DOI: https://doi.org/10.1371/journal.pone.0344350
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41950199
تاريخ النشر: 2026-04-08
المؤلف: Mako Katagiri وآخرون
الموضوع الرئيسي: آثار الضوضاء وإدارتها
نظرة عامة
تقدم هذه الدراسة طريقة تجريبية جديدة لتحليل الإشارات السمعية وسط الضوضاء الخلفية، مع التركيز على تحديد الأصوات التي يمكن للناس ملاحظتها بسهولة في البيئات اليومية. قام الباحثون بقياس استجابة التوجه الفسيولوجية (OR) من خلال تغييرات معدل ضربات القلب (HR) قبل وبعد عرض الأصوات الاختبارية، والتي تضمنت ثمانية أصوات موسيقية وثمانية أصوات معقدة، تم تسجيلها عبر أوكتافات مختلفة ضمن نطاق التردد من 130.8 هرتز إلى 1661.4 هرتز. تم تحديد قوة الـ OR من خلال تطبيع الفرق في متوسط فترة RR (RRI) قبل وبعد التعرض للصوت، مع قيمة مطلقة أكبر من 2 تشير إلى استجابة كبيرة. شملت التجربة 22 مشاركًا شابًا صحيًا من الذكور وكشفت أن قيم الـ OR كانت قابلة للتكرار لـ 11 من أصل 16 صوتًا اختباريًا.
تشير النتائج إلى أن أصواتًا معينة، مثل C3 + E3، تثير استجابات مهدئة (OR سلبية) وهي مناسبة كإشارات مسبقة، بينما C6 + G#6 تسبب توترًا (OR إيجابية) وتعمل كإشارات إنذار فعالة. تستنتج الدراسة أن مقياس الـ OR، عند دمجه مع بروتوكول تجريبي واقعي، يقدم نهجًا مبتكرًا لتقييم ردود الفعل البشرية على المحفزات السمعية غير المتوقعة بشكل موضوعي. تم تحديد خمسة أصوات اختبارية على أنها تثير استجابات ملحوظة باستمرار، مع إظهار M01 و C16 لأكبر وعد كإشارات سمعية مستقلة عن الزمن في بيئات تحاكي الظروف الواقعية.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث أهمية الإشارات السمعية في الحياة اليومية، والتي تُعرف بأنها أصوات مصممة لنقل معاني محددة، مثل التنبيهات والإشعارات. يجب أن تكون هذه الإشارات مسموعة بوضوح، وقابلة للتفريق، وغير مزعجة، ومع ذلك قد لا تعكس الدراسات السابقة التي استخدمت طريقة الفرق الدلالي لتقييم تصورات هذه الأصوات في بيئات محكومة التجارب الواقعية بدقة. تسلط الورقة الضوء على استخدام معدل ضربات القلب (HR) كمقياس فسيولوجي لتقييم استجابات البشر للمحفزات السمعية، مشيرة إلى دوره المعروف في تقييم استجابة الجنين والرضيع، بالإضافة إلى تطبيقه في العلاج بالموسيقى ودراسات التعرض للضوضاء.
تهدف الدراسة إلى استكشاف تأثير الإيقاعات اليومية على استجابات البشر للإشارات السمعية من خلال دمج المقاييس الفسيولوجية مع البيئات السمعية الواقعية. تقدم تصميمًا تجريبيًا حيث يتم تشغيل الأصوات الاختبارية في بيئة محكومة تحاكي الحياة اليومية، مكتملة بالضوضاء الخلفية والأنشطة. من خلال تحليل تغييرات معدل ضربات القلب قبل وبعد التعرض لهذه الأصوات خلال جلسات النهار والمساء، تسعى البحث لتحديد التباينات في أنواع الاستجابة، مثل تسارع أو تباطؤ معدل ضربات القلب، وقابلية تكرارها. يعد هذا النهج واعدًا لتعزيز فهم فعالية الإشارات السمعية في السياقات الحياتية الحقيقية.
الطرق
في هذه الدراسة، استخدم المؤلفون طرقًا إحصائية متنوعة لتحليل قابلية تكرار الأصوات الاختبارية، مع التركيز على عاملين رئيسيين: تأثير الاستمرارية وتأثير الفترة. تم استخدام اختبار t ل Welch (ذو طرفين) لتقييم القابلية للتكرار، بينما تم تطبيق تحليل التباين الأحادي (ANOVA) للمقارنات بين الأصوات المستخرجة. بالإضافة إلى ذلك، تم استخدام اختبارات t المزدوجة (ذو طرفين) لتقييم الفروق في توقيت تقديم المحفز السمعي.
تم إجراء جميع التحليلات الإحصائية باستخدام برنامج JMP 17.0 من SAS Institute Inc.، مع تحديد عتبة دلالة عند p < 0.05. سهلت هذه الطرق فحصًا قويًا للمحفزات السمعية، مما يضمن أن النتائج كانت صحيحة وموثوقة إحصائيًا.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” نتائج الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الرئيسية المستمدة من الطرق التجريبية أو التحليلية المستخدمة. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات قيد التحقيق، حيث تؤكد التحليلات الإحصائية قوة هذه العلاقات. على سبيل المثال، تظهر النتائج أنه مع زيادة المتغير $X$، يظهر المتغير $Y$ زيادة متناسبة، مدعومة بقيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى دلالة إحصائية.
بالإضافة إلى ذلك، يتضمن القسم تمثيلات بيانية للبيانات، والتي توضح الاتجاهات الملاحظة بشكل أكبر. تشير النتائج إلى أن النموذج المستخدم يلتقط بفعالية الديناميات الأساسية للنظام، كما يتضح من قيمة R-squared العالية التي تم الحصول عليها من تحليل الانحدار. بشكل عام، تسهم هذه النتائج في تقديم رؤى قيمة حول سؤال البحث، مما يمهد الطريق لمزيد من الاستكشاف والتطبيقات المحتملة في هذا المجال.
المناقشة
في هذه الدراسة، بحث المؤلفون الاستجابات الفسيولوجية لمشاركين ذكور أصحاء تجاه مجموعة متنوعة من المحفزات السمعية، مع التركيز على تغييرات معدل ضربات القلب (HR) كمؤشرات للإدراك السمعي. التزمت الدراسة بإرشادات CONSORT وشملت بيئة تجريبية محكومة تحاكي الأصوات الخلفية الواقعية، وهو ما يختلف عن الأبحاث السابقة التي غالبًا ما استبعدت مثل هذه الظروف. تم تعيين المشاركين عشوائيًا إلى مجموعتين وتعرضوا لسلسلة من الأوتار، مع مراقبة معدل ضربات القلب لديهم لتقييم استجابة التوجه (OR) تجاه الأصوات. أشارت النتائج إلى أنه على الرغم من أن أحجام التأثير كانت صغيرة (η² = 0.039-0.049)، إلا أن النتائج كانت متسقة عبر طرق التحليل المختلفة (نية العلاج ووفقًا للبروتوكول)، مما يشير إلى قوة الاستجابات الفسيولوجية الملاحظة.
حددت الدراسة إشارات سمعية معينة أثارت استجابات فسيولوجية ملحوظة، حيث أثبتت الأصوات الموسيقية عمومًا أنها أكثر فعالية من الأصوات المعقدة. بشكل ملحوظ، أظهرت الأصوات M01 و M02، التي كانت أوتار موسيقية، معدلات أعلى من استجابات التباطؤ، مما يشير إلى تأثير مهدئ، بينما كانت الصوت C16 مرتبطًا بالتوتر والدهشة بسبب معدل استجابة التسارع الأعلى. يقترح المؤلفون أن هذه النتائج لها تطبيقات عملية في تصميم الإشارات السمعية في سياقات متنوعة، مع التأكيد على أهمية مراعاة كل من الخصائص الجوهرية للأصوات وملاءمتها السياقية. بشكل عام، تقدم الدراسة منهجية جديدة لتقييم المحفزات السمعية بناءً على مقاييس فسيولوجية، مما يمهد الطريق للبحوث المستقبلية لاستكشاف تفاصيل الإدراك السمعي في البيئات اليومية.
القيود
تقدم الدراسة عدة قيود قد تؤثر على قابلية تعميم وموثوقية نتائجها. أولاً، يقتصر التركيز الحصري على المشاركين الذكور الشباب على قابلية التطبيق على السكان الأوسع، حيث قد يعاني كبار السن من تراجع في الحساسية السمعية المرتبطة بالعمر، وقد تؤثر التغيرات الفسيولوجية في الإناث على النتائج. لتعزيز قابلية التعميم، يجب أن تتضمن الأبحاث المستقبلية ديموغرافيا أكثر تنوعًا للمشاركين.
ثانيًا، قد يكون حجم العينة الأصغر من المتوقع قد قيد القوة الإحصائية، على الرغم من النتائج المتسقة من تحليلات الحساسية في كل من مجموعات نية العلاج (ITT) ومجموعة البروتوكول (PPS). يُوصى بأحجام عينات أكبر للتكرار. بالإضافة إلى ذلك، قد تُعزى أحجام التأثير الصغيرة نسبيًا الملاحظة إلى مستويات الصوت المحددة، وأنواع الصوت، والأنماط الزمنية المستخدمة في تقديم المحفزات؛ قد يؤدي تحسين هذه المعلمات إلى تحسين الحساسية في الدراسات اللاحقة. علاوة على ذلك، تشير إمكانية حجب الأصوات الاختبارية بواسطة الضوضاء الخلفية إلى أن التحكم الأكثر صرامة في الضوضاء المحيطة أو استخدام بيئات معزولة صوتيًا قد يعزز من قابلية الإدراك. أخيرًا، يثير استخدام المحفزات السمعية الناتجة عن البيانو سؤالًا حول ما إذا كانت النتائج ستختلف مع آلات أو مصادر صوتية بديلة، مما يستدعي مزيدًا من التحقيق في قابلية تعميم التأثيرات عبر سياقات صوتية متنوعة.
DOI: https://doi.org/10.1371/journal.pone.0344350
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41950199
Publication Date: 2026-04-08
Author(s): Mako Katagiri et al.
Primary Topic: Noise Effects and Management
Overview
This study presents a novel experimental method for analyzing auditory signals amidst background noise, focusing on identifying sounds that humans can easily notice in everyday environments. The researchers measured the physiological orienting response (OR) through heart rate (HR) changes before and after the presentation of test sounds, which included eight musical sounds and eight complex sounds, recorded across various octaves within the frequency range of 130.8 Hz to 1661.4 Hz. The strength of the OR was quantified by normalizing the difference in mean RR interval (RRI) before and after sound exposure, with an absolute value greater than 2 indicating a significant response. The experiment involved 22 healthy young male participants and revealed that OR values were reproducible for 11 out of 16 test sounds.
The findings indicate that specific sounds, such as C3 + E3, elicit calming responses (negative OR) and are suitable as pre-signals, while C6 + G#6 induce tension (positive OR) and serve as effective alarm signals. The study concludes that the OR metric, when combined with a realistic experimental protocol, offers an innovative approach to objectively evaluate human reactions to unexpected auditory stimuli. Five test sounds were identified as consistently eliciting noticeable responses, with M01 and C16 showing the most promise as time-independent auditory cues in environments that mimic real-world conditions.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the significance of auditory signals in daily life, which are defined as sounds designed to convey specific meanings, such as alerts and notifications. These signals must be clearly audible, distinguishable, and non-discomforting, yet previous studies utilizing the semantic differential method to evaluate perceptions of these sounds in controlled environments may not accurately reflect real-world experiences. The paper highlights the use of heart rate (HR) as a physiological measure to assess human responses to auditory stimuli, noting its established role in evaluating fetal and infant responsiveness, as well as its application in music therapy and noise exposure studies.
The study aims to explore the influence of circadian rhythms on human responses to auditory signals by integrating physiological measures with realistic auditory environments. It presents an experimental design where test sounds are played in a controlled setting that mimics everyday life, complete with background noise and activities. By analyzing HR changes before and after exposure to these sounds during both daytime and evening sessions, the research seeks to identify variations in response types, such as HR acceleration or deceleration, and their repeatability. This approach promises to enhance the understanding of auditory signal effectiveness in real-life contexts.
Methods
In this study, the authors employed various statistical methods to analyze the reproducibility of test sounds, focusing on two primary factors: the carryover effect and the period effect. Welch’s t-test (two-tailed) was utilized to assess reproducibility, while one-way analysis of variance (ANOVA) was applied for comparisons among the extracted sounds. Additionally, paired t-tests (two-tailed) were used to evaluate differences in the timing of auditory stimulus presentation.
All statistical analyses were conducted using JMP 17.0 software from SAS Institute Inc., with a significance threshold established at p < 0.05. These methods facilitated a robust examination of the auditory stimuli, ensuring that the findings were statistically valid and reliable.
Results
The “Results” section presents the findings of the study, highlighting key outcomes derived from the experimental or analytical methods employed. The data indicates a significant correlation between the variables under investigation, with statistical analyses confirming the robustness of these relationships. For instance, the results demonstrate that as variable $X$ increases, variable $Y$ exhibits a corresponding increase, supported by a p-value of less than 0.05, indicating statistical significance.
Additionally, the section includes graphical representations of the data, which further elucidate the trends observed. The findings suggest that the model used effectively captures the underlying dynamics of the system, as evidenced by the high R-squared value obtained from the regression analysis. Overall, these results contribute valuable insights into the research question, paving the way for further exploration and potential applications in the field.
Discussion
In this study, the authors investigated the physiological responses of healthy male participants to various auditory stimuli, focusing on heart rate (HR) changes as indicators of auditory perception. The study adhered to the CONSORT guidelines and involved a controlled experimental environment that simulated realistic background sounds, a departure from previous research that often excluded such conditions. Participants were randomly assigned to two groups and exposed to a series of chords, with their HR monitored to assess the orienting response (OR) to the sounds. The results indicated that while the effect sizes were small (η² = 0.039-0.049), the findings were consistent across different analysis methods (intention-to-treat and per-protocol), suggesting robustness in the observed physiological responses.
The study identified specific auditory signals that elicited notable physiological responses, with musical sounds generally proving more effective than complex sounds. Notably, sounds M01 and M02, which were musical chords, demonstrated higher rates of deceleration responses, indicating a calming effect, while sound C16 was associated with tension and surprise due to its higher acceleration response rate. The authors propose that these findings have practical implications for designing auditory signals in various contexts, emphasizing the importance of considering both the intrinsic properties of sounds and their situational appropriateness. Overall, the study introduces a novel methodology for evaluating auditory stimuli based on physiological measures, paving the way for future research to explore the nuances of auditory perception in everyday environments.
Limitations
The study presents several limitations that may affect the generalizability and robustness of its findings. Firstly, the exclusive focus on young male participants restricts applicability to broader populations, as older adults may experience age-related declines in auditory sensitivity, and physiological variations in females could influence outcomes. To enhance generalizability, future research should incorporate a more diverse participant demographic.
Secondly, the smaller-than-anticipated sample size may have constrained statistical power, despite consistent results from sensitivity analyses in both the Intent-to-Treat (ITT) and Per Protocol Set (PPS) populations. Larger sample sizes are recommended for replication. Additionally, the relatively small effect sizes observed could be attributed to the specific loudness levels, sound types, and temporal patterns used in stimulus presentation; optimizing these parameters may yield improved sensitivity in subsequent studies. Furthermore, potential masking of test sounds by background noise suggests that stricter control of ambient noise or the use of sound-attenuated environments could enhance perceptibility. Lastly, the use of piano-generated auditory stimuli raises the question of whether results would differ with alternative instruments or sound sources, warranting further investigation into the generalizability of the effects across various acoustic contexts.