Il metodo della scalinata per trovare la soglia percettiva

The Staircase Procedure for Finding a Perceptual Threshold

JoVE Science Education
Sensation and Perception

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

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

24,283 Views

•

06:48 min

•

April 30, 2023

Overview

Fonte: Laboratorio di Jonathan Flombaum—Johns Hopkins University

Psicofisica è il nome di un insieme di metodi in psicologia percettiva progettati per mettere in relazione l’effettiva intensità degli stimoli con la loro intensità percettiva. Un aspetto importante della psicofisica riguarda la misurazione delle soglie percettive: quanto deve essere luminosa una luce affinché una persona sia in grado di rilevarla? Quanta poca pressione applicata sulla pelle è rilevabile? Quanto può essere morbido un suono ed essere ancora ascoltato? In altre parole, quali sono le più piccole quantità di stimolazione che gli esseri umani possono percepire? La procedura della scala è una tecnica efficace per identificare la soglia percettiva di una persona.

Questo video dimostrerà i metodi standard per applicare la procedura della scala al fine di identificare la soglia uditiva di una persona, cioè il volume minimo necessario per percepire un tono.

Procedure

1. Stimoli e attrezzature

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).
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.
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

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.
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

Si noti che si può facilmente testare se stessi.
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”.
Quando il partecipante è pronto, avvia il primo programma, quello per il tono da 1 kHz.
È possibile lasciare la stanza mentre il partecipante completa il programma. Chiudere la porta, se possibile, per ridurre al minimo il rumore esterno.
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.
Ora esegui il programma per i toni a 2 kHz.
E poi ripeti 3.4-3.6 fino a quando tutti e sei i toni sono stati testati.

4. Analisi dei risultati

Per analizzare i risultati, crea una tabella separata per ciascuno dei sei esperimenti.
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.

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.
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.

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

Una branca della psicologia percettiva – la psicofisica – si occupa di mettere in relazione l’effettivo di uno stimolo rispetto alla sua intensità percepita.

Proprio come i livelli reali, quelli percettivi possono essere misurati: quanto deve essere luminosa una luce per essere osservata, o quanto può essere morbido un suono per essere ascoltato.

Ad esempio, qualcuno che aspetta che venga servita la cena potrebbe non sentire che è pronta se si trova alla base delle scale; devono salire qualche gradino prima di sentire qualcosa, e forse anche qualche altro per interpretare i suoni.

Questa regolazione dinamica è il concetto alla base della procedura della scala, in cui l’intensità minima notata può essere determinata in modo affidabile aumentando o scendendo la quantità di stimolazione.

Questo video mostra come progettare e implementare la procedura della scala, in particolare per misurare le soglie uditive, il volume minimo necessario per percepire un tono.

In questo esperimento, i toni sono presentati attraverso le cuffie a sei diverse frequenze o toni: 1-6 kHz, il tutto all’interno della gamma uditiva umana.

Dato che le nostre soglie non sono le stesse su tutte le frequenze, vengono utilizzati sei blocchi per testare ciascuno in modo indipendente. In ogni blocco, la frequenza viene brevemente presentata per 200 ms a volumi compresi tra 2 e 40 dB.

Il primo tono viene riprodotto al volume più basso di 2 dB, un livello che il partecipante non dovrebbe percepire. In tal caso, il volume della prova successiva viene aumentato di un passaggio, 1 dB.

D’altra parte, se è evidente, il volume è diminuito di uno. Questa procedura viene ripetuta per 30 prove, con conseguenti variazioni di volume simili a scale.

La variabile dipendente sono le risposte dei partecipanti, indipendentemente dal fatto che abbiano sentito il tono o meno. Queste informazioni vengono quindi combinate con i dati sull’intensità del volume per determinare la soglia del volume percettivo a ciascuna frequenza.

Per iniziare l’esperimento, saluta il partecipante in laboratorio e puoi farlo sedere comodamente davanti al computer. Spiega le istruzioni per l’attività: in ogni prova, il computer riprodurrà un tono attraverso le cuffie, dopodiché ti verrà richiesto di premere il tasto “Y” se hai sentito il tono o “N” se non l’hai fatto.

Consenti al partecipante di indossare le cuffie, avviare le prove associate al tono da 1 kHz e quindi lasciare la stanza.

Dopo aver completato il primo blocco di sei frequenze, torna nella stanza e chiedi al partecipante di rimuovere le cuffie. Rispondi a qualsiasi domanda possano avere e concedi loro una pausa di 2 minuti.

Quando il tempo è smodato, invita il partecipante a rimettere le cuffie per iniziare le prove relative al tono successivo. Ripetere i passaggi fino a quando tutti e sei i toni non sono stati testati.

Per analizzare i risultati, generare una tabella dati separata per ciascuno dei toni testati, con una colonna per il numero di prova, il livello del volume e le risposte del partecipante.

Durante le prime prove, verificare che abbiano risposto con una serie di no, indicando che i toni non erano udibili all’inizio, il che avrebbe dovuto indurre aumenti di volume fino al raggiungimento della soglia uditiva.

Dopo la verifica, rappresentare graficamente il volume riprodotto su ogni prova di ogni blocco come mostrato qui per 1 kHz.

Quando è stata raggiunta la soglia uditiva, si noti che il partecipante si è spostato avanti e indietro tra le risposte “No” e “Sì”, il che consente l’identificazione di quali suoni sono diventati rilevabili per la prima volta. La tendenza centrale di questo intervallo ristretto è una misura della soglia.

Per calcolare la soglia di volume a ciascun tono, mediare le ultime 10 prove di ogni blocco e rappresentare graficamente i risultati. Osserva come questo tendeva ad aumentare all’aumentare della frequenza; in altre parole, i toni a bassa tonalità erano più facili da sentire rispetto a quelli acuti, il che è dovuto alle proprietà di vibrazione dei filamenti e delle ossa dell’orecchio.

Ora che hai familiarità con questo metodo efficiente per trovare soglie percettive, diamo un’occhiata a come viene utilizzato per esaminare il declino sensoriale nel normale invecchiamento e con l’esposizione a prestazioni rumorose.

La procedura della scala è stata utilizzata dai ricercatori per esaminare come cambiano le soglie uditive con l’invecchiamento degli esseri umani. In generale, hanno scoperto che le soglie di volume aumentavano man mano che le persone invecchiavano. Cioè, per le persone di età compresa tra 60 anni, un suono ad alta frequenza doveva essere quattro volte più forte di quanto sarebbe stato udibile da coloro che hanno 20 anni.

Utilizzando metodi simili, i ricercatori hanno anche confrontato le soglie di volume delle persone con udito normale con quelle con disabilità per identificare la natura dei deficit. Le frequenze specifiche sono state colpite, come a 4 e 5 kHz, mentre altre erano normali, suggerendo che la malattia o il danno è la causa, non l’invecchiamento.

Inoltre, l’approccio può 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 durante un concerto.

Quando i ricercatori hanno testato le persone poco prima di partecipare a un concerto, e mezz’ora dopo, hanno scoperto che l’heavy metal aumentava la soglia del volume per i suoni. Quindi, la musica rock può renderti difficile da sentire!

Hai appena visto il video di JoVE sulla procedura della scala. Ora dovresti avere una buona comprensione di come progettare un’attività di soglia percettiva ed eseguire l’esperimento, oltre ad analizzare e valutare i risultati.

Grazie per l’attenzione!

Results

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.

Applications and Summary

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!

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!

Tags

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