1

Fizyka słyszenia i

Psychoakustyka

dr inż. Michał Bujacz

[e-mail]

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

http://www.nidcd.nih.gov/Stat
icResources/health/hearing/i
mages/normal_ear.asp

Błona bębenkowa

Małżowina

Kanał słuchowy

5

Ucho środkowe
- dopasowanie
impedancji

http://www.nidcd.nih.gov/Stat
icResources/health/hearing/i
mages/normal_ear.asp

Kosteczki

6

Ucho wewnętrzne
- analiza widma

http://www.nidcd.nih.gov/Stat
icResources/health/hearing/i
mages/normal_ear.asp

Ślimak

Kanały półkoliste
(równowaga)

7

Ucho zewnętrzne -
antena

Małżowina - kluczowa w
słyszeniu przestrzennym

HRTF (head related transfer
function)

8

Pomiary HRTF

9

Ucho zewnętrzne -
rezonator

Słuch jest najbardziej
wyostrzony dla około 3,000
Hz

25-
30mm

10

Rezonatory

http://www.allaboutcircuits.com

11

Rezonator /4



c

f 

s

m

c

/

343



m

m

03

,

0

4

025

,

0







Hz

f

Hz

2850

3400





12

Ucho zewnętrzne

Słuch jest najbardziej
wyostrzony dla około 3,000
Hz

25-
30mm

Hz

mm 3000

~

28

2850Hz – 3400Hz

13

Ucho środkowe

Powietrz
e

Płyn

Niedopasowanie impedancji między powietrzem na
zewnątrz a płynem wewnątrz ucha

Bez ucha środkowego, prawie cała energia odbijałaby
się

14

Impedancja akustyczna

Oporność falowa

Impedancja powietrza:

Impedancja wody:

v

Z



















2

420

m

s

kg

Z

p













2

1500000

m

s

kg

Z

w

15

Transmisja/odbicie
mocy

001

.

0

1

2

























pow

wod

pow

wod

Z

Z

Z

Z



Współczynnik transmisji
(1 - współczynnik odbicia)

Ile to w decybelach?

dB

30

001

,

0

log

10

10





16

Kosteczki są
dźwigniami

Ścięgna

Dźwignia zwiększa
siłę nacisku o 30%

Okienko

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/sound/imgsou/oss3.gif

17

Zmiana powierzchni
nacisku

http://www.ssc.education.ed.ac.uk/courses/pictures/he
aring8.gif

Bębenek

Okienko

b

o

A

A

19

1



18

Zmiana ciśnienia:

Zmiana natężenia:

W decybelach:

Dopasowanie
impedancji

b

b

b

o

o

okienko

p

A

F

A

F

p

25

19

3

.

1











2

~p

I

bebenek

okienko

I

I



625

dB

28

625

log

10

10



19

Efekt rogu

20

Ucho wewnętrzne

Konwerter fali mechanicznej na
sygnały elektrochemiczne do mózgu

okienko

nerw
słuchowy

Ślimak analizuje widmo dźwięku

21

Ślimak

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

22

Błona podstawowa

Tarcie włosków o
wewnętrzną
błonę
pokrywającą
pobudza
neuroreceptory

W. R. Zemiln, Speech and Hearing Science (Allyn and Bacon, Boston, 1998)

©Bill Milgram

23

Teoria rezonancji
Helmholtz’s (1857)

Jeden włosek odpowiada jednej częstotliwości rezonacji

Analiza
Fourierowska

Włoski

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)

dt

e

t

f

F

t

i





















2

)

(

)

(

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

f

A

sygnał B

sygnał A

SZUM

f

A

sygnał

SZUM

SZUM

f

A

sygnał

SZUM

SZUM

SZUM

Wyznaczanie charakterystyki pasma
maskowania częstotliwościowego

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”)

1.

Proximity – bliskość

2.

Similarity – podobieństwo

3.

Closure – pełność

4.

Symmetry – symetria

5.

Common fate – wspólne pochodzenie

6.

Continuity – ciągłość

39

Percepcja gestalt w
dźwiękach

1.

Bliskość

•

w czasie

•

w przestrzeni

2.

Podobieństwo

•

barwy

•

częstotliwości

•

głośności

3.

Harmoniczność (symetria)

4.

Ciągłość (bezwładność)

5.

Wspólne pochodzenie (inna zmienność, tło)

6.

Pełność (zapełnianie luk)

40

Rozdzielenie strumieni

Rożnica w częstotliwościach

41

Grupowanie strumieni

x2

stere
o

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

Ważenie decybeli

A – standard ISO
B,C – dźwięki o
wysokim ciśnieniu
D – hałas silników
samolotowych

46

Zastosowanie ważonych
decybeli