Bandas críticas

En audiología y psicoacústica, el concepto de las bandas críticas, introducido por Harvey Fletcher en 1933[2] describe el ancho de banda de frecuencia del "filtro auditivo " creado por la cóclea, el órgano del sentido de la audición dentro del oído interno. Aproximadamente, la banda crítica es la banda de frecuencias audibles dentro de la cual un segundo tono interferirá con la percepción del primero por medio del enmascaramiento sonoro.

De manera psicofisiológica, las sensaciones de batimiento y aspereza sonora pueden ser relacionadas con la inhabilidad del mecanismo de análisis de frecuencia auditivo para descifrar las señales de entrada cuya diferencia de frecuencia es más pequeña que el ancho de banda crítico y el "cosquilleo" irregular resultante[3] del sistema mecánico ( membrana basilar) que resuene en respuesta a tales entradas. Las bandas críticas también están íntimamente relacionadas con el fenómeno del enmascaramiento sonoro  – la audibilidad reducida de una señal de sonido cuando está en presencia de una segunda señal de intensidad más alta dentro de la misma banda crítica. El fenómeno de enmascaramiento tiene implicaciones amplias, abarcando desde una relación compleja entre el volumen (marco de referencia perceptivo) hasta los algoritmos de compresión del sonido.

Filtros auditivos

Los filtros son usados en muchos aspectos de la audiología y la psicoacústica, incluyendo al sistema auditivo periférico. Un filtro es un dispositivo que aumenta ciertas frecuencias y atenúa otras. En particular, un filtro paso banda permite que un rango de frecuencias dentro del ancho de banda pase a través de éste, mientras que excluye aquellas fuera de las frecuencias de corte.[4]

Un filtro paso banda mostrando la frecuencia central (Fc), las frecuencias de corte baja(F1) y alta(F2), así como el ancho de banda. Las frecuencias de corte baja y alta se definen como el punto donde la amplitud decae 3dBs debajo de la amplitud pico. El ancho de banda es la distancia entre las frecuencias de corte baja y alta, y es el rango de frecuencias pasadas por el filtro.

La forma y organización de la membrana basilar implica que las diferentes frecuencias resuenan particularmente fuerte en puntos diferentes a lo largo de la misma. Esto lleva a una organización tonotópica de la sensibilidad de los rangos de frecuencia a lo largo de la membrana, los cuales pueden ser modelados como un arreglo de filtros paso banda superpuestos conocidos como "filtros auditivos".[7] El ancho de banda del filtro auditivo se llama banda crítica, como sugirió por primera vez Fletcher (1940). Si una señal y enmascaramiento se presentan de manera simultánea, entonces sólo las frecuencias enmascaradas, caen dentro de la banda crítica y contribuyen a enmascarar la señal. Entre más grande sea la banda crítica, más baja es la relación señal/ruido (SNR por sus siglas de inglés) y más grande el enmascaramiento de la señal.

Figura 2: El ERB relacionado con la frecuencia central. El diagrama muestra al ERB contra frecuencia central, de acuerdo con la fórmula de Glasberg y Moore.[6]

Otro concepto asociado con el filtro auditivo es el ancho de banda rectangular equivalente (ERB por sus siglas en inglés). El ERB muestra la relación entre el filtro auditivo, la frecuencia y el ancho de banda crítico. Un ERB pasa la misma cantidad de energía que el filtro auditivo que le corresponde y muestra cómo cambia en relación a la frecuencia de entrada.[6]

ERB(f) = 24.7 * (4.37 f / 1000 + 1)

Donde el ERB está en Hz y f es la frecuencia central en Hz.

Se cree que cada valor del ERB es el equivalente de alrededor de 0.9mm en la membrana basilar.[6]

Un tipo de filtro usado para modelar los filtros auditivos es el filtro gammatone. Este proporciona un filtro lineal simple, el cual es, por tanto, fácil de implementar, pero no puede considerar por sí mismo aspectos no lineales del sistema auditivo; sin embargo, es usado en una variedad de modelos del sistema auditivo. Las variaciones y mejoramientos del modelo gammatone del filtro auditivo incluyen al filtro gammachirp, los filtros gammatone "all-pole" y "one-zero", el filtro gammatone de dos lados, los modelos de filtros en cascada y varias versiones dinámicamente no lineales de estos.[8]

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