющих в унисон), то разделить сигналы Вы можете только в том случае, если в Вашей слуховой памяти есть образцы разделяемых сигналов по отдельности. Эти образцы не обязательно должны быть точными (например, голос конкретного человека), достаточно, чтобы эти образцы описывали то, что присуще сигналам по отдельности, но не присуще их суперпозиции. Образцы слуховых образов, хранящихся в слуховой памяти можно разделить на врожденные и приобретенные.

Наиболее правдоподобная гипотеза того, как конкретно осуществляется разделение источников, состоит в том, что выполняется корреляционное (или какое-либо другое) сравнение поступающей смеси сигналов с имеющимися образцами. Если обнаружен аддитивно существующий в смеси интересующий нас компонент, то формируется соответствующий образ.

Теперь относительно собственно восприятия содержания.

В восприятии музыкального произведения можно выделить три уровня восприятия:

1) восприятие звука (восприятие основных характеристик отдельных фрагментов звуковой волны);

2) восприятие эмоций, заложенных в отдельные музыкальные фразы;

3) восприятие музыкального произведения в целом.

Они не лучше и не хуже друг друга, это звенья одной цепи. Далее рассмотрим только первый, т.к. вторые - вопрос музыкальной культуры и между ними и традиционными научными методами - зияющая пропасть. Основные слышимые характеристики звука - громкость, высота, тембр. Рассмотрим первые две, т.к. относительно третьей пока можно высказать только самые общие соображения.

Восприятие громкости

Человек оценивает не то, на сколько изменилась мощность источника, а во сколько раз она изменилась. Это позволяет иметь больший динамический диапазон и более стабильную относительную погрешность.

Уровни

В связи с логарифмической зависимостью слухового ощущения от возбуждающего стимула характеристики звуковых сигналов также выражают в логарифмической шкале. Но логарифм можно брать только относительно безразмерных положительных величин. Поэтому логарифмируют не сам параметр p, а его отношение к некоторому опорному p ₀ (нулевому в логарифмической шкале):

.

Значение логарифма вещь, конечно, безразмерная, но к ней для удобства принято добавлять наименование: Бел (в честь Александра Белла). Бел - крупная единица, соответствует изменению параметра в 10 раз. Поэтому повсеместно применяется одна десятая Бела - децибел [дБ]. Это соответствует изменению параметра ~1,26 раз и примерно соответствует порогу чувствительности слуха к изменению громкости.

Значения параметров, выраженные в логарифмической шкале (конкретно, в дБ) называются уровнями.

По причине невозможности логарифмирования неположительных величин невозможно вычислять уровень мгновенного значения знакопеременной величины (звукового давления и т.д.). Когда говорят об уровнях, речь идет только об огибающей или мгновенной амплитуде. Это одновременно является и положительным и отрицательным моментом. Плюс состоит в том, что слух фиксирует огибающую как одну из характеристик звука, как текущую громкость. Минус в том, что нет ни однозначного математического описания того, что такое огибающая, ни точного представления о том, как именно определяется текущая громкость слуховым аппаратом. В связи с этим, наряду с указанием значения уровня, указывают и способ определения огибающей (пиковые уровни, квазипиковые уровни, средние уровни).

Для того, чтобы значение уровня не зависело от того, какая из характеристик (линейных или энергетических) является параметром, уровень вычисляют различным образом для линейных и энергетических характеристик:

для энергетических параметров (мощность, энергия, интенсивность, плотность энергии): ;

для линейных параметров (давление, колебательная скорость, напряжение, ток): .

Классификация уровней

По физической природе параметра:

1) акустические;

2) электрические.

По существу опорного уровня:

1) абсолютные (опорный уровень физически обусловлен);

2) относительные.

Физически обусловленные нули акустических уровней:

p _зв0=2*10^-5 Па, I ₀=10^-12Вт/м², e=3*10^-15 Дж/м³. Соотношения эти неточно укладываются в формулы взаимосвязи интенсивности, давления, и плотности мощности (см. Лекцию 3), но тем не менее ограничиваются одной значащей цифрой, поскольку характеризуют они самый тихий звук, который еще может быть воспринят человеком, а эта величина не слишком стабильная и от индивида к индивиду, и в зависимости от характера звука. При нормальных атмосферных условиях акустические уровни по давлению, интенсивности и плотности энергии равны: N_p» N_I» N _e, поэтому обычно не указывают, по какому физическому параметру вычисляется акустический уровень.

Условный нуль абсолютных электрических уровней: 1 мВт@600 Ом. При этом p₀=1 мВт, u₀=0,775 В, I₀=1,29 мА. Уровни мощности, напряжения и тока в одной и той же точке могут различаться в зависимости от сопротивления нагрузки. Поэтому к названию децибела добавляется наименование физической величины, по которой измеряется уровень: дБн, дБт, дБм. дБ/Вт, дБ/мкВ означает уровень относительно Ватта и микровольта соответственно.