Il metodo della scalinata per trovare la soglia percettiva

1. Stimoli e attrezzature

1. Questo esperimento richiederà un computer con software sperimentale di base, nonché un set di cuffie e una sala prove relativamente silenziosa (l'insonorizzazione non è necessaria).
2. Gli stimoli nell'esperimento saranno toni di con frequenze di 1 kHz, 2 kHz, 3 kHz, 4 kHz, 5 kHz e 6 kHz. L'udito umano è il migliore all'interno di questa gamma di frequenze.
3. Nel corso dell'esperimento, il volume dei toni sarà variato in modo adattivo nell'intervallo da 1 a 40 dB, come sarà chiaro nel contesto del disegno sperimentale, al fine di misurare il volume minimo percepibile a ciascuna delle sei frequenze.

2. Progettazione

1. L'esperimento coinvolgerà sei blocchi, uno per ciascuna delle sei frequenze. Questo perché le soglie umane non sono le stesse per tutte le frequenze. In altre parole, la soglia sarà misurata in modo indipendente per ciascuna delle sei frequenze. Il seguente progetto produrrà quindi sei programmi di test.
2. Programmare l'esperimento per presentare una data frequenza durante ogni prova.
   1. In ogni prova, il compito del partecipante sarà quello di riferire se ha sentito o meno il tono presentato. Utilizzare il tasto 'Y' per indicare le risposte 'Sì' e il tasto 'N' per indicare le risposte 'No'.
   2. L'esperimento inizierà sempre con un tono a volume molto basso che il partecipante non dovrebbe percepire. Programmare il primo tono per avere un volume di 2 dB riprodotto per 200 ms.
   3. Ogni volta che viene prodotta una risposta "Sì", il volume nella prova successiva verrà abbassato di un passaggio e ogni volta che viene prodotta una risposta "No", verrà aumentata di un passaggio. È quindi possibile visualizzare il progetto sperimentale come un diagramma di flusso, come mostrato in Figura 1. I toni saranno sempre suonati per una durata di 200 ms ciascuno.
   4. Includi 30 prove nell'esperimento.
   5. Per mantenere il partecipante visivamente coinvolto, visualizza le parole "Sì o No?" sullo schermo dopo aver riprodotto ogni tono.
   6. Genera sei programmi sperimentali come questo, uno per ciascuna delle sei frequenze tra 1 e 6 kHz.
   7. Assicurati che il programma emetta il volume del tono presentato in ogni prova e la risposta fornita dal partecipante.

Figura 1. Un diagramma di flusso per la progettazione di un esperimento utilizzando la procedura della scala uditiva. La prima prova prevede sempre un tono suonato ad un volume non udibile di 2 dB. Poiché il partecipante non dovrebbe rilevare quel tono, verrà data una risposta "No" e il volume nella prova successiva sarà aumentato di 1 dB (a 3 dB). Ogni prova (inclusa e) successiva alla seconda procede con la stessa direttiva: se una risposta "Sì" viene fornita dal partecipante, il volume nella prova successiva viene ridotto di 1 dB. E se viene fornita una risposta "No", il volume nella prova successiva viene aumentato di 1 dB. Un esperimento includerà 30 prove per frequenza.

3. Procedura

1. Si noti che si può facilmente testare se stessi.
2. Prima che il partecipante metta le cuffie, spiega le istruzioni come segue:
   1. "Questo esperimento è progettato per misurare la tua soglia uditiva, il suono più morbido o silenzioso che puoi percepire. In ogni prova, il computer riprodurrà un tono attraverso le cuffie e tutto ciò che devi fare è premere il tasto "Y" se hai sentito il tono o il tasto "N" se non l'hai fatto. Va bene premere il tasto 'N'. Alcuni dei toni saranno molto morbidi e non ci aspettiamo che tu li senta sempre. Rispondi onestamente e fai del tuo meglio. L'esperimento comprende sei blocchi con 30 prove ciascuno. Tutti e sei i blocchi dovrebbero richiedere solo circa 10 minuti, comprese le pause intermedie".
3. Quando il partecipante è pronto, avvia il primo programma, quello per il tono da 1 kHz.
4. È possibile lasciare la stanza mentre il partecipante completa il programma. Chiudere la porta, se possibile, per ridurre al minimo il rumore esterno.
5. Al termine del primo esperimento, chiedi al partecipante se ha domande. Lasciala fare una pausa per 1-2 minuti, rimuovendo le cuffie durante questo periodo.
6. Ora esegui il programma per i toni a 2 kHz.
7. E poi ripeti 3.4-3.6 fino a quando tutti e sei i toni sono stati testati.

4. Analisi dei risultati

1. Per analizzare i risultati, crea una tabella separata per ciascuno dei sei esperimenti.
2. La tabella è l'output grezzo del programma sperimentale. Dovrebbe includere il numero di prova, il volume del tono presentato e la risposta fornita dal partecipante. La Figura 2 mostra come sarà una parte della tabella per le prime 10 prove con un tono di 1 kHz.

Figura 2. Esempio di una tabella che include gli output richiesti da un esperimento di scala uditiva. Si noti che i dati riportati sono per un singolo soggetto (etichettato Soggetto #1) e per una singola frequenza (1000 Hz). La tabella comprende tre colonne: il numero dello studio, il volume del tono presentato in quello studio (in dB) e la risposta data dal partecipante.

3. Verificare che il programma abbia funzionato correttamente, ad esempio chelerisposte "Sì" hanno portato a una diminuzione del volume e che nessuna risposta ha prodotto aumenti di volume.
4. Ora, fai un grafico: l'asse X dovrebbe essere il numero di prova e l'asse Y dovrebbe tracciare il volume del tono presentato in quella prova. La Figura 3 mostra un esempio.

Figura 3. Risultati del campione da un singolo partecipante e con un singolo tono. Il grafico traccia il volume del tono riprodotto, in dB, in funzione del numero di prova per ciascuna delle 30 prove. Il modello principale è che il partecipante non può sentire alcun tono nelle prime prove, producendo una serie di risposte "No" e provocando aumenti di volume fino al raggiungimento della soglia uditiva. A quel punto, il partecipante si muove avanti e indietro tra le risposte "No" e "Sì" consentendo al ricercatore di identificare il luogo in cui i suoni diventano rilevabili per la prima volta.

5. Genera un grafico come questo per ogni tono.
6. Ora media insieme i volumi suonati durante le ultime dieci prove dell'esperimento per ogni tono. Il valore ottenuto è chiamato "soglia di volume".
7. La Figura 4 è un esempio della soglia di volume in funzione del passo.

Lo scopo della procedura della scala è quello di portare il partecipante a un volume al quale riesce a malapena a sentire un tono. Ciò si ottiene spingendo una serie di risposte "No" nei primi studi. Una volta prodotta una risposta "Sì", l'obiettivo è quello di mantenere il volume riprodotto vicino a quello che ha suscitato il primo "Sì". Questo viene fatto abbassando il volume ogni volta che viene data una risposta "Sì". Questo produce un modello in cui il volume aumenta costantemente nelle prime prove, e poi si stabilizza, rimanendo in un intervallo ristretto fino alla fine dell'esperimento, come si vede nella Figura 3. La tendenza centrale di questo intervallo ristretto è una misura della soglia. Nella Figura 3, è chiaro che la soglia è raggiunta a circa 6 dB. Un modo comune per calcolare la soglia è calcolare la media dei volumi riprodotti durante le ultime 10 prove degli esperimenti. Nel caso della Figura 3, tale media è di 6,1 dB.

Con i risultati ottenuti per sei toni di frequenze diverse, si può vedere che le soglie di percettibilità variano in base alla frequenza (ciò che viene spesso chiamato tono). I suoni più acuti sono più difficili da sentire rispetto a quelli più bassi. Per vederlo graficamente, traccia la soglia del volume per ciascuno dei sei toni testati nell'esperimento, proprio come fatto per il tono di 1 kHz, come mostrato nella Figura 4. I dati mostrati sono per un singolo partecipante, di 20 anni. Il modello principale è che i toni a bassa frequenza sono più facili da sentire rispetto ai toni ad alta frequenza. Questo è un fatto dell'udito umano che sorge a causa della struttura del sistema uditivo, a partire dalla natura dei filamenti vibranti e delle ossa all'interno dell'orecchio umano.

Figura 4. Soglia di volume in funzione della frequenza. I dati mostrati sono per un singolo partecipante, di età compresa tra 20 anni. A causa della struttura del sistema uditivo umano, i suoni con frequenze più basse, che sono colloquialmente chiamate più basse o più profonde, sono più facili da sentire rispetto ai suoni ad alta frequenza (acuti). Ci vuole un volume maggiore per rendere udibile un suono ad alta frequenza.

Infatti, con l'invecchiamento delle persone, aumenta la disparità tra suoni a bassa e alta frequenza. La Figura 5 illustra le soglie uditive per il soggetto di 20 anni mostrato nella Figura 4, insieme alle soglie per un soggetto di 40 anni e uno di 60 anni. In generale, le soglie aumentano man mano che le persone invecchiano. Inoltre, i toni a frequenza più elevata diventano considerevolmente più difficili da sentire rispetto ai toni a bassa frequenza.

Figura 5. Soglie di volume in funzione della frequenza e dell'età. In generale, le soglie di volume aumentano con l'età delle persone. Inoltre, cresce la disparità tra suoni a bassa e alta frequenza. Per essere udibile da qualcuno di circa 60 anni, un suono ad alta frequenza deve essere quasi quattro volte più forte di quanto sarebbe stato udibile da qualcuno di 20 anni.

Una delle applicazioni principali della procedura della scala uditiva è quella di valutare la compromissione dell'udito. Oltre al normale invecchiamento, i disturbi dell'udito possono essere causati da danni all'orecchio interno, danni cerebrali e malattie. Spesso, la compromissione dell'udito colpisce particolari frequenze più di altre. Il metodo della scala può essere utilizzato per determinare se qualcuno possiede un udito particolarmente povero all'interno di una gamma di frequenze ristretta, il che suggerirebbe problemi di udito causati da un invecchiamento più del normale. La Figura 6 rappresenta le soglie uditive per un non udente di 60 anni rispetto a un non danneggiato di 60 anni. L'individuo con disabilità soffre di perdita dell'udito a 4 e 5 kHz, come indicato da soglie uditive molto elevate a quelle frequenze. Altrimenti, l'individuo compromesso si comporta in modo simile a un controllo di pari età.

Figura 6. Soglie di volume per un individuo con problemi di udito (60 anni) rispetto a una corrispondenza di età non compromessa. La compromissione dell'udito spesso colpisce solo una parte dello spazio di frequenza. L'individuo con disabilità mostrato qui soffre di compromissione grave - soglie molto elevate - a 4 e 5 kHz, ma appare altrimenti normale rispetto a un controllo di pari età.

Questo approccio può anche essere utilizzato per valutare le conseguenze di vari tipi di esperienze sul sistema uditivo. Ad esempio, gli studi hanno utilizzato un approccio di soglia per valutare gli effetti dell'ascolto di musica heavy metal ad alto volume in un concerto. ¹ Gli scienziati hanno testato le persone poco prima di assistere a un concerto e mezz'ora dopo. Forse non sorprende che l'heavy metal sia aumentato la soglia del volume per i suoni, specialmente nell'intervallo di 6Hz. La musica rock può renderti difficile da sentire!