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Alteration of Intensity Resolution and Loudness by Sounds Presented in Temporal Proximity
Oberfeld-Twistel, Daniel
Ziel dieser Arbeit war die Formulierung eines Modells für drei Effekte, die ein in zeitlicher Nähe zu einem Zielton präsentierter Ton auf Intensitätsauflösung und Lautheit hat. Erstens verursacht ein lauter nicht-simultaner Maskierer eine deutliche Erhöhung der Differenzschwellen für Standards mittlerer Intensität, hat aber bei niedrigen und hohen Standardpegeln nur einen geringen Effekt. Zweitens bewirkt ein nicht-simultaner Maskierer eine systematische Verschiebung der Lautheit des Zieltons in Richtung der Lautheit des Maskierers. So wird die Lautheit eines Zieltons durch einen lauteren Maskierer erhöht (loudness enhancement). Drittens werden in rhythmischen Sequenzen, die aus paarweise angeordneten physikalisch identischen Klängen bestehen, die zweiten Töne der Tonpaare als akzentuiert wahrgenommen, also als lauter als die ersten Töne. Frühere Studien zeigten einen empirischen Zusammenhang zwischen den durch den Maskierer hervorgerufenen Änderungen von Intensitätsauflösung und Lautheit. Vor diesem Hintergrund wurde die Hypothese verfolgt, beide Phänomene könnten durch einen gemeinsamen Mechanismus erklärt werden. Ebenso wurde der Frage nachgegangen, ob der intervallproduzierte Akzent als loudness enhancement des zweiten Tons durch den ersten Ton eines Tonpaars verstanden werden kann. Auf der Basis bisheriger Daten und Modelle wurde ein neues Modell für Intensitätsauflösung und Lautheit unter nicht-simultaner Maskierung entwickelt, das Ähnlichkeitsmodell. Es nimmt an, dass die in einer loudness matching Aufgabe verwendete Gedächtnisrepräsentation der Zielreizlautheit ein gewichtetes Mittel aus Zielreiz- und Maskiererlautheit ist [Elmasian, Galambos und Bernheim (1980), J. Acoust. Soc. Am. 67, 601-607]. Die wichtige neue Annahme des Modells ist ein Effekt der Target-Distraktor Ähnlichkeit: die Gewichtung der Maskiererlautheit ist eine Funktion der perzeptuellen Ähnlichkeit zwischen Zielton und Maskierer. Wenn die beiden Klänge sehr unterschiedlich sind, ist die Gewichtung gering. Das Modell verwendet außerdem eine Hypothese von Carlyon und Beveridge (1993, J. Acoust. Soc. Am. 93, 2886-2895) und prognostiziert einen monotonen Zusammenhang zwischen der Differenzschwellenerhöhung und der Lautheitsänderung. Anders als bisherige Modelle sagt das Ähnlichkeitsmodell einen "mid-difference hump" vorher: für jeden Zieltonpegel werden die stärksten Effekte auf Lautheit und Diskriminationsleistung bei mittleren Maskierer-Zielton Pegelunterschieden erwartet. Das Modell wurde in drei Experimenten getestet. In Experiment 1 wurden Differenzschwellen für Standardpegel von 25, 55 und 85 dB SPL gemessen. Die Maskierer-Zielton Pegeldifferenz wurde zwischen −60 und +60 dB variiert. Die Daten zeigten den vorhergesagten mid-difference hump sowie eine Differenzschwellenerhöhung für den 25 dB SPL und den 85 dB SPL Standard. Diese Daten sind Evidenz gegen frühere Modelle, die keine oder nur sehr geringe Effekte des Maskierers bei niedrigen und hohen Standardpegeln prognostizieren und für einen Standard mittleren Pegels einen monotonen Anstieg der Unterschiedsschwelle mit dem Maskiererpegel vorhersagen. In Experiment 2 wurden loudness matches in denselben Bedingungen und für dieselben Hörer wie in Experiment 1 erhoben. Wieder fand sich ein mid-difference hump. Die vom Maskierer verursachte Lautheitsänderung war für den niedrigsten Standardpegel am geringsten. In Experiment 3 wurde die Target-Maskiererähnlichkeit zusätzlich durch die Verwendung eines längeren Maskierers variiert. Für diesen Fall sagt das Ähnlichkeitsmodell dieselben Muster (mid-difference hump) vorher, allerdings mit einem generell geringeren Effekt des Maskierers. Die Ergebnisse waren zu den Vorhersagen kompatibel. Laut Ähnlichkeitsmodell ist der gemeinsame Mechanismus, der sowohl der Lautheitsänderung als auch der Differenzschwellenerhöhung zugrunde liegt, die Einbeziehung von Maskiererinformation in die Entscheidungen, die in den jeweiligen Aufgaben getroffen werden. Kompatibel mit dieser Sichtweise war die Korrelation zwischen Lautheitsänderung und Differenzschwelle signifikant. Die Korrelation war allerdings eher gering. Ein Grund hierfür war, dass loudness decrement mit niedrigen Differenzschwellen korrespondierte.
A sound presented temporally proximal to a target sound has effects on intensity resolution and loudness. The aim of this work was to develop a model for three phenomena. First, an intense non-simultaneous masker causes a large increase in intensity difference limens for a midlevel standard, but has only a small effect at low and high standard levels. Second, a non-simultaneous masker introduces a systematic shift in target loudness towards masker loudness. For example, loudness of the target is enhanced by a masker higher in level than the target. Third, in rhythmic equitone sequences constructed as pairs of sounds separated by a longer interval, an accent is perceived on the second sounds of the pairs, i.e., loudness of the second sounds exceeds loudness of the first sounds. Previous studies indicated a close relation between the masker-induced changes in loudness and intensity resolution. The model formulated in this thesis attributes the empirical similarities between the first two phenomena to a common mechanism. Above that, the question was studied whether the interval-produced accent can be understood as loudness of the second tone of a pair being enhanced by the first tone. Based on a review of data and models, a new model for loudness and intensity resolution in non-simultaneous masking was developed, termed the Similarity Model. It assumes that the memory representation of target loudness used in a loudness matching task is a weighted average between target and masker loudness [Elmasian, Galambos, & Bernheim (1980), J. Acoust. Soc. Am. 67, 601-607]. The important new feature of the model is an effect of the target-distractor similarity. The weight assigned to masker loudness is assumed to be a function of the perceptual similarity between masker and target, decreasing with the perceptual difference between the two sounds. Based on an idea by Carlyon and Beveridge (1993, J. Acoust. Soc. Am. 93, 2886-2895) the model predicts the elevation of the just-noticeable difference (jnd) to be monotonically related to the loudness change caused by a non-simultaneous masker. Unlike previous models, the similarity model predicts a mid-difference hump, i.e., at each target level, the effects of the masker are expected to be most pronounced at intermediate masker-target level differences. The model was tested in three experiments. In Experiment 1, intensity difference limens were measured for 25, 55, and 85-dB SPL standards, while the masker-target level difference was varied across a range of −60 to +60 dB. Compatible with the predictions of the similarity model, listeners produced a mid-difference hump and the masker caused significant jnd elevations at the lowest and the highest standard level. Previous models predict no or only very small effects of the masker at low and high standard levels, and at midlevels a monotonic increase of the jnd with masker level. The data are incompatible with these models. In Experiment 2, loudness matches were obtained in the same conditions as in Experiment 1 and for the same listeners. Mid-difference humps were observed again. The masker-induced loudness change was smallest at the lowest target level. In Experiment 3, similarity on the duration dimension was varied. For masker and target additionally differing in duration, the similarity model predicts the same pattern (i.e., a mid-difference hump), but a generally smaller effect of the masker. Results were compatible with this prediction. According to the similarity model, the common mechanism underlying both loudness enhancement and the jnd elevation is the inclusion of masker intensity information in the decisions made in the respective experiments. Compatible with this assumption, the correlation between loudness enhancement and the difference limen was significant. The correlation was rather weak, however, partly because loudness decrement corresponded to small jnd's. It was demonstrated that the similarity model can quantitatively predict the loudness change caused by a non-simultaneous masker. The mathematical modelling combines properties of the auditory periphery, represented by the loudness function for pure tones, with the presumably more centrally located influence of masker loudness on the memory representation of target loudness. With only two free parameters, the model produced reasonable to excellent fits to previous data sets and to the data from Experiment 2. The smaller amounts of loudness enhancement found at the lowest target level were correctly predicted, due to the steeper slope of the loudness function at low levels. A signal detection approach was used to model the effects the inclusion of masker intensity information has on discrimination performance. The predicted patterns were not compatible with the data, however.
