Słuch i Psychoakustyka
advertisement
Fizyka słyszenia i Psychoakustyka dr inż. Michał Bujacz [email protected] 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/StaticReso 4 urces/health/hearing/images/normal_ ear.asp Ucho środkowe - dopasowanie impedancji Kosteczki http://www.nidcd.nih.gov/StaticReso 5 urces/health/hearing/images/normal_ ear.asp Ucho wewnętrzne - analiza widma Kanały półkoliste (równowaga) Ślimak http://www.nidcd.nih.gov/StaticReso 6 urces/health/hearing/images/normal_ ear.asp Ucho zewnętrzne - antena Małżowina - kluczowa w słyszeniu przestrzennym HRTF (head related transfer function) 7 Pomiary HRTF 8 Ucho zewnętrzne - rezonator Słuch jest najbardziej wyostrzony dla około 3,000 Hz 25-30mm 9 Rezonatory 10 http://www.allaboutcircuits.com Rezonator /4 f c 0,025m c 343m / s 4 0,03m 3400 Hz f 2850 Hz 11 Ucho zewnętrzne Słuch jest najbardziej wyostrzony dla około 3,000 Hz 25-30mm 2850Hz – 3400Hz 28mm ~ 3000Hz 12 Ucho środkowe Niedopasowanie impedancji między powietrzem na zewnątrz a płynem wewnątrz ucha Powietrze Płyn Bez ucha środkowego, prawie cała energia odbijałaby się 13 Impedancja akustyczna Oporność falowa Z v kg Impedancja powietrza: Z p 420 2 sm kg Impedancja wody: Z 1500000 w s m 2 14 Transmisja/odbicie mocy Współczynnik transmisji (1 - współczynnik odbicia) 2 Z wod Z pow 0.001 1 Z Z pow wod Ile to w decybelach? 10 log 10 0,001 30dB 15 Kosteczki są dźwigniami Ścięgna Dźwignia zwiększa siłę nacisku o 30% Okienko 16 http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/sound/imgsou/oss3.gif Zmiana powierzchni nacisku Okienko Bębenek 1 Ao Ab 19 17 http://www.ssc.education.ed.ac.uk/courses/pictures/hearing8.gif Dopasowanie impedancji Zmiana ciśnienia: Fo 19 pokienko 1.3 Fb 25 pb Ao Ab Zmiana natężenia: I~p 2 I okienko 625 I bebenek W decybelach: 10 log 10 625 28dB 18 Efekt rogu 19 Ucho wewnętrzne Konwerter fali mechanicznej na sygnały elektrochemiczne do mózgu okienko nerw słuchowy Ślimak analizuje widmo dźwięku 20 Ślimak 21 W. Yost, Fundamentals of Hearing (Academic Press, San Diego, 2000) Błona podstawowa ©Bill Milgram Tarcie włosków o wewnętrzną błonę pokrywającą pobudza neuroreceptory 22 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 F ( ) f (t ) e 2it dt http://www.vimm.it/cochlea/cochleapages/overview/helmholtz/helm.htm 23 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. 24 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 25 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 26 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) 27 Maskowanie częstotliwości 28 Badania pasm krytycznych Wyznaczanie charakterystyki pasma maskowania częstotliwościowego A A A sygnał sygnał B sygnał sygnał A SZUM SZUM f SZUM SZUM SZUM SZUM f f 29 Maskowanie w czasie „Znieczulenie” receptorów w błonie podstawowej ma pewną bezwładność ale skąd maskowanie wsteczne? 30 Postrzeganie sygnału w czasie Całkowanie sygnału (temporal integration) „Przeciekający” integrator: Wielokrotne oglądanie sygnału („Multiple looks”) 31 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 32 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 33 Postrzeganie głośności Neurony wzdłuż błony podstawowej wykazują różną czułość dla różnych częstotliwości 34 Nieliniowe skale percepcyjne Melowa, barkowa, ERB Interwały postrzegane jako taka sama względna zmiana wysokości dźwięku 35 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 36 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 37 Teoria percepcji gestalt (niem. „postać”) 1. 2. 3. 4. 5. 6. Proximity – bliskość Similarity – podobieństwo Closure – pełność Symmetry – symetria Common fate – wspólne pochodzenie Continuity – ciągłość 38 Percepcja gestalt w dźwiękach Bliskość 1. • • Podobieństwo 2. • • • 3. 4. 5. 6. w czasie w przestrzeni barwy częstotliwości głośności Harmoniczność (symetria) Ciągłość (bezwładność) Wspólne pochodzenie (inna zmienność, tło) Pełność (zapełnianie luk) 39 Rozdzielenie strumieni Rożnica w częstotliwościach 40 Grupowanie strumieni stereo x2 barwa ton głośność obwiednia czasowa 41 Przechwycenie strumieni 42 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 43 Kompresja psychoakustyczna Każde pasmo oddzielnie kwantyzowane 44 Ważenie decybeli A – standard ISO B,C – dźwięki o wysokim ciśnieniu D – hałas silników samolotowych 45 Zastosowanie ważonych decybeli 46
