subjektivni osećaj zvuka i fiziologija čula...
TRANSCRIPT
Fiziološka akustika
Subjektivni osećaj zvuka
Anatomija i fiziologija čula sluha
Prof. dr Vlado Delić, okt. 2013.
2
Uloge u životu čoveka
opstanak
čuje zvuk sa svih strana,
čak i kad spava
sporazumevanje
govor, muzika, sirena
alternative: pismo
i pantomima
Glas bolje izražava (a uho oseća)
pol i starost, raspoloženje, smisao i značenje
3
Čulo sluha
Oseti i razlikuje k-ke zvuka koje potiču od
izvora
sistema prenosa
akustičkog ambijenta
na mestu generisanja i na mestu prijema
Složen i osetljiv mehanizam
prijemnik zvuka (kao mikrofon)
filtar i analizator zvuka – u zajednici sa mozgom
sistem za obradu podataka (kao računar)
4
Šta uho razlikuje?
nivo
visinu
boju
intenzitet signala
osnovni harmonik
oblik obvojnice spektra
Uho ne razlikuje fazu.
Fizičke karakteristike zvuka,
na osnovu kojih uho uočava ove razlike,
izražene su u spektru audio-signala.
5
Demonstracija jačine zvuka
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 10000
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Frekvencija [Hz]
Am
plitu
da
loud 0loud 1loud 2
6
Osećaj jačine zvuka
Zavisi od jačine fizičke pobude i spektra
Koliki je prag čujnosti? 1010 puta manji od atmosferskog pritiska
odgovara pomerajima čestica vazduha od 10-11 m
nivo pomeraja toplotnog kretanja molekula vazduha
da je osetljivije uho bi čulo ovaj šum i šum krvotoka nema živih bića sa još osetljivijim čulom sluha (?)
Kolika je granica bola? pomeraji čestica od 10-5 m
pomeraji organa čula sluha su bolni
dinamički opseg
veći od mnogih uređaja za snimanje i reprodukciju zvuka
Hz) 1000 (na Pa102 5
0
p
dB12010log20log20 6
0
max p
p
7
Demonstracija visine tona
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 10000
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
Frekvencija [Hz]
Am
pli t
uda
Pitch 0
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 10000
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
0.45
0.5
Am
pli t
uda
Frekvencija [Hz]
Pitch 1
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 10000
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
Am
pli t
uda
Frekvencija [Hz]
Pitch 2
8
Osećaj visine tona
Zavisi od frekvencije signala
ocenjuje se kao niži ili viši
Zapaža se samo kod zvučnih signala (ne šum)
tonovi muzičkih instrumenata i vokali ljudskog glasa
periodični signali imaju diskretan (linijski) spektar
osnovna frekvencija i viši harmonici
Osnovni harmonik ocena visine tona
čak i kad ne postoji (npr. izvan opsega reprodukcije)
Sazvučje 2 tona (interval), 3 tonova (akordi)
harmonični (1:2, 2:3, 3:4) i disharmonični (npr. 8:9)
9
Demonstracija boje zvuka
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 10000
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Frekvencija [Hz]
Am
pli t
uda
Timber 0
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 10000
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
Frekvencija [Hz]
Am
p lit
uda
Timber 2
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 10000
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
Frekvencija [Hz]
Am
pli t
uda
Timber 1
10
Osećaj boje zvuka
Vezan za obvojnicu spektra
različite amplitude harmonika
Uho je frekvencijski analizator
nezavisno analizira svaku spektralnu komponentu
spektralna analiza se vrši kontinuirano u vremenu
Spektralna analiza se vrši u okviru tzv. kritičnih
opsega – oko najjače pobude
Prostorija i ambijent
dopunjuju boju zvuka brojnim refleksijama
doprinose zvučnom reljefu – osećaju udaljenosti izvora
12
Osećaj promene zvuka
Promene zvuka u vremenu i prostoru
bogatstvo i raznovrsnost zvučnih utisaka
Promene u vremenu: elementi muzike
promena visine tona:
promena jačine zvuka:
sukcesivno naglašavanje:
13
Šum (i buka)
Akustičke pojave
impulsi, trenje, udari
konsonanti
usviravanje orkestra
Kontinualan spektar
ne postoji osnovna
učestanost
Razlikujemo
jačinu
boju
Buka (posebna tema)
izvori, putevi prostiranja
merenje i analiza
zaštita od buke
Anatomija i fiziologija
slušnih organa
Spoljašnje, srednje i unutrašnje uho
Osećaj visine tona (frekvencija i pič)
Osećaj jačine zvuka (dB, foni i soni)
Binauralna lokalizacija i zvučni reljef
15
Anatomija i fiziologija slušnih
organa
Od 19 veka u radovima
Oma
Helmholca
Anatomija
Fiziologija
J
K
16
Poprečni presek uha
Slušne koščice
Bubna opna
Pužasto teloKohlea
Presek kroz uho
Ušna školjka
Slušni kanal
sp
oljašnje
sred
nje
unu
trašn
je
17
Poprečni presek uha (spoljašnje)
Slušne koščice
Bubna opna
Pužasto teloKohlea
Presek kroz uho
Ušna školjka
Slušni kanal
2.5 cm 0.4 cm2
pritsak
pritsak
pritsak
zatvoren krajotvoren kraj
l c k
f 4
1 2
prilagođenje po snazi
na 1 kHz
Ušna školjka:
pojačava
fr. 3-5 kHz
za 15-20 dB
Šaka iza uva pojačava još 5-10 dB
Slušni kanal:
pojačava
fr. 3-4 kHz
za oko 12 dB
a fr. oko 7 kHz
za svega 3 dB
18
Poprečni presek uha (srednje)
Slušne koščice
Bubna opna
Pužasto teloKohlea
Presek kroz uho
Ušna školjka
Slušni kanal
transformator za prilagođenje
vazduh
limfa
p
v
21
Pužasto telo – Kohlea
Kohlea
Taktorijalna
membrana
Unutrašnjetrepljaste
ćelijeSpoljašnjetrepljaste
ćelije
Slušni nerv
Bazilarnamembrana
Kohlea
Frekvencija
Položaj
Ovalni otvor Bazilarnamembrana
Poprečni presek
22
Kortijev organ
Ćelije na bazilarnoj
membrani
spoljnje i unutrašnje
Tektorijalna membrana
nalazi se iznad ćelija
23
Oštećenje čula sluha zbog
buke
Dijagnoza:
Oštećenje cilijarnih
stanica Cortijevog
organa zbog uticaja
buke.
Oštećenje je ireverzibilno
i uzrokuje oko 40%
gubitka sluha.
25
Kako čujemo?
Spoljašnje uho
Srednje uho
Kohlearni fluidi Unutrašnje trepljaste
ćelije
Slušni nerv
zvuk 16 kHz
50 Hz
35 mm0
Fre
kven
cija
Položaj0 1 2 3 4
02
0-2
0-4
0-6
0
Frekvencija kHz
Am
pli
tuda
dB
26
Frekvencijska osa u akustici
Udvostručavanje visine tona
50, 100, 200, 400, 800, 1600 Hz
čujemo kao promenu za isti interval (linearno)
iako je promena u hercima sve veća
Osećaj visine tona srazmeran je logaritmu fr. visina tona log f
frekvencijska osa je u logaritamskoj razmeri
Podela frekvencijske ose
oktava (2:1), 12 polutonova ( , po 6%)
poluton nije najmanja promena koju uho zapaža
06,1212
Uho čuje
logaritamski !
27
Osećaj promene visine tona U
hu p
rim
etn
e p
rom
ene
fek
ven
cije
850 segmenata
bazilarne membrane
32 mm po 37 m.
Mel vs. Hz skala:
- ista do 500 Hz
- posle logaritamska
Mel skala je linearna
duž bazilarne
membrane.
Radna grupa ćelija
bazilarne membrane
- oko 100 mela.
28
Pič =
subjektivni osećaj frekvencije
Ton iste frekvencije različito se doživljava ako je tiši ili glasniji pič
Povećanjem intenziteta pič se pomera na gore kod viših frekvencija
jači zvuk izgleda viši
pič se pomera na dole kod nižih frekvencija
pojačavanjem disharmoničnog zvuka 168 i 318 Hz počinje da se čuje kao harmoničan ton 150 i 300 Hz
Pič se vezuje za melodijsku skalu kriva Mel-Hz kao pozicije Hz na bazilarnoj membrani
Pič od 1000 mela = frekvenciji od 1000 Hz samo za nivo od 60 dB
29
Jačina (nivo) zvuka
čujemo logaritamski
zavisi od frekvencije
zavisi od dužine trajanja
najniži pritisak p0= 2*10-5 Pa
dinamički opseg 120 dB
Weber–Fechner-ov zakon
00
log10log20J
J
p
pSPL
35
Jačina (nivo) zvuka
čujemo logaritamski
zavisi od frekvencije
zavisi od trajanja - dB za objektivnu jačinu
- fon za subj. (fonometri)
- korekcione kke A, B i C
za subj. osećaj jačine
38
dB i foni
dB – objektivni nivo zvuka
fon – subjektivni nivo zvuka (izofonske linije)
isto što i dB ali samo na 1 kHz
Duplo više izvora 3 dB viši nivo
Nivo viši za 10 dB ocenjuje se kao duplo jači
neki tvrde da je to 6 dB
39
Koliku promenu nivoa osetimo
Tiše tonove treba više
promeniti da bi opazili
Na 1 kHz
za tihe treba L oko 3 dB
za glasne dovoljno 0,25 dB
Na 35 Hz
za tihe treba L čak 9 dB
40
Promena glasnoće Broj izvora zvuka Promena
pritiska
Osnovna glasnoća 1
Jedva glasnije
+ 1 dB 1,1
Čujno glasnije
+ 3 dB 1,4
Duplo glasnije
+ 10 dB 3
Četiri puta glasnije
+ 20 dB 10
41
Prigušen razgovor, tiha muzika, buka u gradskom stanu...
Vrlo mirna okolina, buka gledalaca za vreme predstave...
Vrlo mirna bašta izvan grada...
Šuštanje lišća pri najslabijem vetru...
40
30
20
10
Gradski saobraćaj, bučan restoran, kupe u vagonu, daktilo biro...
Pisaća mašina, usisivač, radio, kancelarija...
Normalan govor, mirna ulica u gradu...
70
60
50
Avionska kabina, orkestar (forte), bučna radionica...
Jaka vika, teretni auto na 5 m, jak saobraćaj, bučne radionice...
90
80
Avionski motor (klipni) na rastojanju 3, eksplozija na 250 m rastojanja...
Parni čekić, kompresorska bušilica na rastojanju 2 m...
Motocikl bez prigušivača na 10 m rastojanja, buka u fabričkoj tkačnici...
120
110
100
Mirn
oN
orm
aln
oB
učn
oV
rlo bučn
o
Nivo buke u fonima
http://www.bruitparif.fr/en/soundscapes
42
Jačina (nivo) zvuka
čujemo logartitamski
zavisi od frekvencije
zavisi od dužine trajanja
sinusoide na 500 Hz
350 ms 100 ms
43
Percepcija glasnosti
u funkciji trajanja
Vremenska konstanta
uha je 100 ms
kraj obrade za 200 ms
Kraći zvuci moraju biti
glasniji
zvuk od 3 ms za 15 dB
Problem razumevanja
konsonanata (5-15 ms)
osetljivi na buku i
reverberaciju
44
Kriva frekvencijskog
maskiranja- principijelni izgled
Uho ne može registrovati
zvukove ispod ucrtane
granice maskiranja
sporije opada ka višim frek.
Prag čujnosti pomera se
naviše u zoni oko
pobudne frekvencije
Oblik krive se donekle
menja u zavisnosti od
frekvencije i intenziteta
maskirajućeg tona
48
Lokalizacija izvora zvuka
Vremenska razlika između levog i desnog uha
fazne razlike – dominiraju do 1 kHz
Razlika u glasnoći levog i desnog uha zbog
zasenjivanja glave i ušnih školjki
razlike u intenzitetu – dominiraju iznad 1 kHz
49
Zakon prvog talasnog fronta
Prvo se čuje direktan zvuk, a potom refleksije
Ako je vremenska razlika između dva signala na mestu slušaoca veća od 1 ms
pozicija slušnog doživljaja zavisi od pozicije izvora čiji signal je prvi stigao do slušaoca
drugi izvor postaje irelevantan u smislu lokalizacije
Eksperiment sa govorom
stereo postavka zvučnika
dozirano kašnjenje i intenzitet iz drugog zvučnika
slušalac javlja kada opazi “refleksiju”
50
Fuzija audio signala
Nakon direktnog zvuka
uho prikuplja refleksije još 20-30 ms
rane refleksije doprinose intenzitetu zvuka
stiče utisak o
zvučnom izvoru – lokacija i dr. i
ambijentu – koliko brzo iščezava zvuk
Refleksije koje kasne za više od 50 ms
čuju se kao eho ili odjek (jeka)
51
Odjek (jeka)
Ako kašnjenje prekorači neku gornju granicu
nastaju dva slušna doživljaja – odjek (jeka)
njihove pozicije zavise od pozicija izvora
Prag jeke nema oštru granicu (kašnjenja)
kreće se između 35 i 50 ms
zavisi od vrste i glasnosti signala, i smera upada
povećanjem glasnosti prag se smanjuje,
tj. odjek se uočava kod manjeg kašnjenja
Najvažnija pitanja za ispit
Percepcija zvuka
Koje karakteristike zvuka uho razlikuje?
osećaj niva, visine i boje
Da li je uho podjednako osetljivo na svim frekvencijama?
Koje su granice radnog opsega čula sluha?
skicirati prag čujnosti i bola
Zašto su u akustici frekven-cijska i amplitudska osa u logaritamskoj razmeri?
Čulo sluha
Koji su delovi čula sluha?
Kako uho vrši frekvencijsku
analizu zvuka?
objasniti rad bazilarne membrane
Objasniti dB i fone (primeri).
Šta se dešava sa sluhom kad
čovek stari?
Objasniti efekat maskiranja
zvuka.
Kako čulo sluha opaža pravac
iz kog dolazi zvuk? 52