VL:5 Psychophysik

Auditive Wahrnehmung: Aufbau des Ohr

Auditive Wahrnehmung: Physikalischer Reiz, Mechanische Verstärkung

1. Physikalischer Reiz: Schallwellen (Schwingungen) treffen auf das äußere Ohr und gelangen über denGehörgang zum Trommelfell

-d-h Luftdruckschwankungen im Frequenzbereich zwischen 20Hz-20kHz

2. Mechanische Verstärkung: Die Gehörknöchelchen (Hammer, Ambos, Steigbügel) im Mittelohr leiten die Schwingungen weiter auf das ovale Fenster. Schwingungen des Ovalen Fensters führen zu Druckschwankungen der Flüssigkeit in der Cochlea

Auditive Wahrnehmung: Sensorische Transduktion

3. sensorische Transduktion: Haarzellen auf der Basilarmembran in der Cochlea wandeln die mechanischen Schwingungen in elktrische Nervenimpulse um. Die Haarzellen unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Sensivität für verschiedene Frequenzbereiche

-nah am ovalen Fenster = hohe Frequenzen/hohe Töne; je weiter weg um so sensitiver für totale Frequenzen/tiefe Töne

Auditive Wahrnehmung: Zentrale Verarbeitung

4. Zentrale Verarbeitung:

• Nervenfasern der Haarzellen bündeln sich zum Hörnerv.

• Über den Hörnerv gelangen die Impulse zu Schaltstationen im Mittelhirn und Thalamus, wo eine erste Vorsortierung (Richtung und Lautstärke) stattfindet.

• Die weitere Verarbeitung erfolgt im auditiven Kortex im Temporallappen, wo wir Geräusche bewusst wahrnehmen, identifizieren und mit Erinnerungen abgleichen

Was ist die Grundfragestellung der Psychophysik?

Beispiele für Eigenschaften physikalischer Stimuli und zugehöriger Empfindungsqualitäten

Wie hängen physikalische Stimuli und psychologische. Empfindungen zusammen?

Die Psychophysik untersucht mathematisch formulierbare Zusammenhänge zwischen psychischen und physikalischen Vorgängen

Beispiele:

Lichtwellen: Amplitude <=> Helligkeit; Wellenlänge, Frequenz <=> Farbe

Schallwellen: Amplitude <=> Lautstärke, Wellenlänge, Frequenz <=> Tonhöhe

Wer waren wichtige Personen für die Psychophysik?

• Ernst Heinrich Weber

  • Wegbereiter der Psychophysik

  • Experiment zur Hausensibilität

  • Entdeckung des Webergesetzes

• Gustav Theodor Fechner

  • Begründer der Psychophysik

  • Weber-Fechner Gesetz

  • Innere und äußere Psychophysik

Unterscheidung Äußere und innere Psychophysik

Definition nach Gustav Theodor Fechner

Definition: “Ich unterscheide eine äußere und eine innere Psychophysik, je nachdem, ob es sich um die Beziehungen der Seele zu der körperlichen Außenwelt oder der körperlichen Innenwelt handelt”

• Äußere Psychophysik

  • beschriebt das Verhältnis von physikalisch messbaren (Ton/helles Licht) Reizen zu den durch sie ausgelösten subjektiven Empfindung

  • Weber-Gesetz, Weber-Fechnerschen Gesetz, Stevenssches-Gesetz

• Innere Psychophysik

  • Beschreibt das Verhältnis der durch physikalischen Reize ausgelösten physiologischen und neuronalen Erregungsprozesse zu den damit einhergehenden subjektiven Empfindungen

  • Beschrebung wurde erst durch das Aufkommen der neurowissenschaftlicher Methoden möglich

Methodische Vorgehensweise

Absolutschwelle (absolute threshold)

Wie intensiv muss Wintern sein, um wahrgenommen werden zu können?

Methodische Vorgehensweise

Unterschiedschwelle (just noticeable difference JND)

An welchem Unterschied werden zwei Reize als unterschiedlich erlebt?

Hängt von Gewicht ab auf welches Gewicht es sich bezieht

Herstellunngverfahren

Method of adjustment = Methode der mittleren Reizfindung

An wann man etwas wahrnimmt - nicht mehr wahrnimmt → Mittelwert

• Kontinuirliiches Verändern des Reizes, auf- und absteigend, durch die Versuchsperson

• Stop, sobald Schwelle (z.B. Hören nicht mehr Hören) erreicht wird

• Notieren des Wertes

• Mehrmalige Wiederholung des Verfahrens

• Schwellenwert = Mittelwert der Werte

Bestimmung der absolut Schwelle Reizlimen RL & Bestimmung der Unterschied Schwelle Differenzlimen DL

Absolutschwelle Reizlimen RL

• Versuchspersonen stellt den Reiz so ein, dass er gerade wahrgenommen wird bzw. Gerade nicht mehr wahrgenommen wird

Unterschiedschwelle Differenzlimen DL

• Versuchsperson stellt den Vergleichsreiz so ein, dass der zur gleichen Empfindung wie der Standardreiz führt

Herstellungsverfahren (method of adjustment) Methode der mittleren Reizfindung

Vor und Nachteile

Vorteile:

• Einfache Instruktion und Versuchsaufbau

• Effizient, wenige trials und Versuchspersonen notwendig

Nachteile

• Wenige Reizkontrolle als Experimentator

• Response bias Anfälligkeit (Tendenzen in einen Antwortrott zu verfallen

Grenzverfahren (method of limits) Methode der eben-merklichen Unterschiede

• Versuchsleiter präsentiert einzelne Reize in auf oder absteigender Reihenfolge

• VP regiert auf jeden Reiz mit “Ja” (Reiz vorhanden) oder “Nein” (Reiz nicht vorhanden)

• Bestimmung der Grenze als Mittelwert der beiden Werte, zwischen denen die Antwort wechselt

• Mehrmalige Wiederholung des Verfahrens

• Schwellenwert = Mittelwert der Grenzwerte

Grenzverfahren (method of limits) Methode der eben-merklichen Unterschiede

Vor und Nachteile

Vorteile

• effizient; wenige trials und VP notwendig

Nachteile

• Aufwendiger Versuchsaufbau

• Adaption (Anpassung), Habituation (Gewöhnung)

• Erwartungsfehler - Ausweg: kurze Trials, Startpunkt variieren

Konstanz Verfahren (method of constant stimuli) Methode der richtigen und falschen Fälle

• Versuchsleiter präsentiert viele einzelne unterschiedliche Reize in zufälliger Reihenfolge

• VP reagiert auf jeden Reiz mit “Ja” (reiz vorhanden) oder “Nein” (Reiz nicht vorhanden)

• Die präsentierten Reize streuen in Stufen um die vermutete Schwelle herum

• Jede Reizstufe wird mehrmals dargeboten (mindestens 10x)

• Für jede Reizstufe wird der Prozentsatz der Ja-Antworten bestimmt

Neuere Methode: Methode der direkten Skalierung

• Die bisherigen Methoden sind indirekte Skalierungsmethoden:

  • Über Absolut- bzw. Unterschiedschwelle n wird der psycho-physische Zusammenhang indirekt erschlossen

• Eine Methode der direkten Skalierung stammt von S. S. Stevens

  • Magnitude Estimation (Verhältnisskalierung)

    • Man bietet der Testperson zunächst einen Standardreiz und weist diesem einen Zahlenwert zu (z.B. 10). Dann präsentiert man der VP verschiedene anderer Reize, denen die VP Nun ihrerseits ebenfalls eine Zahl zuweisen soll und zwar im Verhältnis zum Standardreiz (z.B. doppelter Intensität: 20; bzw. Bei halber Intensität 5)

  • Absolute Skalierung

    • Die Stimuli werden einem Beobachter präsentiert, der ihnen entsprechend der Stärke seiner subjektiven EMpfindung Zahllen zuordnet (z.B. zwischen 0 - 100

Problem bei der Schwellenbestimmung mittels Konstanzmethode:

Gibt es überhaupt eine eindeutig identifizierbare Schwelle?

Beispiel: Bestimmung der unteren Absolutschwelle für das Hören eines Tons bei. Zwei Perosnen

• Ist Max Hörvermögen (Sensitivität) tatsächlicher besser als das von Marie?

• Oder sagt er eher “ja” wenn er unsicher ist, ob er tatsächlich einen Ton gehört hat, während Marie dann eher “nein” sagt

→ verschiedene Entscheidungskriterium?

Wie kann man Antwortverhalten (Entscheidungskriterium) und Wahrnehmungsschwelle (Sensitivität) einer Person auseinanderhalten?

Grundannahme der Signalentdeckungstheorie

Das Antwortverhalten kann im Rahmen der Signalentdeckungstheorie unabhängig von der Detektionsleistung erfasst werden

• Bei einer Entdeckungsreise- bzw. Entscheidungsaufgabe hängen die Antworten immer voneinander unabhängigen Faktoren ab

  • Sensitivität

  • Antwortverhalten/Entscheidungskriterium (decision criterion)

• Empfindungen sind verrauscht; daher kann es sein, dass ein Reiz empfunden wird, obwohl kein physikalischer Reiz dargeboten wurde

• Weiterhin wird angenommen, dass die Empfindungsstärke einer Normalverteilung folgt

• Bei jeder (wahrnehmungs) Aufgabe (Entdeckungs-, Entscheidungsaufgabe) kommt es garish an das Signal vom Rauschen zu trennen

• Entscheidung ob nur Rauschen oder Signal+Rauschen vorliegt

• Die Leistungen von Personen unterscheiden sich danach ob sie

  • Ein konservatives Entscheidungskriterium c anlegen oder nicht

  • Wie gut das Signal Bonn Rausch trennen können sensitivitätskriterium d

• Die Signalentdeckungstheorie erlaubt die Schätzung von d und c als unabhängige Parameter

Grundannahme der Entdeckungstheorie d Sensitivitätskriterium

1. d´ d-Prime: Sensitivität des Beobachters

• Gibt an, wie gut der Beobachter Signal und Rauschen unterscheiden kann

• Abstand der Mittelwerte der zwei Verteilungen (Signal+Rauschen vs. Nur Rauschen) In Standardabweichungseinheiten

• Je größer d desto besser ist die Unterscheidungsfähigkeit

• Bei d=0 kann der Beobachter nicht zwischen Signal und Rauschen unterscheiden - rein zufällig

Grundannahme der SIgnalentdeckunngstheorie

c-Kriterium

2. C-Kriterium: Entscheidungskriterium des Beobachters

• Gibt an, wie streng oder liberal jemand entscheidet

• Abstand zwischen dem Mittelpunkt der Signal+Rauschen Verteilung und dem Kriterium

• Neutral: c = 0 → Keine Tendenz zu “ja” oder “nein”

• Liberal: c < 0 → sagt eher “Ja” → viele Treffer, aber auch viele falsche Alarme

• Konservativ: c > 0 → sagt eher “Nein” → wenige falsche Alarme, aber viele verpasser

Das Vierfelderschema einer Entdeckungs- bzw. Entscheidungsaufgabe

• Bei 100 Durchgänge insgesamt (50 mit Reiz und 50 ohne Reiz)

• Annahme: Empfindungsstärke du Normalverteilung sowohl bei rauschen als auch bei signal+rauschen

Warscheinlichkeitsverteilung der Empfindungsstärke wenn nur rauschen vorhanden ist

Einordnung liberal neutral und konservativ Entscheidungskriterium?

Signalentdeckungstheorie

• die beiden Parameter Sensitivität d´ und Entscheidungskriterium c sind unabhängig voneinander

• Durch experimentelle Manipulation kann man gezielt einen der Parameter beeinflussen:

  • D´ kann beeinflusst werden durch die Reizqualität → besseres Signal-Rausch-Verhältnis führt zur leichter entdeckbarem Reiz

  • C` kann beeinflusst werden durch die Instruktion → z.b. sage nur ja wenn du dir ganz sicher bist vs. Sage ja wenn du denkst dass ein Reiz dagewesen sein könnte

Wie kann man Antwortverhalten (Entscheidungskriterium) und Wahrnehmungsschwelle (Sensitivität) einer Person auseinanderhalten?

Die Signalentdeckungstheorie berücksichtigt Treffer und falsche Alarme bei der Aufgabe,

einen Reiz an der Wahrnehmungsschwelle zu erkennen.

Dies ermöglicht eine Abschätzung der Berurteilungsleistung unbeeinflusst vom Antwortverhalten (Beurteiler Bias)

Mittels des Signalentdeckungsmaßes d`

Webersches Gesetz

Experimente mit Gewichten: Wann merken VPn einen Unterschied?

Unterschiedschwelle (just noticeable difference JND)

• Gerade noch wahrnehmbarer Unterschied zwischen zwei Reizen

Webersches Gesetz in Worten

• Die Unterschied Schwelle steht in proportionaler Beziehung zur Reizintensität

Webersches Gesetz, mathematisch formuliert:

ΔS = k · S Oder: k = ΔS/S

k ist die Webersche Konstante

ΔS ist die JND - Reizunterschied (Differenz)

S ist die absolute Reizintensität

Die Webersche Konstante

• Die Webersche Konstante k ist bei verschiedenen Sinnesmodalitäten und verschiedenen Reizarten unterschiedlich

Weber Fechnersches Gesetz

• Allgemeine mathematische Beziehung zwischen physikalischer Reizintensität und Empfindungsstärke

• Erweiterung des Weberschen Gesetz

• Neben der Unterschiedschwelle wird auch als Absolutschwelle mit in die Gleichung aufgenommen

• Weber-Fechnersches Gesetz, mathematisch formuliert:

  • E ist dabei die Intensität der subjektiven Empfindung

  • k ist die Webersche Konstante

  • I ist die physikalische Reizintensität

  • I0 ist die Absolutschwelle

• Weber-Fechnersches Gesetz, in Worten formuliert:

  • Um einen linearen Zuwachs der Empfindungsstärke zu erzielen, ist ein exponentieller Anstieg der Reizintensität erforderlich

Weber Fechnersches Gesetz Beispiel

Problem und Lösung

Problem

• Gilt nur für mittlere Reizintensitäten

• Bei sehr schwachen Reizen in der Nähe der Absolutschwelle und bei starken Reizen nahe der Schmerzgrenze ist gilt die Weber Konstante nicht mehr

Lösung

• Formulierung eines verallgemeinerten Gesetzes

Stevensches Potenzgesetz

• Nach Stevens wird der Zusammenhang zwischen physikalischem reiz und Empfindung durch eine Potenzfunktion abgebildet

• E ist die Intensität der subjektivenEmpfindung

• S ist die physikalische Reizintensität (relativ zur Reizintensität an der Absolutschwelle)

• a ist eine Konstante (abhängig von der skalierten Maßeinheit)

• b ist eine Konstante (abhängig von Sinnesmodalität)

Weber-Fechnersches Gesetz ist nur ein Spezialfall des allgemeineren Steven‘schen Gesetzes:

b < 1 ist der Zusammenhang zwischen physikalischer Reizintensität und subjektiv wahrgenommener Reizintensität wie im Weber-Fechnerschen Gesetz beschrieben

Beispiel Helligkeitsempfindung: b = 0.33 Folgt dem Weber-Fechnerschen Gesetz

Weber-Fechnersches Gesetz ist nur ein Spezialfall des allgemeineren Steven‘schen Gesetzes:

Für b > 1 ist der Zusammenhang anders

Beispiel Empfindung eines elektrischen Schocks: b = 3.5

Hier steigt die subjektiv wahrgenommene Reizintensität überproportional zur physikalischen Reizintensität