Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Dwięk w multimediach Ryszard Gubrynowicz Wykład 10 1.

Podobne prezentacje


Prezentacja na temat: "Dwięk w multimediach Ryszard Gubrynowicz Wykład 10 1."— Zapis prezentacji:

1 Dwięk w multimediach Ryszard Gubrynowicz Wykład 10 1

2 2 Układ akustyczny odbiornik - ośrodek - źródło

3 Fala akustyczna 3

4 4 Parametry fali akustycznej długość fali ( = cT Założenie: ruch cząsteczek wokół położenia równowagi jest harmoniczny c – prędkość rozchodzenia się fali = c/f f – częstotliwość drgań T – okres drgań Lokalne maksymalne wzrosty ciśnienia-czoła fali

5 5 Model sprężysty ośrodka rozciąganie – naprężenie ujemne ściskanie – naprężenie dodatnie

6 6 Model sześcianu akustycznego Układ 3D – sześcian akustyczny

7 7 Drugie prawo Newtona w układzie 3D bezwładność - przyśpieszenie- masa elementu- ρ 0 dxdydz P 0 – ciśnienie równowagi

8 Prawo Hookea stwierdza: odkształcenie rozchodzące się w ośrodku oddziaływuje na ścianki sześcianu z ciśnieniem liniowo proporcjonalnym do zmian jego objętości. 8 Prawo Hookea V=dx dy dz – objętość przed odkształceniem du, dw, dv – zmiany wymiarów wzdłuż odpowiednio osi x, y, z Ciśnienie P odnosi się jedynie do nadwyżki ciśnienia w stosunku do ciśnienia równowagi p 0 w środowisku (ciśnienie atmosferyczne). Ciśnienie P nazywane jest ciśnieniem akustycznym.

9 9 Zmienne akustyczne Podczas rozchodzenia się dźwięku w powietrzu (lub dowolnym ośrodku sprężystym), w każdym punkcie przestrzeni występują mierzalne fluktuacje ciśnienia, prędkości, temperatury i gęstości. Fizyczny stan ośrodka można opisać jako zmiany (stosunkowo małe) wokół pewnego stanu równowagi opisany przez wartości średnie powyższych parametrów. W akustyce obiektem analiz są właśnie zmiany wartości parametrów wokół pewnych wartości średnich.

10 10 Zależności fizyczne Dla ośrodka idealnie sprężystego istnieje liniowa zależność między ciśnieniem akustycznym i zgęszczeniem lokalnym t.j. gdzie zgęszczenie lokalne s jest definiowane jako stosunek przyrostu gęstości s do gęstości średniej w miejscu obserwacji zaś K - współczynnikiem sprężystości objętościowej

11 11 Ciśnienie akustyczne Mierząc ciśnienie w określonym punkcie pola akustycznego otrzymamy przebieg jego zmian w czasie: Fala akustyczna Ciśnienie atmosferyczne

12 12 Amplituda fali akustycznej duża amplituda – dźwięk głośny mała amplituda – dźwięk cichy

13 13 Przebieg zmian ciśnienia w polu fali dźwiękowej wokół pewnej wartości średniej p atm = 1000 hPa 1 Pa = 1 N/m 2 Ciśnienie akustyczne jest łatwe do bezpośredniego zmierzenia za pomocą mikrofonu (pomiarowego!).

14 14 Ciśnienie fali akustycznej Ciśnienie fali akustycznej odnosi się jedynie do nadwyżki ciśnienia w stosunku do ciśnienia równowagi w ośrodku rozchodzenia się fali (np. w powietrzu będzie to ciśnienie atmosferyczne). Ciśnienie P nazywane jest ciśnieniem akustycznym, czyli P = p a.

15 15 fala podłużna – fala poprzeczna fala powierzchniowa

16 16 Energia niesiona przez dźwięk Amplituda jest bezpośrednio związana z intensywnością, która określa ilość energii akustycznej przepływającej przez powierzchnię 1 m 2. Mnożąc intensywność przez powierzchnię kuli można otrzymać wielkość mocy źródła (jest ona stała). Intensywność jest proporcjonalna do kwadratu ciśnienia skutecznego. Im większa jest intensywność dźwięku, tym jest odbierany jako głośniejszy. W polu idealnie rozproszonym intensywność dźwięku maleje odwrotnie proporcjonalnie do kwadratu odległości od źródła.

17 17 Zmniejszanie się poziomu dźwięku wraz ze wzrostem odległości od źródła

18 18 Ile energii niesie sygnał mowy? " osób mówiących bez przerwy przez 12 miesięcy wytworzy energię wystarczającą do zaparzenia zaledwie 1 filiżanki herbaty." Speech and Hearing in Communication - H. Fletcher,1953,1995 Sygnał mowy generowany przez mężczyznę niesie energię 34 W, przez kobietę – 18 W (pomiar w odległości 1 m)

19 19 Zakres intensywności dźwięków słyszalnych Minimalna intensywność dźwięku słyszalnego wynosi w przybliżeniu W/m 2. Intensywność dźwięku powodująca uszkodzenie słuchu – powyżej 1 W/m 2.

20 20 Głośność a intensywność dźwięków wywołujących wrażenie słuchowe Zakres dźwięków odbieranych od najcichszego do najgłośniejszego (tzw. próg bólu) jest jak 1 do (12 zer!!!). Wrażenie głośności jednak nie wzrasta liniowo ze wzrostem intensywności nie

21 21 Prawo Webera-Fechnera Z badań psycho- akustycznych prowadzonych nad postrzeganiem różnic w głośności dźwięków wynika, że zgodnie z prawem Webera- Fechnera głośność dźwięku jest liniowo proporcjonalna do logarytmu z wartości bodźca.

22 hPa Ciśnienie atmosferyczne =1 000 hPa Mowa (1m) ok dB Poziomy dźwięków słyszalnych

23 Wrażenie głośności a natężenie i częstotliwość tonu 23

24 Zależność wrażenia głośności dźwięku od częstotliwości (krzywe równej głośności) Dla 1000 Hz, fon = dB! Krzywe równej głośności są krzywymi uśrednionymi w grupie osób o normalnym słuchu Słuch jest mniej czuły na dźwięki o niskiej częstotliwości Czułość maksymalna słuchu jest w pobliżu częstotliwości 3-4 kHz i jest związana z rezonansem przewodu słuchowego i ucha środkowego 24

25 Łączna charakterystyka przenoszenia ucha zewnętrznego i środkowego 25

26 Czułość słuchu na zmiany poziomu i częstotliwości tonu 26

27 27 Zależność postrzeganej wysokości tonu od głośności dźwięku

28 28 Decybele A Składowe dźwięku są filtrowane zgodnie z charakterystyką równej głośności (odwróconą) w zakresie średnich poziomów (40 fonów) Eliminowane są przede wszystkim dźwięki z dolnego zakresu częstotliwości.

29 Poziom dźwięku uwzględniający charakterystykę częstotliwościową słuchu dB(A) 29

30 30 Porównanie wielkości dB i dBA Sygnał alarmu przeciwpożarowego – 71 dB 75 dBA Szum tła w hallu uniwersytetu - 70 dB 38 dBA różnica - 1 dB 27 dBA A więc pomiar w skali dB nie jest miarodajny dla oceny słyszalności dźwięków ostrzegawczych Szum tła jest niskoczęstotliwościowy !

31 Ocena subiektywna zmian głośności 31 Minimalne postrzegane zmiany poziomu dźwięku są bliskie 1 dB. Zmiana poziomu o 10 dB wywołuje wrażenie dwukrotnej zmiany głośności dźwięku.

32 Pole słyszenia 32

33 Zakres słyszenia mowy i muzyki 33

34 Co wpływa na jakość brzmienia dźwięku stacjonarnego ? 1.Liczba i amplitudy harmonicznych 2.Składowe nieharmoniczne 3.Wysokość i zmiany tonu podstawowego 4. Tony różnicowe (zwiększają słyszalność tonu podstawowego) 5. Pasma krytyczne i maskowanie (formanty) 34

35 Percepcja przestrzeni 35

36 Uginanie się czoła fali wokół głowy – źródło fali jest punktowe 36

37 Przestrzenna lokalizacja źródła dźwięku 37 Przestrzenna lokalizacja - subiektywna ocena położenia źródła dźwięku w przestrzeni (kierunku i odległości) przez osobę znajdującą się w polu rozchodzącej się wokół niego fali akustycznej. - percepcja w przestrzeni otwartej - percepcja w przestrzeni zamkniętej (z odbiciami)

38 2 aspekty lokalizacji źródła 38 1) Korelacja między postrzeganym i rzeczywistym położeniem źródła dźwięku 2) Wykrywalność minimalnych zmian położenia źródła

39 Czułość przestrzenna 39 Na współrzędne kierunku – lewo – prawo Współrzędne podniesienia – góra – dół Współrzędne odległości – od obserwatora Słuchacze na ogół dość dobrze lokalizują położenie źródeł dźwięku znajdujących się na wprost nich, gorzej gdy są one z boku lub z tyłu głowy. Lokalizacja dwuuszna - monouszna W monousznej – decydujący jest fakt, że małżowina i głowa wpływają na charakterystykę częstotliwościową odbieranych dźwięków.

40 Trzy współrzędne słyszenia przestrzennego 40

41 Płaszczyzny lokalizacji źródła Zmysł słuchu jest wszechkierunkowy, aczkolwiek dźwięki z różnych kierunków nie są jednakowo odbierane Płaszczyzny analizy lokalizacji dźwięków: Płaszczyzna horyzontalna (na poziomie uszu) Płaszczyzny pionowe 41

42 Współrzędne sferyczne w przestrzeni 42 Kąt azymutalny Kąt biegunowy źródło

43 Wright Patterson Air Force Base - Dayton 43 Średnica kuli - 5 m, 277 głośników

44 Ocena subiektywna położenia źródła dźwięku 44 = rzeczywiste położenie = oszacowane położenie

45 45 Percepcja odległości

46 46 Percepcja odległości

47 Czynniki wpływające na ocenę odległości od źródła 47 Znajomość głośności znajomych źródeł Barwa dźwięku znanych źródeł (częstotliwości tonów wysokich są silniej tłumione w powietrzu, co powoduje zmianę barwy dźwięku przy oddalaniu się od jego źródła uwypuklenie czoła fali dźwiękowej stosunek natężenia dźwięku bezpośredniego do dźwięków odbitych doświadczenie słuchowe i wiązanie zjawisk akustycznych z obserwacjami wzrokowymi

48 Lokalizacja źródła dźwięku w płaszczyźnie poziomej (horyzontalnej) 48

49 Cień akustyczny 49 Gdy rozmiary głowy są porównywalne z długością fali, lub większe, powstaje wskutek odbić tzw. cień akustyczny od strony głowy, przeciwnej do strony padania fali dźwiękowej

50 Lokalizacja źródła dźwięku Poziom dźwięku docierającego do lewego ucha jest większy, niż do prawego. ILD– międzyuszna różnica poziomów jest podstawą do ustalania kierunku, z którego dociera fala dźwiękowa. Drugim elementem pomocnym w lokalizacji jest ITD– międzyuszna różnica czasu. Jednakże skuteczność lokalizacji w oparciu o pierwszy lub drugi parametr zależy od częstotliwości fali. 50

51 Rozkład poziomów intensywności (dBA) mowy wokół głowy Osoba mówiąca znajduje się w odległości ok. 90 cm od słuchacza, który obracając głowę może modyfikować różnicę poziomów fali docierającej do lewego i prawego ucha o ±1÷1.5 dBA/30 0 obrotu głowy względem mówcy. 51

52 Międzyuszna różnica poziomów przy zmianie kąta położenia źródła Część energii niesiona przez falę dźwiękową jest pochłaniana/odbijana przez głowę, wskutek czego powstaje cień akustyczny, to jest obszar o zmniejszonym poziomie energii, w wyniku efektu ekranującego głowy. 52

53 Ocena kąta położenia źródła na podstawie oceny różnicy poziomu (ILD) 53 ILD- - interaural level difference

54 Dlaczego dla dostatecznie niskich częstotliwości różnica poziomów ILD staje się niezauważalna ? 54

55 Międzyuszna różnica poziomów 55 Pełny sygnał zmniejszony sygnał Dla niskich częstotliwości za głową nie ma cienia akustycznego, ponieważ rozmiary głowy są znacznie mniejsze od długości fali λ. Zakres długości fal słyszalnych – od 2.15 cm do 17 m

56 Międzyuszna różnica poziomu (ILD) Międzyuszna różnica poziomów zależy od kąta padania, i również od częstotliwości fali. Te o wysokiej częstotliwości ulegają mniejszemu ugięciu, a więc i cień akustyczny wokół głowy jest większy, niż w przypadku fal o niskiej częstotliwości. Dla głowy o średnicy ok. 17 cm, cień ten jest pomijalnie mały dla f 3000 Hz różnica jest istotna. 56

57 Zależność różnicy poziomów natężenia (ILD) od kąta azymutalnego i częstotliwości fali dźwiękowej 57

58 Pomiary różnicy poziomów ILD od kąta azymutalnego i częstotliwości 58

59 Częstotliwościowa zależność ILD dla kąta Hz – 1 dB 1100 Hz – 4 dB 4200 Hz – 5 dB Hz – 6 dB Hz – 10 dB

60 Również i dla niskich częstotliwości fali dźwiękowej obserwuje się zdolność słuchacza do określenia położenia źródła, ale mechanizm jest inny. 60

61 Międzyuszna różnica czasu ITD 61

62 Zależność różnicy czasu ITD od kierunku padania fali 62

63 Jak obliczyć ITD ? 63 Różnica w czasie wynikająca z różnicy długości dróg d od źródła do lewego i prawego ucha (<1,3 kHz) : d = rθ + rsin(θ) r – promień głowy (8 cm) θ – kąt ustawienia źródła, dla θ=30 0 (π/6), ITD=0.24 ms (dla prędkości fali 344 m/s)

64 Różnica czasu dla niskich częstotliwości 64 Uwzględniając różnicę dróg ugięcia czoła fali kulistej na kuli o promieniu a, różnica czasu ITD t jest określona wzorem: a– promień głowy, ok. 8,75 cm; c – prędkość rozchodzenia się fali, cm/s = 763 s dla α=90 0

65 Gdy fala dźwiękowa o zadanej częstotliwości dociera do (prawego) ucha określona grupa komórek rzęskowych (te związane z tą częstotliwością) jest pobudzona do wyładowań Transformacja dźwięku na pobudzenia impulsowe w neuronach : Komórki te generują ciągi impulsów stało- fazowe (phase-locked) względem fazy sygnału pobudzającego. Ta fala dociera z pewnym opóźnieniem do lewego ucha. W wyniku tego powstaje przesunięcie fazy między impulsami z lewego i prawego ucha. Ciągi impulsów w lewym uchu są również stało-fazowe. 65 Różnica w czasach wyładowań ~kąt azymutalny

66 Każdy neuron jest pobudzany z obu uszu. Z powodu różnic długości aksonów pobudzenia docierają do neuronu w różnym czasie. Neuron działa jak detektor koincydencji i wyładowuje tylko w momentach, gdy docierają do niego jednocześnie oba impulsy. Korelator z linią opóźniającą: => Każdy neuron koduje określoną międzyuszną różnicę czasów. 66

67 Korelacja: Ciąg impulsów lewego ucha Ciąg impulsów prawego ucha Opóźnienie czasowe Detekcja koincydencji Uśrednienie po czasie 67

68 Fizjologia percepcji ITD i ILD (w pniu mózgu) Fig 10.5 medial superior olive (MSO) przyśrodkowe jądro oliwki górnej – oblicza różnicę czasów z sygnałów neuronów czułych na ITD lateral superior olive (LSO) boczne jądro oliwki górnej – oblicza różnicę z sygnałów neuronów czułych na ILD 68

69 Czasy ITD dla wybranych kątów azymutalnych 69


Pobierz ppt "Dwięk w multimediach Ryszard Gubrynowicz Wykład 10 1."

Podobne prezentacje


Reklamy Google