La méthode de l'escalier pour trouver un seuil de perception

The Staircase Procedure for Finding a Perceptual Threshold

JoVE Science Education
Sensation and Perception

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JoVE Science Education Sensation and Perception

The Staircase Procedure for Finding a Perceptual Threshold

6.3: Perspectives on Sensation and Perception

6.15: Object Substitution Masking

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06:48 min

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April 30, 2023

Overview

Source : Laboratoire de Jonathan Flombaum, Johns Hopkins University

Psychophysique est le nom d’un ensemble de méthodes en psychologie perceptuelle conçu pour concernent l’intensité réelle de stimuli à l’intensité de leur perception. Un aspect important de la psychophysique consiste à mesurer le seuils de perception : Comment lumineux une lumière doit-il être pour une personne d’être en mesure de le détecter ? Combien peu de la pression appliquée sur la peau est détectable ? Comment doux peut un son être et toujours être entendu ? Autrement dit, quels sont les plus infimes quantités de stimulation qui peuvent détecter les humains ? La procédure de l’escalier est une technique efficace pour identifier le seuil de perception de la personne.

Cette vidéo fera la démonstration des méthodes standard pour l’application de la procédure de l’escalier afin d’identifier le seuil d’audition de la personne, autrement dit, le volume minimal nécessaire pour un ton d’être perçu.

Procedure

1. les stimuli et équipement

Cette expérience nécessite un ordinateur avec le logiciel expérimental de base ainsi qu’un jeu d’écouteurs et une salle d’examen relativement calme (insonorisation n’est pas nécessaire).
Les stimuli dans l’expérience sera tons avec fréquence de 1 kHz, 2 kHz, 3 kHz, 4 kHz, 5kHz et 6 kHz. L’oreille humaine est le meilleur dans cette gamme de fréquences.
Au cours de l’expérience, le volume des tonalités variera adaptative de l’ordre de 1 à 40 dB, comme sera claire dans le contexte du plan expérimental, afin de mesurer le volume minimal perceptible dans chacune des six fréquences.

2. conception

L’expérience consistera à six blocs, un pour chacun des six fréquences. C’est parce que les seuils de l’humains ne sont pas les mêmes pour toutes les fréquences. En d’autres termes, le seuil sera mesuré indépendamment pour chacun des six fréquences. La conception suivante produira donc six programmes de tests.
Programme de l’expérience à présenter une fréquence donnée au cours de chaque essai.
1. Dans chaque essai, tâche du participant sera au rapport si oui ou non elle a entendu le ton présenté. Utilisez la touche « Y » pour indiquer les réponses « Oui » et la touche de « n » pour n’indiquer les réponses « ».
2. L’expérience commencera toujours par un très faible volume tonalité-que le participant ne doit pas percevoir. Programme de la première tonalité d’avoir un volume de 2 dB a joué pendant 200 ms.
3. Chaque fois qu’une réponse « Oui » est produite, le volume à l’essai suivant sera abaissé par une seule étape, et chaque fois qu’une réponse « Non » est produite, il passera par une seule étape. Il est donc possible de visualiser la conception expérimentale comme un organigramme, tel qu’illustré à la Figure 1. Tons se jouera toujours pour une durée de 200 ms chacune.
4. Comprend 30 essais dans l’expérience.
5. Pour garder le participant engagé visuellement, affichent les mots « oui ou non ? » sur l’écran après que chaque tonalité est jouée.
6. Générer des six programmes expérimentaux comme ça, un pour chacun des six fréquences entre 1 et 6 kHz.
7. Veillez à ce que le programme génère le volume de la tonalité présenté sur chaque essai et la réponse du participant fourni.

Figure 1. Un organigramme pour la conception d’une expérience en utilisant la procédure escalier auditif. Le premier procès toujours implique une tonalité jouée à un volume inaudible de 2 dB. Le participant doit ne pas détecter que le ton, donnera une réponse « Non », et le volume dans le prochain procès vont être augmenté de 1 dB (à-3 dB). Toutes les épreuves (y compris et) suivant le deuxième produit avec la même directive : si une réponse « Oui » est fournie par le participant, on réduit le volume dans le prochain procès de 1 dB. Et si une réponse « Non » est fournie, le volume dans le prochain procès est augmenté de 1 dB. Une expérience comprendra 30 essais par fréquence.

3. mode opératoire

Notez qu’on peut facilement tester lui-même.
Avant que le participant met le casque, expliquer les instructions comme suit :
1. « Cette expérience est conçue pour mesurer votre seuil d’audition, le son plus doux ou plus calme, vous pouvez percevoir. Dans chaque essai, l’ordinateur va jouer un son dans le casque, et tout ce que vous devez faire est touche le « Y » si vous avez entendu le ton, ou sur la touche « n » Si vous n’avez pas. C’est OK d’appuyer sur la touche « n ». Certains des tons seront très doux, et nous n’attendons pas vous toujours de les entendre. Il vous suffit de répondre honnêtement et de faire de votre mieux. L’expérience comprend six blocs avec 30 essais chacun. Tous les six blocs devraient prendre seulement environ 10 minutes, y compris les pauses entre les deux. »
Lorsque le participant est prêt, lancez le programme premier, celui de la tonalité de 1 kHz.
Vous pouvez quitter la salle alors que le participant remplit le programme. Fermer la porte si possible pour minimiser les bruits extérieurs.
Après que la première expérience est terminée, demander au participant si elle a des questions. Faites-lui faire une pause pendant 1-2 min, enlever les écouteurs pendant cette période.
Maintenant, exécutez le programme pour les tons de 2 kHz.
Et puis répétez 3,4-3,6 jusqu’à ce que tous les six tonalités ont été testées.

4. analyse des résultats

Pour analyser les résultats, créer une table distincte pour chacun des six expériences.
La table est la sortie brute du programme expérimental. Il devrait inclure le nombre de procès et le volume de la tonalité a présenté la réponse du participant fourni. Figure 2 illustre ce que ressemblera une partie du tableau pour les 10 premiers essais avec une tonalité de 1 kHz.

Figure 2. Un échantillon d’une table qui comprend les extrants nécessaires à une expérience auditive escalier. Notez que les données déclarées sont pour un seul sujet (étiqueté sujet #1) et pour une seule fréquence (1000 Hz). Le tableau comprend trois colonnes : le nombre de procès, le volume de la tonalité présenté sur cet essai (en dB) et la réponse donnée par le participant.

Assurez-vous que votre programme a fonctionné correctement-c’est-à-direque les réponses « Oui » a conduit à une diminution du volume, et que pas de réponses produites augmente de volume.
Maintenant, faire un graphique : l’axe des abscisses devrait être le nombre de procès et de l’axe des ordonnées devraient planifier le volume de la tonalité présentée sur ce procès. La figure 3 montre un exemple.

Figure 3. Exemple de résultats d’un seul participant, ainsi qu’avec un seul signal. Le graphique trace le volume de la tonalité a joué, en dB, en fonction du nombre du procès pour chacun des 30 essais. Le motif principal est que le participant ne peut pas entendre une tonalité dans les quelques premiers essais, produisant une série de « Non » réponses et provoquant une augmentation du volume jusqu’à atteindre le seuil d’audition. À ce moment-là, le participant se déplace en arrière entre le « Non » et « Oui » réponses qui permet au chercheur de déterminer l’endroit où les sons premier deviennent détectables.

Générer un graphique comme ça pour chaque tonalité.
Les volumes joué maintenant moyen ensemble durant les dix dernières épreuves de l’expérience pour chaque tonalité. La valeur obtenue est appelée le « seuil de volume ».
La figure 4 est un exemple du seuil de volume en fonction de la hauteur.

Une branche de la psychologie perceptuelle — psychophysique — se préoccupe concernant un stimulus au véritable par rapport à son intensité perçue.

Tout comme les niveaux réels, perceptuels ceux peuvent être mesurées : Comment lumineux une lumière doit être pour qu’il puisse être observé, ou combien douce un son peut être pour qu’il puisse être entendu.

Par exemple, quelqu’un qui attend pour le dîner servi ne peut pas entendre qu’il est prêt, s’ils sont à la base de l’escalier ; ils doivent gravir quelques marches avant d’entendre quoi que ce soit et peut-être même un peu plus pour interpréter les sons.

Cet ajustement dynamique est le concept qui sous-tend la procédure de l’escalier, où le minimum remarqué intensité peut être déterminée de manière fiable en marchant vers le haut ou vers le bas de la quantité de stimulation.

Cette vidéo montre comment concevoir et mettre en œuvre la procédure de l’escalier, spécifiquement pour mesurer les seuils auditifs — le volume minimal nécessaire pour un ton d’être perçu.

Dans cette expérience, les tons sont présentés avec des écouteurs à six différentes fréquences ou emplacements : 1 à 6 kHz — tous dans le secteur de l’audition humaine.

Étant donné que nos seuils ne sont pas les mêmes partout toutes les fréquences, six blocs sont utilisés pour tester chacun d’eux séparément. Dans chaque bloc, la fréquence est présentée brièvement pendant 200 ms avec des volumes allant de 2 à 40 dB.

Le premier ton est joué le volume le plus bas de 2 dB, un niveau que le participant ne doit pas percevoir. Si c’est le cas, le volume sur le prochain procès est augmenté par une étape, 1 dB.

En revanche, si il est à noter, le volume est diminué d’un. Cette procédure est répétée pour 30 essais — entraînant des changements de type escalier en volume.

La variable dépendante est les réponses des participants — qu’ils ont entendu le ton ou non. Cette information est ensuite combinée avec les données d’intensité de volume pour déterminer un seuil de volume perceptif à chaque fréquence.

Pour commencer l’expérience, saluer le participant dans le laboratoire et demandez-leur de vous asseoir confortablement devant l’ordinateur. Expliquer les instructions de la tâche : dans chaque essai, l’ordinateur va jouer un son dans le casque, après quoi, on vous demandera d’appuyer sur la touche « Y » si vous avez entendu le ton ou « n » Si vous n’avez pas.

Permettre au participant de mettre les écouteurs, commencer les essais liés à la tonalité de 1 kHz et puis quittez la pièce.

Une fois terminé le premier bloc de six fréquences, retourner à la salle et demander au participant d’enlever le casque. Répondre aux questions qu’ils peuvent avoir et leur donner une pause de 2 min.

Lorsque le temps est écoulé, ont le participant mettez le casque sur retour à commencer les essais connexes le prochain bip. Répétez les étapes jusqu’à ce que tous les six tonalités ont été testées.

Pour analyser les résultats, générer une table de données distinctes pour chacune des tonalités testé, avec une colonne pour le numéro du procès, le niveau de volume et réponses du participant.

Pendant les quelques premiers essais, vérifier qu’ils ont répondu avec une série de no s, indiquant que les tons étaient inaudibles au début, qui alors aurait dû inciter une augmentation du volume jusqu’à ce que le seuil d’audition a été atteint.

Après vérification, le graphique du volume joué sur chaque essai de chaque bloc, comme ici pour 1 kHz.

Lorsque le seuil d’audition a été atteint, remarquez que le participant s’installe en arrière entre les « Non » et « Oui » réponses, ce qui permet d’identifier ce qui ressemble à première devient détectables. La tendance centrale de cette plage étroite est une mesure du seuil.

Pour calculer le seuil de volume à chaque tonalité, en moyenne les 10 derniers essais de chaque bloc et graphique des résultats. Observer comment cela avait tendance à augmenter à mesure que la fréquence a augmenté ; en d’autres termes, les tons graves étaient plus faciles à entendre que les aigus, qui s’explique par les propriétés de vibration des filaments et des os de l’oreille.

Maintenant que vous êtes familier avec cette méthode efficace pour trouver des seuils perceptifs, regardons comment il est utilisé pour examiner le déclin sensorielle dans le vieillissement normal et à l’exposition à des interprétations fortes.

La procédure de l’escalier a été utilisée par les chercheurs d’examiner comment l’audience seuils changent comme âge de l’être humain. En général, ils ont constaté que les seuils de volume augmenté comme les gens vieillissent. Autrement dit, pour les personnes de 60 ans, un son de haute fréquence pour quatre fois plus élevé que ce serait pour se faire entendre par ceux qui sont âgés de 20 ans.

En utilisant des méthodes similaires, les chercheurs ont comparé aussi les seuils de volume de personnes ayant une audition normale aux personnes ayant une déficience afin d’identifier la nature des déficits. Des fréquences spécifiques ont été touchés, comme à 4 et 5 kHz, tandis que d’autres étaient normaux, ce qui suggère que la maladie ou le dommage est la cause, ne vieillit pas.

En outre, l’approche permet d’évaluer les conséquences des différents types d’expériences sur le système auditif. Par exemple, les études ont utilisé une approche du seuil pour évaluer les effets d’entendre la musique heavy metal forte lors d’un concert.

Lorsque les chercheurs ont testé des gens juste avant d’assister à un concert et une demi-heure après, ils ont constaté que des métaux lourds a augmenté le seuil de volume pour les sons. Ainsi, la musique rock peut vous rendre malentendant !

Vous avez juste regardé les vidéo de JoVE sur la procédure de l’escalier. Maintenant vous devriez avoir une bonne compréhension de la façon de concevoir une tâche seuil perceptif et à exécuter l’expérience, mais aussi à analyser et à évaluer les résultats.

Merci de regarder !

Results

L’objectif de la procédure de l’escalier est d’amener le participant à un volume au cours de laquelle ils peuvent à peine entendre une tonalité. Ceci est réalisé en provoquant une série de « Non » réponses dans les quelques premiers essais. Une fois une réponse « Oui » est produite, l’objectif est de garder le volume a joué près de celle qui a suscité le premier « Oui ». Cela se fait en diminuant le volume chaque fois qu’une réponse « Oui » est donnée. Ceci produit un modèle dans lequel le volume augmente progressivement dans les quelques premiers essais et puis des plateaux, restant dans une fourchette étroite jusqu’à la fin de l’expérience, comme on le voit à la Figure 3. La tendance centrale de cette plage étroite est une mesure du seuil. Dans la Figure 3, il est clair que le seuil est atteint à environ 6 dB. Une façon courante de calculer que le seuil est de calculer la moyenne des volumes a joué au cours des 10 derniers essais des expériences. Dans le cas de la Figure 3, qui travaille en moyenne jusqu’à 6,1 dB.

Avec les résultats obtenus pour les six sons de fréquences différentes, on peut voir que les seuils de perceptibilité varient par fréquence (ce qui est souvent appelé pitch). Sons plus élevés sont plus difficiles à entendre que baisser plus aigus. Pour le voir sous forme graphique, tracer le seuil de volume pour chacun des six tons testés dans l’expérience, tout comme le fait pour la tonalité de 1 kHz-tel qu’illustré à la Figure 4. Les chiffres indiqués sont pour un seul participant, 20 ans. Le motif principal est que les sons de basse fréquence sont plus faciles à entendre que des sons de haute fréquence. Il s’agit d’un fait de l’audition humaine qui se pose en raison de la structure du système auditif, commençant avec la nature des filaments et des os à l’intérieur de l’oreille humaine vibrante.

Figure 4. Seuil de volume en fonction de la fréquence. Données présentées sont pour un seul participant, âge 20 ans. En raison de la structure du système auditif humain, entendre les bruits à basse fréquence-quelles sont familièrement appelée moins aigu ou plus profondes sont plus facile à entendre que les sons de haute fréquence (aigus). Il faut un plus grand volume sonore audible à une fréquence élevée.

En effet, que les gens vieillissent, la disparité entre les basses et hautes fréquences des sons augmente. Figure 5 graphique des seuils auditifs pour le sujet de 20 ans, illustré à la Figure 4, avec des seuils pour un 40 ans et une âgée de 60 ans. En général, les seuils augmentent comme les gens vieillissent. Mais, en outre, des tonalités de fréquence plus élevées deviennent beaucoup plus difficiles à entendre que les sons de basse fréquence.

Figure 5. Seuils de volume en fonction de la fréquence et l’âge. En règle générale, les seuils de volume augmentent que les gens vieillissent. En outre, la disparité entre les basses et les sons à haute fréquence se développe. Pour se faire entendre à quelqu’un âgés de 60 ans environ, un son de haute fréquence doit presque quatre fois plus élevé qu’il aurait pu se faire entendre par une personne âgés de 20 ans.

Applications and Summary

Parmi les principales applications de la procédure d’escalier auditif est d’évaluer la déficience auditive. Au-delà de vieillissement normal, une déficience auditive peut être causée par des lésions de l’oreille interne, des lésions cérébrales et les maladies. Déficience auditive affecte souvent, à des fréquences particulières, plus que d’autres. La méthode de l’escalier peut être utilisée pour déterminer si une personne possède particulièrement mauvaise audience dans une étroite bande passante, qui suggère une déficience auditive causée par le vieillissement plus que la normale. Figure 6 seuils auditifs de graphiques pour une audience réduite à 60 ans par rapport à une irréprochable 60 ans. La personne ayant une déficience souffre de surdité à 4 et 5 kHz, comme il est indiqué par des seuils auditifs très élevés à ces fréquences. Dans le cas contraire, la personne ayant une déficience effectue de la même façon à un contrôle de l’âge correspondant.

La figure 6. Les seuils de volume pour une personne ayant une déficience auditive (60 ans) par rapport à une correspondance âge irréprochable. Déficience auditive souvent affecte seulement une partie de l’espace des fréquences. La personne ayant une déficience, montrée ici souffre des seuils élevés de déficience-très graves-à 4 et 5 kHz, mais semble autrement normale par rapport à un témoins du même âge.

Cette approche peut également être utilisée pour évaluer les conséquences des différents types d’expériences sur le système auditif. Par exemple, les études ont utilisé une approche du seuil pour évaluer les effets d’entendre la musique forte de métaux lourds dans un concert. ¹ scientifiques ont testé des gens juste avant d’assister à un concert et une demi-heure après. Peut-être sans surprise, les métaux lourds a augmenté le seuil de volume pour les sons, en particulier dans la gamme de 6 Hz. Rock musique peut te rendre malentendant !

References

Drake-Lee, A. B. (1992). Beyond music: auditory temporary threshold shift in rock musicians after a heavy metal concert. Journal of the royal society of medicine, 85(10), 617-619.

Transcript

One branch of perceptual psychology—psychophysics—is concerned with relating a stimulus’s actual compared to its perceived intensity.

Just like actual levels, perceptual ones can be measured: how bright a light must be for it to be observed, or how soft a sound can be for it to be heard.

For example, someone waiting for dinner to be served may not hear that it’s ready if they are at the base of the stairs; they have to climb a few steps before they hear anything, and maybe even a few more to Interpret the sounds.

This dynamic adjustment is the concept behind the staircase procedure, where the minimum noticed intensity can be reliably determined by stepping up or down the amount of stimulation.

This video demonstrates how to design and implement the staircase procedure, specifically to measure auditory thresholds—the minimal volume necessary for a tone to be perceived.

In this experiment, tones are presented through headphones at six different frequencies or pitches: 1–6 kHz—all within the human hearing range.

Given that our thresholds are not the same across all frequencies, six blocks are used to test each one independently. In each block, the frequency is briefly presented for 200 ms at volumes ranging from 2–40 dB.

The first tone is played at the lowest volume of 2 dB, a level that the participant should not perceive. If that’s the case, the volume on the next trial is increased by a step, 1 dB.

On the other hand, if it is noticeable, the volume is decreased by one. This procedure is repeated for 30 trials—resulting in staircase-like changes in volume.

The dependent variable is the participants’ responses—whether they heard the tone or not. This information is then combined with the volume intensity data to determine the perceptual volume threshold at each frequency.

To begin the experiment, greet the participant in the lab and have them sit comfortably in front of the computer. Explain the task instructions: In each trial, the computer will play a tone through the headphones, after which you will be prompted to press the ‘Y’ key if you heard the tone or ‘N’ if you did not.

Allow the participant to put on the headphones, start the trials associated with the 1 kHz tone, and then leave the room.

After the first block of six frequencies is completed, return to the room and ask the participant to remove the headphones. Answer any questions they may have and give them a 2-min break.

When time is up, have the participant put the headphones back on to begin the trials related to the next tone. Repeat the steps until all six tones have been tested.

To analyze the results, generate a separate data table for each of the tones tested, with a column for trial number, volume level, and the participant’s responses.

During the first few trials, verify that they responded with a series of no’s, indicating that tones were inaudible at the start, which then should have prompted volume increases until the auditory threshold was reached.

Following verification, graph the volume played on each trial of every block as shown here for 1 kHz.

When the auditory threshold was reached, notice that the participant moved back and forth between ‘No’ and ‘Yes’ responses, which allows for the identification of what sounds first became detectable. The central tendency of this narrow range is a measure of the threshold.

To calculate the volume threshold at each tone, average the last 10 trials of every block and graph the results. Observe how this tended to increase as the frequency increased; in other words, low-pitched tones were easier to hear than high-pitched ones, which is due to the vibration properties of the filaments and bones of the ear.

Now that you are familiar with this efficient method for finding perceptual thresholds, let’s look at how it’s used to examine sensory decline in normal aging and with exposure to loud performances.

The staircase procedure has been used by researchers to examine how hearing thresholds change as humans age. In general, they found that volume thresholds increased as people get older. That is, for individuals aged 60, a high-frequency sound needed to be four times as loud as it would to be audible by those who are 20 years old.

Using similar methods, researchers also compared volume thresholds of people with normal hearing to those with impairments to identify the nature of the deficits. Specific frequencies were affected, such as at 4 and 5 kHz, whereas others were normal, suggesting that disease or damage is the cause, not aging.

In addition, the approach can be used to assess the consequences of various types of experiences on the auditory system. For example, studies have used a threshold approach to evaluate the effects of hearing loud heavy-metal music during a concert.

When researchers tested people just before attending a concert, and a half an hour after, they found that heavy metal increased the volume threshold for sounds. Thus, rock music can make you hard of hearing!

You’ve just watched JoVE’s video on the staircase procedure. Now you should have a good understanding of how to design a perceptual threshold task and run the experiment, as well as analyze and assess the results.

Thanks for watching!

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Staircase Procedure Perceptual Threshold Psychophysics Stimulus Intensity Perceived Intensity Perceptual Psychology Minimum Noticed Intensity Auditory Thresholds Tone Perception Frequency Range Volume Levels DB Levels