क्रांतिक बैंड

ऑडियोलॉजी और मनोध्वनिकी में महत्वपूर्ण बैंड की अवधारणा, 1933 में हार्वे फ्लेचर द्वारा पेश की गई और 1940 में परिष्कृत किया गया, आंतरिक कान के भीतर सुनने की इंद्रिय अंग कोक्लीअ द्वारा बनाए गए श्रवण फिल्टर की आवृत्ति बैंडविड्थ (सिग्नल प्रोसेसिंग) का वर्णन करता है। मोटे तौर पर, महत्वपूर्ण बैंड ऑडियो आवृत्ति का बैंड है जिसके भीतर एक दूसरा स्वर श्रवण मास्किंग द्वारा पहले स्वर की धारणा में हस्तक्षेप करेगा।

साइकोफिजियोलॉजी, बीट (ध्वनिकी) और खुरदरापन (साइकोफिजिक्स) संवेदनाओं को उन इनपुट को हल करने के लिए श्रवण आवृत्ति-विश्लेषण तंत्र की अक्षमता से जोड़ा जा सकता है जिनकी आवृत्ति अंतर महत्वपूर्ण बैंडविड्थ से छोटा है और परिणामस्वरूप अनियमित गुदगुदी होती है। यांत्रिक प्रणाली (बेसिलर झिल्ली) जो ऐसे इनपुट के जवाब में प्रतिध्वनित होती है। क्रिटिकल बैंड श्रवण मास्किंग घटना से भी निकटता से संबंधित हैं - एक ही क्रिटिकल बैंड के भीतर उच्च तीव्रता के दूसरे सिग्नल की उपस्थिति में ध्वनि संकेत की श्रव्यता कम हो जाती है। मास्किंग घटना के व्यापक निहितार्थ हैं, जिनमें ज़ोर की तीव्रता (संदर्भ का अवधारणात्मक फ्रेम) और तीव्रता (भौतिकी) (संदर्भ का भौतिक फ्रेम) के बीच एक जटिल संबंध से लेकर ध्वनि संपीड़न एल्गोरिदम तक शामिल हैं।

श्रवण फ़िल्टर
फ़िल्टर का उपयोग परिधीय श्रवण प्रणाली सहित ऑडियोलॉजी और मनोध्वनिकी के कई पहलुओं में किया जाता है। फ़िल्टर एक उपकरण है जो कुछ आवृत्तियों को बढ़ाता है और अन्य को क्षीण करता है। विशेष रूप से, एक बंदपास छननी कट-ऑफ आवृत्तियों के बाहर की आवृत्तियों को रोकते हुए बैंडविड्थ के भीतर आवृत्तियों की एक श्रृंखला को गुजरने की अनुमति देता है।

बेसिलर झिल्ली के आकार और संगठन का मतलब है कि झिल्ली के साथ विभिन्न बिंदुओं पर विभिन्न आवृत्तियाँ विशेष रूप से दृढ़ता से प्रतिध्वनित होती हैं। इससे झिल्ली के साथ आवृत्ति सीमाओं के प्रति संवेदनशीलता का एक टोनोटोपिक संगठन बनता है, जिसे श्रवण फिल्टर के रूप में जाने जाने वाले ओवरलैपिंग बैंड-पास फिल्टर की एक श्रृंखला के रूप में तैयार किया जा सकता है। श्रवण फिल्टर बेसिलर झिल्ली के साथ बिंदुओं से जुड़े होते हैं और कोक्लीअ की आवृत्ति चयनात्मकता निर्धारित करते हैं, और इसलिए विभिन्न ध्वनियों के बीच श्रोता का भेदभाव निर्धारित करते हैं। वे गैर-रैखिक, स्तर-निर्भर होते हैं और बैंडविड्थ कोक्लीअ के आधार से शीर्ष तक कम हो जाती है क्योंकि बेसिलर झिल्ली पर ट्यूनिंग उच्च से निम्न आवृत्ति में बदल जाती है। श्रवण फ़िल्टर की बैंडविड्थ को क्रिटिकल बैंडविड्थ कहा जाता है, जैसा कि सबसे पहले फ्लेचर (1940) द्वारा सुझाया गया था। यदि कोई सिग्नल और मास्कर एक साथ प्रस्तुत किए जाते हैं तो केवल महत्वपूर्ण बैंडविड्थ के भीतर आने वाली मास्कर आवृत्तियाँ ही सिग्नल को मास्क करने में योगदान करती हैं। क्रिटिकल बैंडविड्थ जितना बड़ा होगा सिग्नल-टू-शोर अनुपात (एसएनआर) उतना ही कम होगा और सिग्नल उतना ही अधिक छिपा होगा।

श्रवण फ़िल्टर से जुड़ी एक अन्य अवधारणा समतुल्य आयताकार बैंडविड्थ (ईआरबी) है। ईआरबी श्रवण फ़िल्टर, आवृत्ति और महत्वपूर्ण बैंडविड्थ के बीच संबंध दिखाता है। एक ईआरबी उतनी ही मात्रा में ऊर्जा प्रवाहित करता है जितनी श्रवण फिल्टर उसके अनुरूप होती है और दिखाता है कि यह इनपुट आवृत्ति के साथ कैसे बदलता है। निम्न ध्वनि स्तरों पर, ईआरबी का अनुमान ग्लासबर्ग और मूर के अनुसार निम्नलिखित समीकरण द्वारा लगाया जाता है:


 * ईआरबी(एफ) = 24.7 * (4.37 एफ/1000 + 1),

जहां ईआरबी हर्ट्ज में है और एफ हर्ट्ज में केंद्र आवृत्ति है।

ऐसा माना जाता है कि प्रत्येक ईआरबी बेसिलर झिल्ली पर लगभग 0.9 मिमी के बराबर है। ईआरबी को एक पैमाने में परिवर्तित किया जा सकता है जो आवृत्ति से संबंधित है और बेसिलर झिल्ली के साथ श्रवण फ़िल्टर की स्थिति दिखाता है। उदाहरण के लिए, 3.36 की एक ईआरबी संख्या बेसिलर झिल्ली के शीर्ष छोर पर आवृत्ति से मेल खाती है जबकि 38.9 की एक ईआरबी संख्या आधार से मेल खाती है और 19.5 का मान दोनों के बीच आधा होता है।

श्रवण फ़िल्टर को मॉडल करने के लिए उपयोग किया जाने वाला एक फ़िल्टर प्रकार गैमाटोन फ़िल्टर है। यह एक सरल रैखिक फ़िल्टर प्रदान करता है, जिसे लागू करना आसान है, लेकिन श्रवण प्रणाली के गैर-रेखीय पहलुओं के लिए स्वयं जिम्मेदार नहीं हो सकता है; फिर भी इसका उपयोग श्रवण प्रणाली के विभिन्न मॉडलों में किया जाता है। श्रवण फ़िल्टरिंग के गामाटोन मॉडल की विविधताओं और सुधारों में गामाचिर्प फ़िल्टर, ऑल-पोल और एक-शून्य गामाटोन फ़िल्टर, दो-तरफा गामाटोन फ़िल्टर, और फ़िल्टर कैस्केड मॉडल, और इनके विभिन्न स्तर-निर्भर और गतिशील रूप से गैर-रेखीय संस्करण शामिल हैं।

मनोध्वनिक ट्यूनिंग वक्र
मनोध्वनिक ट्यूनिंग के विश्लेषण से श्रवण फिल्टर के आकार पाए जाते हैं, जो ग्राफ़ होते हैं जो मास्कर पैरामीटर के फ़ंक्शन के रूप में टोन का पता लगाने के लिए विषय की सीमा दिखाते हैं। मनोध्वनिक ट्यूनिंग वक्रों को नोकदार-शोर विधि का उपयोग करके मापा जा सकता है। माप के इस रूप में काफी समय लग सकता है और प्रत्येक छिपी हुई सीमा को खोजने में लगभग 30 मिनट लग सकते हैं। नोकदार-शोर विधि में विषय को मास्कर के रूप में नोकदार शोर और संकेत के रूप में एक साइनसॉइड (शुद्ध स्वर) के साथ प्रस्तुत किया जाता है। साइनसॉइडल मास्कर का उपयोग करने पर होने वाली विषय श्रवण धड़कन को रोकने के लिए नोकदार शोर का उपयोग मास्कर के रूप में किया जाता है। नोकदार शोर उस सिग्नल की आवृत्ति के चारों ओर एक पायदान वाला शोर है जिसे विषय पता लगाने की कोशिश कर रहा है, और इसमें एक निश्चित बैंडविड्थ के भीतर शोर होता है। शोर की बैंडविड्थ में परिवर्तन होता है और साइनसॉइड के लिए छिपी हुई सीमाएँ मापी जाती हैं। मास्क्ड थ्रेशोल्ड की गणना एक साथ मास्किंग के माध्यम से की जाती है जब सिग्नल को मास्कर के समान समय पर विषय पर चलाया जाता है, उसके बाद नहीं।

एक विषय में श्रवण फिल्टर का सही प्रतिनिधित्व प्राप्त करने के लिए, विभिन्न आवृत्तियों पर सिग्नल के साथ कई मनोध्वनिक ट्यूनिंग वक्रों की गणना करने की आवश्यकता होती है। मापे जाने वाले प्रत्येक मनोध्वनिक ट्यूनिंग वक्र के लिए, अलग-अलग पायदान की चौड़ाई के साथ, कम से कम पांच लेकिन अधिमानतः तेरह और पंद्रह थ्रेशोल्ड के बीच की गणना की जानी चाहिए। इसके अलावा बड़ी संख्या में थ्रेशोल्ड की गणना करने की आवश्यकता है क्योंकि श्रवण फिल्टर असममित हैं, इसलिए थ्रेसहोल्ड को सिग्नल की आवृत्ति के लिए नॉच असममित के साथ भी मापा जाना चाहिए। कई मापों की आवश्यकता के कारण, किसी व्यक्ति के श्रवण फिल्टर के आकार को खोजने में बहुत लंबा समय लगता है। आवश्यक समय को कम करने के लिए, नकाबपोश सीमाएँ ढूँढ़ते समय आरोही विधि का उपयोग किया जा सकता है। यदि थ्रेशोल्ड की गणना करने के लिए आरोही विधि का उपयोग किया जाता है, तो फ़िल्टर के आकार की गणना करने के लिए आवश्यक समय नाटकीय रूप से कम हो जाता है, क्योंकि थ्रेशोल्ड की गणना करने में लगभग दो मिनट लगते हैं। ऐसा इसलिए है क्योंकि सीमा तब दर्ज की जाती है जब विषय पहली बार स्वर सुनता है, न कि जब वे एक निश्चित उत्तेजना स्तर पर एक निश्चित प्रतिशत समय पर प्रतिक्रिया करते हैं।

बेसिलर झिल्ली की शारीरिक रचना और शरीर क्रिया विज्ञान
मानव कान तीन क्षेत्रों से बना होता है: बाहरी, मध्य और आंतरिक कान। भीतरी कान के भीतर कोक्लीअ बैठता है। कोक्लीअ एक घोंघे के आकार का गठन है जो एक प्रवाहकीय मार्ग के बजाय एक संवेदी मार्ग के माध्यम से ध्वनि संचरण को सक्षम बनाता है। कोक्लीअ एक जटिल संरचना है, जिसमें द्रव की तीन परतें होती हैं। स्केला वेस्टिबुली और स्केला मीडिया को रीस्नर झिल्ली द्वारा अलग किया जाता है जबकि स्केला मीडिया और स्केला टिम्पनी को बेसिलर झिल्ली द्वारा विभाजित किया जाता है। नीचे दिया गया चित्र डिब्बों और उनके विभाजनों के जटिल लेआउट को दर्शाता है:

आधार से शीर्ष की ओर बढ़ने पर बेसिलर झिल्ली चौड़ी हो जाती है। इसलिए, आधार (सबसे पतला भाग) में शीर्ष की तुलना में अधिक कठोरता होती है। इसका मतलब यह है कि बेसिलर झिल्ली के माध्यम से यात्रा करने वाली ध्वनि तरंग का आयाम कोक्लीअ के माध्यम से यात्रा करते समय भिन्न होता है। जब कोक्लीअ के माध्यम से कंपन होता है, तो तीन डिब्बों के भीतर का तरल पदार्थ बेसिलर झिल्ली को तरंग की तरह प्रतिक्रिया करने का कारण बनता है। इस तरंग को 'यात्रा तरंग' कहा जाता है; इस शब्द का अर्थ है कि बेसिलर झिल्ली केवल आधार से शीर्ष की ओर एक इकाई के रूप में कंपन नहीं करती है।

जब कोई ध्वनि मानव कान के सामने प्रस्तुत की जाती है, तो तरंग को कोक्लीअ से गुजरने में केवल 5 मिलीसेकंड का समय लगता है। जब कम आवृत्ति वाली यात्रा तरंगें कोक्लीअ से होकर गुजरती हैं, तो तरंग का आयाम धीरे-धीरे बढ़ता है, फिर लगभग तुरंत ही क्षय हो जाता है। कोक्लीअ पर कंपन का स्थान प्रस्तुत उत्तेजनाओं की आवृत्ति पर निर्भर करता है। उदाहरण के लिए, उच्च आवृत्तियों की तुलना में कम आवृत्तियाँ अधिकतर शीर्ष को उत्तेजित करती हैं, जो कोक्लीअ के आधार को उत्तेजित करती हैं। बेसिलर झिल्ली के शरीर क्रिया विज्ञान की इस विशेषता को स्थान-आवृत्ति मानचित्र के रूप में चित्रित किया जा सकता है:

बेसिलर झिल्ली कोर्टी के अंग को सहारा देती है, जो स्केला मीडिया के भीतर स्थित होती है। कॉर्टी के अंग में बाहरी और आंतरिक दोनों बाल कोशिकाएं शामिल हैं। एक कान में लगभग 15,000 से 16,000 के बीच ये बाल कोशिकाएँ होती हैं। बाहरी बाल कोशिकाओं में स्टीरियोसिलिया (आंतरिक कान) होता है जो टेक्टोरियल झिल्ली की ओर फैला होता है, जो कोर्टी के अंग के ऊपर स्थित होता है। जब कोई ध्वनि कोक्लीअ के माध्यम से कंपन पैदा करती है तो स्टीरियोसिलिया टेक्टोरियल झिल्ली की गति पर प्रतिक्रिया करती है। जब ऐसा होता है, तो स्टीरियोसिलिया अलग हो जाता है और एक चैनल बनता है जो रासायनिक प्रक्रियाओं को होने देता है। अंततः संकेत आठवीं तंत्रिका तक पहुंचता है, जिसके बाद मस्तिष्क में प्रसंस्करण होता है।

मुखौटा लगाने से संबंध
श्रवण फिल्टर जिस तरह से मापे जाते हैं और श्रवण प्रणाली में जिस तरह से काम करते हैं, उसमें मास्किंग के साथ निकटता से जुड़े हुए हैं। जैसा कि पहले बताया गया है कि फ़िल्टर की महत्वपूर्ण बैंडविड्थ बढ़ती आवृत्ति के साथ आकार में बढ़ती है, इसके साथ ही फ़िल्टर बढ़ते स्तर के साथ अधिक विषम हो जाता है।

ऐसा माना जाता है कि श्रवण फ़िल्टर के ये दो गुण मास्किंग के ऊपर की ओर फैलने में योगदान करते हैं, अर्थात कम आवृत्तियाँ विपरीत की तुलना में उच्च आवृत्तियों को बेहतर तरीके से छिपाती हैं। जैसे-जैसे स्तर बढ़ने से निम्न आवृत्ति ढलान उथला हो जाता है, इसके आयाम में वृद्धि से, कम आवृत्तियाँ निम्न इनपुट स्तर की तुलना में उच्च आवृत्तियों को अधिक ढक देती हैं।

ऑफ-फ़्रीक्वेंसी श्रवण का उपयोग करके पृष्ठभूमि शोर में सिग्नल सुनते समय श्रवण फ़िल्टर मास्कर के प्रभाव को कम कर सकता है। यह तब संभव है जब मास्कर की केंद्र आवृत्ति सिग्नल से भिन्न हो। ज्यादातर स्थितियों में श्रोता श्रवण फिल्टर के माध्यम से सुनना पसंद करता है जो सिग्नल पर केंद्रित होता है, हालांकि अगर कोई मास्कर मौजूद है तो यह उचित नहीं हो सकता है। सिग्नल पर केंद्रित श्रवण फिल्टर में बड़ी मात्रा में मास्कर भी हो सकता है, जिससे फिल्टर का एसएनआर कम हो जाता है और श्रोता की सिग्नल का पता लगाने की क्षमता कम हो जाती है। हालाँकि, यदि श्रोता थोड़े अलग फ़िल्टर के माध्यम से सुनता है जिसमें अभी भी सिग्नल की पर्याप्त मात्रा होती है लेकिन कम मास्कर होता है, तो एसएनआर बढ़ जाता है, जिससे श्रोता को सिग्नल का पता लगाने की अनुमति मिलती है।

ऊपर दिया गया पहला चित्र सिग्नल पर केंद्रित श्रवण फ़िल्टर को दिखाता है और कैसे कुछ मास्कर उस फ़िल्टर के भीतर आता है। इसके परिणामस्वरूप कम एसएनआर होता है। दूसरा आरेख बेसिलर झिल्ली के साथ अगले फ़िल्टर को दिखाता है, जो सिग्नल पर केंद्रित नहीं है लेकिन इसमें पर्याप्त मात्रा में सिग्नल और कम मास्कर होता है। यह एसएनआर को बढ़ाकर मास्कर के प्रभाव को कम करता है।

उपरोक्त मास्किंग के पावर-स्पेक्ट्रम मॉडल पर लागू होता है। सामान्य तौर पर यह मॉडल श्रवण प्रणाली पर निर्भर करता है जिसमें श्रवण फिल्टर की श्रृंखला होती है और इसके केंद्र में सिग्नल के साथ या सर्वोत्तम एसएनआर के साथ फिल्टर का चयन होता है। केवल श्रवण फिल्टर में आने वाला मास्कर ही मास्किंग में योगदान देता है और सिग्नल सुनने के लिए व्यक्ति की सीमा उस मास्कर द्वारा निर्धारित की जाती है।

सामान्य और ख़राब श्रवण फ़िल्टर
'सामान्य' कान में श्रवण फ़िल्टर का आकार नीचे दिखाए गए जैसा होता है। यह ग्राफ़ आवृत्ति चयनात्मकता और बेसिलर झिल्ली की ट्यूनिंग को दर्शाता है।

बेसिलर झिल्ली की न्यूरोनल ट्यूनिंग इसकी यांत्रिक संरचना के कारण होती है। बेसिलर झिल्ली के आधार पर यह संकीर्ण और कठोर होती है और उच्च आवृत्तियों के प्रति सबसे अधिक प्रतिक्रियाशील होती है। हालाँकि, शीर्ष पर झिल्ली चौड़ी और लचीली होती है और कम आवृत्तियों के प्रति सबसे अधिक प्रतिक्रियाशील होती है। इसलिए, बेसिलर झिल्ली के विभिन्न खंड ध्वनि की आवृत्ति के आधार पर कंपन करते हैं और उस विशेष आवृत्ति पर अधिकतम प्रतिक्रिया देते हैं।

हालाँकि, ख़राब कान में श्रवण फ़िल्टर का आकार 'सामान्य' कान की तुलना में अलग होता है।

सामान्य कान की तुलना में ख़राब कान का श्रवण फ़िल्टर चपटा और चौड़ा होता है। ऐसा इसलिए है क्योंकि बाहरी बाल कोशिकाएं क्षतिग्रस्त होने के कारण बेसिलर झिल्ली की आवृत्ति चयनात्मकता और ट्यूनिंग कम हो जाती है। जब केवल बाहरी बाल कोशिकाएं क्षतिग्रस्त होती हैं तो फ़िल्टर कम आवृत्ति की ओर चौड़ा होता है। जब बाहरी और भीतरी दोनों बाल कोशिकाएं क्षतिग्रस्त हो जाती हैं तो फिल्टर दोनों तरफ चौड़ा हो जाता है। यह कम आम है. श्रवण फ़िल्टर का विस्तार मुख्य रूप से फ़िल्टर के कम आवृत्ति वाले हिस्से पर होता है। इससे कम आवृत्ति वाली मास्किंग की संवेदनशीलता बढ़ जाती है यानी ऊपर बताए अनुसार मास्किंग का ऊपर की ओर फैलना।

यह भी देखें

 * प्रबलता
 * मनोध्वनिकी, मनोध्वनिकी#मास्किंग प्रभाव
 * श्रवण मास्किंग
 * सामंजस्य और असंगति
 * समतुल्य आयताकार बैंडविड्थ

बाहरी संबंध

 * Vassilakis, P.N. and Fitz, K. (2007) . SRA: A Web-based Research Tool for Spectral and Roughness Analysis of Sound Signals. Supported by a Northwest Academic Computing Consortium grant to J. Middleton, Eastern Washington University