Fizyka słyszenia i Psychoakustyka

Prezentacja na temat: "Fizyka słyszenia i Psychoakustyka"— Zapis prezentacji:

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

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

3 Anatomia słyszenia 3

4 Ucho zewnętrzne - rezonator + antena
Błona bębenkowa Małżowina Kanał słuchowy

5 Ucho środkowe - dopasowanie impedancji
Kosteczki

6 Ucho wewnętrzne - analiza widma
Kanały półkoliste (równowaga) Ślimak

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

8 Pomiary HRTF

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

10 Rezonatory

11 Rezonator /4

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

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

14 Impedancja akustyczna
Oporność falowa Impedancja powietrza: Impedancja wody:

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

16 Kosteczki są dźwigniami
Ścięgna Dźwignia zwiększa siłę nacisku o 30% Okienko

17 Zmiana powierzchni nacisku
Okienko Bębenek

18 Dopasowanie impedancji
Zmiana ciśnienia: Zmiana natężenia: W decybelach:

19 Efekt rogu

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

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

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

23 Teoria rezonancji Helmholtz’s (1857)
Jeden włosek odpowiada jednej częstotliwości rezonacji Włoski Analiza Fourierowska 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)

24 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)

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

26 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

27 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)

28 Maskowanie częstotliwości

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

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

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

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

33 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

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

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

36 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

37 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

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

39 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)

40 Rozdzielenie strumieni
Rożnica w częstotliwościach

41 Grupowanie strumieni x2 stereo barwa ton głośność obwiednia czasowa

42 Przechwycenie strumieni

43 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

44 Kompresja psychoakustyczna
Każde pasmo oddzielnie kwantyzowane

45 Graphical materials HOMEWORK EXERCISE BOARD EXERCISE
PROGRAMMING EXERCISE ORAL EXERCISE 45