1
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
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