التغطية السمعية

في معالجة الإشارات الصوتية ، يحدث الحجب السمعي عندما يتأثر إدراك صوت ما بوجود صوت آخر. ^{[ 1 ]}

يُعرف الحجب السمعي في مجال التردد بالحجب المتزامن أو الحجب الترددي أو الحجب الطيفي . أما الحجب السمعي في مجال الزمن فيُعرف بالحجب الزمني أو الحجب غير المتزامن .

عتبة الإشارة غير المُقنّعة هي أدنى مستوى للإشارة يُمكن إدراكه دون وجود إشارة مُقنّعة. أما عتبة الإشارة المُقنّعة فهي أدنى مستوى للإشارة يُمكن إدراكه عند اقترانها بضوضاء مُقنّعة مُحددة. ويُحسب مقدار التشويش بالفرق بين عتبتي الإشارة المُقنّعة وغير المُقنّعة.

يقدم جيلفاند مثالًا أساسيًا. ^{[ 1 ]} لنفترض أن شخصًا ما يسمع صوت قطة تخدش عمودًا في بيئة هادئة عند مستوى 10 ديسيبل . مع ذلك، في وجود ضوضاء حجب (مثل مكنسة كهربائية تعمل في الوقت نفسه)، لا يستطيع هذا الشخص سماع صوت خدش القطة إلا إذا كان مستوى صوت الخدش 26 ديسيبل على الأقل. نقول إن عتبة السمع غير المحجوبة لهذا الشخص للصوت المستهدف (أي خدش القطة) هي 10 ديسيبل، بينما عتبة السمع المحجوبة هي 26 ديسيبل. مقدار الحجب هو ببساطة الفرق بين هاتين العتبتين: 16 ديسيبل.

تختلف درجة الحجب تبعًا لخصائص كل من الإشارة المستهدفة والإشارة المُحجبة، كما أنها تختلف من مستمع لآخر. فبينما تمكن الشخص في المثال السابق من سماع صوت خدش القطة عند مستوى صوت 26 ديسيبل، قد لا يتمكن شخص آخر من سماع صوت خدش القطة أثناء تشغيل المكنسة الكهربائية إلا بعد رفع مستوى صوت الخدش إلى 30 ديسيبل (مما يجعل درجة الحجب للمستمع الثاني 20 ديسيبل).

يحدث الحجب المتزامن عندما يُصبح صوتٌ ما غير مسموعٍ بسبب ضوضاء أو صوتٍ غير مرغوب فيه بنفس مدة الصوت الأصلي. ^{[ 2 ]} على سبيل المثال، تميل نبضة قوية بتردد 1  كيلوهرتز إلى حجب نغمة أقل حدة بتردد 1.1  كيلوهرتز. كذلك، يمكن سماع نغمتين جيبيتين بتردد 440 و450  هرتز بوضوح عند فصلهما، لكن لا يمكن سماعهما بوضوح عند سماعهما معًا.

ترددات مماثلة

تعتمد فعالية الحجب في رفع عتبة الإشارة على تردد كل من الإشارة وتردد الحجب. تمثل الرسوم البيانية في الشكل (ب) سلسلة من أنماط الحجب، والمعروفة أيضًا باسم مخططات السمع بالحجب . يوضح كل رسم بياني مقدار الحجب الناتج عند كل تردد من ترددات الحجب الموضحة في الزاوية العلوية، وهي 250 و500 و1000 و2000  هرتز. على سبيل المثال، في الرسم البياني الأول، يُعرض الحجب بتردد 250  هرتز في نفس وقت عرض الإشارة. يُرسم مقدار الزيادة التي يُحدثها الحجب في عتبة الإشارة، وتُكرر هذه العملية لترددات إشارة مختلفة، موضحة على المحور السيني. يُحافظ على ثبات تردد الحجب. يُظهر كل رسم بياني تأثير الحجب عند مستويات صوت مختلفة للحجب.

يوضح الشكل (ب) على المحور الرأسي مقدار الحجب. يكون الحجب في أقصى حالاته عندما يكون تردد الصوت المُحجب وتردد الإشارة متطابقين، ويتناقص هذا الحجب كلما ابتعد تردد الإشارة عن تردد الصوت المُحجب. ^{[ 1 ]} تُسمى هذه الظاهرة بالحجب الترددي، وتحدث لأن الصوت المُحجب والإشارة يقعان ضمن نفس نطاق التردد السمعي (الشكل ج). هذا يعني أن المستمع لا يستطيع التمييز بينهما، ويُدركهما كصوت واحد، حيث يُحجب الصوت الأخف بالصوت الأعلى (الشكل د).

إن مقدار رفع عتبة الإشارة بواسطة جهاز التغطية يكون أقل بكثير في التغطية خارج التردد، ولكنه يكون له بعض التأثير في التغطية لأن بعض جهاز التغطية يتداخل مع المرشح السمعي للإشارة (الشكل E) ^{[ 5 ].}

يتطلب التغطية خارج التردد أن يكون مستوى المُغطّي أعلى لتحقيق تأثير التغطية؛ وهذا موضح في الشكل F. وذلك لأن جزءًا معينًا فقط من المُغطّي يتداخل مع المرشح السمعي للإشارة، ويلزم المزيد من المُغطّي لتغطية الإشارة. ^{[ 5 ]}

الترددات المنخفضة

يتغير نمط الحجب تبعًا لتردد الصوت المُحجب وشدته (الشكل ب). عند المستويات المنخفضة على  الرسم البياني لتردد 1000 هرتز، مثل نطاق 20-40 ديسيبل، يكون المنحنى متوازيًا نسبيًا. ومع ازدياد شدة الصوت المُحجب، يتباعد المنحنيان، خاصةً للإشارات ذات التردد الأعلى من تردد الصوت المُحجب. يُشير هذا إلى انتشار تأثير الحجب تصاعديًا مع ازدياد شدة الصوت المُحجب. يكون المنحنى أقل انحدارًا في الترددات العالية مقارنةً بالترددات المنخفضة. يُسمى هذا التسطح بالانتشار التصاعدي للحجب، وهو ما يُفسر قدرة الصوت المُتداخل على حجب إشارات الترددات العالية بشكل أفضل من إشارات الترددات المنخفضة. ^{[ 1 ]}

يوضح الشكل (ب) أيضًا أنه مع ازدياد تردد الحجب، تصبح أنماط الحجب أكثر انضغاطًا. وهذا يدل على أن أجهزة الحجب عالية التردد فعالة فقط ضمن نطاق ضيق من الترددات، قريب من تردد الحجب. أما أجهزة الحجب منخفضة التردد، فهي فعالة ضمن نطاق واسع من الترددات. ^{[ 1 ]}

أجرى هارفي فليتشر تجربةً لاكتشاف مدى مساهمة نطاق معين من الضوضاء في حجب نغمة معينة. في هذه التجربة، تم تعريض إشارة نغمة ثابتة لنطاقات تردد مختلفة من الضوضاء المتمركزة حولها. وسُجِّل عتبة الحجب لكل نطاق تردد. أظهر بحثه وجود نطاق تردد حرج للضوضاء يُسبب أقصى تأثير للحجب، وأن الطاقة خارج هذا النطاق لا تؤثر على الحجب. يُمكن تفسير ذلك بأن الجهاز السمعي يمتلك مرشحًا سمعيًا متمركزًا حول تردد النغمة. نطاق تردد الضوضاء المحجوبة داخل هذا المرشح السمعي يحجب النغمة بفعالية، بينما لا يكون للضوضاء المحجوبة خارج المرشح أي تأثير (الشكل G).

يُستخدم هذا الأسلوب في ملفات MP3 لتقليل حجم الملفات الصوتية. تُعرض أجزاء الإشارات التي تقع خارج نطاق التردد الحرج بدقة أقل، بينما تُعاد إنتاج أجزاء الإشارات التي يسمعها المستمع بدقة أعلى. ^{[ 6 ]}

تأثيرات الشدة

يمكن أن تؤثر مستويات الشدة المتغيرة أيضًا على التغطية الصوتية. يصبح الطرف السفلي للمرشح أكثر استواءً مع زيادة مستوى الديسيبل، بينما يصبح الطرف العلوي أكثر انحدارًا بشكل طفيف. وتكون تغيرات ميل جانب الترددات العالية للمرشح مع الشدة أقل اتساقًا مما هي عليه عند الترددات المنخفضة. عند الترددات المتوسطة (1-4  كيلوهرتز)، يزداد الميل مع زيادة الشدة، ولكن عند الترددات المنخفضة، لا يوجد ميل واضح مع المستوى، وتُظهر المرشحات عند ترددات مركزية عالية انخفاضًا طفيفًا في الميل مع زيادة المستوى. تعتمد حدة المرشح على مستوى الإدخال وليس مستوى الإخراج. كما يتسع الجانب السفلي للمرشح السمعي مع زيادة المستوى. ^{[ 5 ]} هذه الملاحظات موضحة في الشكل H.

يحدث الحجب الزمني أو الحجب غير المتزامن عندما يُخفي صوتٌ مفاجئ الأصوات الأخرى الموجودة قبله أو بعده مباشرةً. يُسمى الحجب الذي يُخفي صوتًا يسبق الصوت المُحجِب مباشرةً بالحجب الرجعي أو الحجب المسبق، بينما يُسمى الحجب الذي يُخفي صوتًا يلي الصوت المُحجِب مباشرةً بالحجب الأمامي أو الحجب اللاحق . ^{[ 5 ]} يتضاءل تأثير الحجب الزمني بشكلٍ أُسّي من بداية الصوت المُحجِب إلى نهايته، حيث يستمر التضاؤل ​​عند البداية حوالي 20 مللي ثانية، ويستمر التضاؤل ​​عند النهاية حوالي 100 مللي ثانية.

على غرار الحجب المتزامن، يكشف الحجب الزمني عن تحليل التردد الذي يُجريه الجهاز السمعي؛ إذ تُظهر عتبات الحجب الأمامي للنغمات التوافقية المعقدة (مثل نغمة سن المنشار بتردد أساسي 500 هرتز) ذروات عتبة (أي مستويات حجب عالية) لنطاقات التردد المتمركزة حول التوافقيات الأولى. في الواقع، تكون نطاقات التردد السمعي المقاسة من عتبات الحجب الأمامي أضيق وأكثر دقة من تلك المقاسة باستخدام الحجب المتزامن.

لا ينبغي الخلط بين التغطية الزمنية ورد الفعل الصوتي للأذن ، وهو استجابة لا إرادية في الأذن الوسطى يتم تنشيطها لحماية الهياكل الدقيقة للأذن من الأصوات العالية.

لا يقتصر الحجب على الجانب نفسه فقط، بل هناك حالة أخرى تُسمى الحجب المتزامن على الجانب الآخر. في هذه الحالة، قد تكون الإشارة مسموعة في إحدى الأذنين، ولكن يتم حجبها عمدًا بتطبيق حاجب على الأذن الأخرى.

تُسمى الحالة الأخيرة التي يحدث فيها الحجب بالحجب المركزي. ويشير هذا المصطلح إلى الحالة التي يتسبب فيها مُحَوِّل في ارتفاع عتبة السمع. قد يحدث هذا في غياب تأثير آخر أو بالإضافة إليه، ويعود ذلك إلى التفاعلات داخل الجهاز العصبي المركزي بين المدخلات العصبية المنفصلة المُستَقبَلة من المُحَوِّل والإشارة. ^{[ 1 ]}

تم إجراء تجارب لمعرفة تأثيرات الحجب المختلفة عند استخدام جهاز حجب يكون إما على شكل ضوضاء ذات نطاق ضيق أو نغمة جيبية .

عند تقديم إشارة جيبية وصوت حجب جيبي (نغمة) في آنٍ واحد، يتذبذب غلاف المحفز المُركّب بنمط منتظم يُعرف بالنبضات. تحدث هذه التذبذبات بمعدل يُحدده الفرق بين ترددي الصوتين. إذا كان الفرق في التردد صغيرًا، يُدرك الصوت كتغير دوري في شدة نغمة واحدة. أما إذا كانت النبضات سريعة، فيمكن وصف ذلك بأنه إحساس بالخشونة. وعندما يكون هناك تباين كبير في التردد، يُسمع المكونان كنغمتين منفصلتين دون خشونة أو نبضات. قد تكون النبضات مؤشرًا على وجود إشارة حتى عندما لا تكون الإشارة نفسها مسموعة. يمكن تقليل تأثير النبضات باستخدام ضوضاء ضيقة النطاق بدلًا من نغمة جيبية، سواءً للإشارة أو لصوت الحجب. ^{[ 3 ]}

توجد آليات عديدة للتغطية الصوتية، إحداها هي الكبت. يحدث هذا عندما يقلّ استجابة الدماغ لإشارة ما بسبب وجود إشارة أخرى. ويعود ذلك إلى أن النشاط العصبي الأصلي الناتج عن الإشارة الأولى يقلّ بفعل النشاط العصبي للصوت الآخر. ^{[ 7 ]}

النغمات المركبة هي نتاج تفاعل إشارة مع صوت مُخفي. يحدث هذا عندما يتفاعل الصوتان مُنتجين صوتًا جديدًا، قد يكون أكثر وضوحًا من الإشارة الأصلية. ويعود ذلك إلى التشوه غير الخطي الذي يحدث في الأذن. على سبيل المثال، قد تكون النغمة المركبة الناتجة عن صوتين مُخفيين أفضل من كل صوت مُخفي على حدة. ^{[ 5 ]}

تتفاعل الأصوات بطرق عديدة تبعاً لاختلاف التردد بين الصوتين. وأهم نوعين هما نغمات الفرق التكعيبية ونغمات الفرق التربيعية . ^{[ 5 ]}

يتم حساب نغمات الفرق المكعبة عن طريق المجموع.

2F1 – F2 ^{[ 8 ]}

(حيث F1 هو التردد الأول، وF2 هو التردد الثاني) هذه النغمات مسموعة في معظم الأوقات، وخاصة عندما يكون مستوى النغمة الأصلية منخفضًا. ولذلك، فإن تأثيرها على منحنيات الضبط النفسي الصوتي أكبر من تأثير نغمات الفرق التربيعي.

تنتج نغمات الفرق التربيعي عن

F2 – F1

يحدث هذا عند مستويات عالية نسبياً، وبالتالي يكون له تأثير أقل على منحنيات الضبط النفسي الصوتي. ^{[ 5 ]}

يمكن أن تتفاعل النغمات المركبة مع النغمات الأساسية، مما ينتج عنه نغمات مركبة ثانوية، وذلك لأنها تشبه نغماتها الأساسية الأصلية في طبيعتها، أي أنها تشبه المحفزات. ومن الأمثلة على ذلك:

3F1 – 2F2

تتشابه النغمات المركبة الثانوية مرة أخرى مع النغمات المركبة للنغمة الأساسية. ^{[ 5 ]}

الاستماع خارج التردد هو عندما يختار المستمع مرشحًا بتردد أقل بقليل من تردد الإشارة لتحسين أدائه السمعي. يعمل هذا المرشح "خارج التردد" على تقليل مستوى التشويش أكثر من مستوى الإشارة عند مستوى خرج المرشح، مما يعني أن المستمع يستطيع سماع الإشارة بوضوح أكبر، وبالتالي تحسين الأداء السمعي. ^{[ 2 ]}

يُستخدم الحجب السمعي في أجهزة حجب طنين الأذن لكبح الرنين أو الصفير أو الطنين المزعج، والذي غالبًا ما يرتبط بفقدان السمع. كما يُستخدم في أنواع مختلفة من قياس السمع، بما في ذلك قياس السمع بالنغمات النقية ، واختبار السمع القياسي لاختبار كل أذن على حدة، ولاختبار تمييز الكلام في وجود ضوضاء حجب جزئية.

يتم استغلال التغطية السمعية لإجراء ضغط البيانات لإشارات الصوت ( MP3 ).

• تأثير حفلة الكوكتيل
• انقطاع وهمي
• علم النفس الصوتي
• تهيئة الاستجابة

• "إضافة التغطية المتزامنة" بقلم ب. لينكولن من جامعة ستانفورد
• التغطية الصوتية وتشفير الصوت واسع النطاق - محاضرة فيديو للأستاذ إي. أمبيكايراجا