Fizyka słyszenia i Psychoakustyka dr inż. Michał Bujacz bujaczm@p.lodz.pl Godziny przyjęć: środa 10:00-11:00 czwartek 14:00-15:00 „Lodex” 207

Psychoakustyka dziedzina nauki zajmująca się związkami pomiędzy falami dźwiękowymi docierającymi do uszu słuchacza (bodźcem) a subiektywnymi odczuciami słuchającego (wrażeniem) 2

Anatomia słyszenia 3

Ucho zewnętrzne - rezonator + antena Błona bębenkowa Małżowina Kanał słuchowy http://www.nidcd.nih.gov/StaticResources/health/hearing/images/normal_ear.asp

Ucho środkowe - dopasowanie impedancji Kosteczki http://www.nidcd.nih.gov/StaticResources/health/hearing/images/normal_ear.asp

Ucho wewnętrzne - analiza widma Kanały półkoliste (równowaga) Ślimak http://www.nidcd.nih.gov/StaticResources/health/hearing/images/normal_ear.asp

Ucho zewnętrzne - antena Małżowina - kluczowa w słyszeniu przestrzennym HRTF (head related transfer function) 7

Pomiary HRTF

Ucho zewnętrzne - rezonator Słuch jest najbardziej wyostrzony dla około 3,000 Hz 25-30mm

Rezonatory http://www.allaboutcircuits.com

Rezonator /4

Ucho zewnętrzne Słuch jest najbardziej wyostrzony dla około 3,000 Hz 25-30mm 2850Hz – 3400Hz 12

Ucho środkowe Niedopasowanie impedancji między powietrzem na zewnątrz a płynem wewnątrz ucha Powietrze Płyn Bez ucha środkowego, prawie cała energia odbijałaby się

Impedancja akustyczna Oporność falowa Impedancja powietrza: Impedancja wody:

Transmisja/odbicie mocy Współczynnik transmisji (1 - współczynnik odbicia) Ile to w decybelach?

Kosteczki są dźwigniami Ścięgna Dźwignia zwiększa siłę nacisku o 30% Okienko http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/sound/imgsou/oss3.gif

Zmiana powierzchni nacisku Okienko Bębenek http://www.ssc.education.ed.ac.uk/courses/pictures/hearing8.gif

Dopasowanie impedancji Zmiana ciśnienia: Zmiana natężenia: W decybelach:

Efekt rogu

Ucho wewnętrzne nerw słuchowy okienko Ślimak analizuje widmo dźwięku Konwerter fali mechanicznej na sygnały elektrochemiczne do mózgu nerw słuchowy okienko Ślimak analizuje widmo dźwięku

Ślimak W. Yost, Fundamentals of Hearing (Academic Press, San Diego, 2000)

Błona podstawowa ©Bill Milgram Tarcie włosków o wewnętrzną błonę pokrywającą pobudza neuroreceptory W. R. Zemiln, Speech and Hearing Science (Allyn and Bacon, Boston, 1998)

Teoria rezonancji Helmholtz’s (1857) Jeden włosek odpowiada jednej częstotliwości rezonacji Włoski Analiza Fourierowska http://www.vimm.it/cochlea/cochleapages/overview/helmholtz/helm.htm H. von Helmholtz, On the sensations of tone as a physiological basis for the theory of music, (translated by A. J. Ellis) (Longmans, Green, and Co., London, 1895)

Podróżująca fala Po latach badań wykazano że włoski wyczuwają amplitudę fali podróżującej wzdłuż błony podstawowej. E. G. Wever, Theory of Hearing (Wiley, New York, 1949)

Podróżująca fala Amplituda fali osiąga maksimum w różnych miejscach błony podstawowej w zależności od częstotliwości

Selektywność częstotliwościowa Równoległy odbiór sygnałów wzdłuż całej błony podstawowej umożliwia jednoczesną reakcję na różne częstotliwości w sygnale dźwiękowym Tłumaczy to również wiele dalszych zjawisk psychoakustycznych jak maskowanie i zróżnicowane postrzeganie głośności

Pasma krytyczne Aktywność neuronów odpowiadających jednej częstotliwości, tłumi aktywność sąsiadujących Im wyższa częstotliwość i głośność składowej, tym szersze tłumienie dookoła Modelowane jako filtry pasmowo przepustowe, dla wąskiej grupy częstotliwości ( 8% częstotliwości środkowej)

Maskowanie częstotliwości

Badania pasm krytycznych Wyznaczanie charakterystyki pasma maskowania częstotliwościowego SZUM f A sygnał f A sygnał B sygnał A SZUM f A sygnał

Maskowanie w czasie „Znieczulenie” receptorów w błonie podstawowej ma pewną bezwładność ale skąd maskowanie wsteczne?

Postrzeganie sygnału w czasie Całkowanie sygnału (temporal integration) Wielokrotne oglądanie sygnału („Multiple looks”) „Przeciekający” integrator: The Oxford Handbook of Auditory Science

Rozdzielczość czasowa Minimalna rozdzielczość czasowa: 2-3ms (wykrycie luki w szumie) 20ms – rozróżnienie następujących po sobie początków sygnałów 200ms – rozróżnienie końców sygnałów

Rozdzielczość częstotliwościowa Just-noticeable difference (JND) Poniżej 1000Hz wynosi 3Hz dla sinusoid, 1-2Hz dla złożonych tonów Powyżej 1000Hz wynosi 0.6% częstotliwości. <1% ludzi posiada słuch absolutny – bezwzględne rozróżnianie tonów

Postrzeganie głośności Neurony wzdłuż błony podstawowej wykazują różną czułość dla różnych częstotliwości

Nieliniowe skale percepcyjne Melowa, barkowa, ERB Interwały postrzegane jako taka sama względna zmiana wysokości dźwięku

Postrzeganie wzorów czasowych i strumieni Teoria strumieni dźwiękowych Bregmana (1978) rozróżnia pojęcia „źródła” i „strumienia” dźwięku Źródło – fizyczne zjawisko wywołujące akustyczną falę ciśnienia Strumień – percepcyjne zjawisko które interpretuje grupę kolejnych lub jednoczesnych dźwięków jako spójną całość, dochodzącą z jednego źródła

Teoria strumieni dźwiękowych Poszerzenie teorii Gestalt do dziedziny akustyki Ludzie mają tendencję grupować to co postrzegają w obiekty, a ich dźwiękowym odpowiednikiem są tzw. strumienie dźwiękowe Dwa ważne zagadnienia: łączenie strumieni i rozdzielanie strumieni

Teoria percepcji gestalt (niem. „postać”) Proximity – bliskość Similarity – podobieństwo Closure – pełność Symmetry – symetria Common fate – wspólne pochodzenie Continuity – ciągłość

Percepcja gestalt w dźwiękach Bliskość w czasie w przestrzeni Podobieństwo barwy częstotliwości głośności Harmoniczność (symetria) Ciągłość (bezwładność) Wspólne pochodzenie (inna zmienność, tło) Pełność (zapełnianie luk)

Rozdzielenie strumieni Rożnica w częstotliwościach

Grupowanie strumieni x2 stereo barwa ton głośność obwiednia czasowa

Przechwycenie strumieni

Zastosowania psychoakustyki Kompresja dźwięku (kodery percepcyjne) Parametry systemów audio Ewaluacja akustyki pomieszczeń Sprzęt rehabilitacyjny dla osób z częściową utratą słuchu Dźwiękowe interfejsy, w tym w urządzeniach dla niewidomych

Kompresja psychoakustyczna Każde pasmo oddzielnie kwantyzowane

Graphical materials HOMEWORK EXERCISE BOARD EXERCISE PROGRAMMING EXERCISE ORAL EXERCISE 45