Ryszard Gubrynowicz Ryszard.Gubrynowicz@pjwstk.edu.pl Dwięk w multimediach Ryszard Gubrynowicz Ryszard.Gubrynowicz@pjwstk.edu.pl Wykład 10
Układ akustyczny odbiornik - ośrodek - źródło Trzy zasadnicze działy tematyczne będące przedmiotem wykładów DSM: akustyka mowy (z podstawami akustyki), propagacja dźwięku w otoczeniu (ośrodku), budowa narządu słuchu i percepcja dźwięku.
Fala akustyczna
Parametry fali akustycznej Lokalne maksymalne wzrosty ciśnienia-czoła fali długość fali (l) l = cT c – prędkość rozchodzenia się fali T – okres drgań l= c/f f – częstotliwość drgań Założenie: ruch cząsteczek wokół położenia równowagi jest harmoniczny
Model sprężysty ośrodka rozciąganie – naprężenie ujemne ściskanie – naprężenie dodatnie
Model sześcianu akustycznego Układ 3D – sześcian akustyczny
Drugie prawo Newtona w układzie 3D P0 – ciśnienie równowagi masa elementu- ρ0dxdydz przyśpieszenie- bezwładność -
Prawo Hooke’a Prawo Hooke’a stwierdza: odkształcenie rozchodzące się w ośrodku oddziaływuje na ścianki sześcianu z ciśnieniem liniowo proporcjonalnym do zmian jego objętości. 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 p0 w środowisku (ciśnienie atmosferyczne). Ciśnienie P nazywane jest ciśnieniem akustycznym.
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.
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
Ciśnienie akustyczne Mierząc ciśnienie w określonym punkcie pola akustycznego otrzymamy przebieg jego zmian w czasie: Ciśnienie atmosferyczne Fala akustyczna
Amplituda fali akustycznej duża amplituda – dźwięk głośny mała amplituda – dźwięk cichy
Przebieg zmian ciśnienia w polu fali dźwiękowej wokół pewnej wartości średniej patm = 1000 hPa 1 Pa = 1 N/m2 Ciśnienie akustyczne jest łatwe do bezpośredniego zmierzenia za pomocą mikrofonu (pomiarowego!).
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 = pa.
fala podłużna – fala poprzeczna fala powierzchniowa
Energia niesiona przez dźwięk W polu idealnie rozproszonym intensywność dźwięku maleje odwrotnie proporcjonalnie do kwadratu odległości od źródła. Amplituda jest bezpośrednio związana z intensywnością, która określa ilość energii akustycznej przepływającej przez powierzchnię 1 m2. 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.
Zmniejszanie się poziomu dźwięku wraz ze wzrostem odległości od źródła
Ile energii niesie sygnał mowy? " . . . 500 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)
Zakres intensywności dźwięków słyszalnych Minimalna intensywność dźwięku słyszalnego wynosi w przybliżeniu 10-12 W/m2. Intensywność dźwięku powodująca uszkodzenie słuchu – powyżej 1 W/m2.
Głośność a intensywność dźwięków wywołujących wrażenie słuchowe Zakres dźwięków odbieranych od najcichszego do najgłośniejszego (tzw. próg bólu) jest jak 1 do 1 000 000 000 000 (12 zer!!!). Wrażenie głośności jednak nie wzrasta liniowo ze wzrostem intensywności nie
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.
Poziomy dźwięków słyszalnych 100 hPa Ciśnienie atmosferyczne =1 000 hPa Mowa (1m) ok. 70-75 dB
Wrażenie głośności a natężenie i częstotliwość tonu
Zależność wrażenia głośności dźwięku od częstotliwości (krzywe równej głośności) Czułość maksymalna słuchu jest w pobliżu częstotliwości 3-4 kHz i jest związana z rezonansem przewodu słuchowego i ucha środkowego Krzywe równej głośności są krzywymi uśrednionymi w grupie osób o normalnym słuchu Słuch jest mniej czuły na dźwięki o niskiej częstotliwości Dla 1000 Hz, fon = dB!
Łączna charakterystyka przenoszenia ucha zewnętrznego i środkowego
Czułość słuchu na zmiany poziomu i częstotliwości tonu
Zależność postrzeganej wysokości tonu od głośności dźwięku
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.
Poziom dźwięku uwzględniający charakterystykę częstotliwościową słuchu dB(A)
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 !
Ocena subiektywna zmian głośności Minimalne postrzegane zmiany poziomu dźwięku są bliskie 1 dB. Zmiana poziomu o 10 dB wywołuje wrażenie dwukrotnej zmiany głośności dźwięku.
Pole słyszenia
Zakres słyszenia mowy i muzyki
Co wpływa na jakość brzmienia dźwięku stacjonarnego ? Liczba i amplitudy harmonicznych Składowe nieharmoniczne Wysokość i zmiany tonu podstawowego 4. Tony różnicowe (zwiększają słyszalność tonu podstawowego) 5. Pasma krytyczne i maskowanie (formanty)
Percepcja przestrzeni
Uginanie się czoła fali wokół głowy – źródło fali jest punktowe
Przestrzenna lokalizacja źródła dźwięku 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)
2 aspekty lokalizacji źródła 1) Korelacja między postrzeganym i rzeczywistym położeniem źródła dźwięku 2) Wykrywalność minimalnych zmian położenia źródła
Czułość przestrzenna 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.
Trzy współrzędne słyszenia przestrzennego
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 zacji
Współrzędne sferyczne w przestrzeni Kąt azymutalny Kąt biegunowy źródło
Wright Patterson Air Force Base - Dayton Średnica kuli - 5 m, 277 głośników
Ocena subiektywna położenia źródła dźwięku = rzeczywiste położenie = oszacowane położenie
Percepcja odległości
Percepcja odległości
Czynniki wpływające na ocenę odległości od źródła 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
Lokalizacja źródła dźwięku w płaszczyźnie poziomej (horyzontalnej)
Cień akustyczny 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
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.
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/300 obrotu głowy względem mówcy.
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.
Ocena kąta położenia źródła na podstawie oceny różnicy poziomu (ILD) ILD- - interaural level difference
Dlaczego dla dostatecznie niskich częstotliwości różnica poziomów ILD staje się niezauważalna ?
Międzyuszna różnica poziomów Pełny sygnał zmniejszony 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
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< 500 Hz (λ=68 cm). Dla f>3000 Hz różnica jest istotna.
Zależność różnicy poziomów natężenia (ILD) od kąta azymutalnego i częstotliwości fali dźwiękowej
Pomiary różnicy poziomów ILD od kąta azymutalnego i częstotliwości
Częstotliwościowa zależność ILD dla kąta 300 300 Hz – 1 dB 1100 Hz – 4 dB 4200 Hz – 5 dB 10 000 Hz – 6 dB 15 000 Hz – 10 dB
Również i dla niskich częstotliwości fali dźwiękowej obserwuje się zdolność słuchacza do określenia położenia źródła, ale mechanizm jest inny.
Międzyuszna różnica czasu ITD
Zależność różnicy czasu ITD od kierunku padania fali
Jak obliczyć ITD ? Różnica w czasie wynikająca z różnicy długości dróg d od źródła do lewego i prawego ucha (<1,3 kHz) : d = r∙θ + r∙sin(θ) r – promień głowy (8 cm) θ – kąt ustawienia źródła, dla θ=300 (π/6), ITD=0.24 ms (dla prędkości fali 344 m/s)
Różnica czasu dla niskich częstotliwości Uwzględniając różnicę dróg ugięcia czoła fali kulistej na kuli o promieniu a, różnica czasu ITD Dt jest określona wzorem: a– promień głowy, ok. 8,75 cm; c – prędkość rozchodzenia się fali, 34 400 cm/s = 763 ms dla α=900
Transformacja dźwięku na pobudzenia impulsowe w neuronach : Gdy fala dźwiękowa o zadanej częstotliwości dociera do (prawego) ucha określona grupa komórek rzęskowych (te związane z tą częstotliwością) jest pobudzona do wyładowań 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. Różnica w czasach wyładowań ~kąt azymutalny
Korelator z linią opóźniającą: 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. => Każdy neuron koduje określoną międzyuszną różnicę czasów.
Korelacja: Uśrednienie po czasie Detekcja koincydencji Ciąg impulsów lewego ucha Ciąg impulsów prawego ucha Opóźnienie czasowe
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
Czasy ITD dla wybranych kątów azymutalnych