close

Enter

Log in using OpenID

02 Fiziološka i psihološka akustika (PDF 5897 KB)

embedDownload
7.10.2013.
FIZIOLOŠKA I
PSIHOLOŠKA
SVE JE U GLAVI…
AKUSTIKA
‘The sensation of a sound is a thing sui generis, not
comparable with any of our other senses...Directly or
indirectly, all questions connected with this subject must
come for decision to the ear,...and from it there can be no
appeal’.
1896, Lord Rayleigh, The Theory of Sound
(Strutt, 1896, na prvoj stranici knjige)
‘Students of evolution in the animal world tell us that
the ear was the last of the sense organs to arrive; it is
beyond question the most intricate and the most
wonderful’.
1 Uvod u el ektroakustiku
2 Fi zi ološka i psihološka akustika
3 Buka i karte buke
4 Akus tika prostorija
5 Mi krofoni
6 El ektrodinamički zvučnici
7 Zvučni ci u kutiji i filtri
8 Poja ča la s nage
9 Di gi talna elektroakustika
10 Ana l ogno i digitalno snimanje zvuka
11 Projektiranje sustava ozvučenja
12 Mjerenja u elektroakustici
Sir James Jeans, Science & Music
(Cambridge University Press, 1937,
posljednja stranica knjige)
Ozren Bilan
2011
7.10.2013
2
ŠTO JE ZVUĈNA SLIKA ?
Koje su funkcije sluha ?
Konstrukcija elektroakustičkih uređaja, posebno projektiranje algoritama
sažimanja digitalnih signala ili problemi prostorne akustike ne mogu se rješavati
bez poznavanja svojstava uha.
Kao tjelesni organ uho nije samo vrlo osjetljivi mikrofon koji reagira na pomak
bubnjida, proporcionalan 1/10 promjera najmanjeg atoma, ili na udar samo jedne
molekule zraka, ved uz korteks predstavlja
Uz sve navedene osobine, neki put vrlo ga je lako oštetiti ili zavarati. Dovoljno je
da kukac uđe u uho i nastaju problemi sa sluhom.
Ozren Bilan
Pri slušanju zvuka, prva posljedica je pobuda čula sluha, a krajnji rezultat
percepcije je složeni utisak (čujna senzacija). Fiziološki i biološki mehanizmi
osjeta sluha su posrednici, dok percepcija nastaje u svijesti onoga tko sluša i
naziva se zvučna slika.
FIZIKA
ZVUČNO
POLJE
 frekvencijski analizator spektra,
 određivač smjera izvora zvuka,
 indikator glasnode, visine i boje tona,
 indikator amplitudnih, faznih i harmonijskih izobličenja te
 vrlo precizni davač informacije o položaju u prostoru.
7.10.2013
Ozren Bilan
U PDF inačici nisu vidljive animacije
3
ANATOMIJA I FIZIOLOGIJA
CENTRALNI
NERVNI
SUSTAV
UHO
PSIHOLOGIJA
ZVUČNA
SLIKA
U zvučnom polju informacije su kodirane vremenskom funkcijom zvučnog tlaka.
Nakon niza mehaničkih i elektrokemijskih procesa, te prijenosa informacija u
korteks i obrade nastaje svijest o onome što smo čuli. Zvučna slika je pojam
psihologije i ne može se objektivno izmjeriti, a vrednujemo je samo temeljem
opisa slušatelja.
audio sustav formira zvučne slike primjenom tehnologije.
7.10.2013
Ozren Bilan
4
Ozren Bilan
6
Audio korteks
je pored uha
Kako nastaje zvuĉna slika?
ZVUČNA SLIKA
7.10.2013
Ozren Bilan
5
7.10.2013
1
7.10.2013.
unutrašnje srednje vanjsko uho
GraĊa uha
Glavni dijelovi uha su
 vanjsko,
 srednje i
 unutrašnje uho.
Vanjsko uho sastoji se od
 uške,
 zvukovoda i
 bubnjida.
7.10.2013
Ušna školjka i zvukovod čine lijevak koji pojačava
zvuk na srednjim frekvencijama. Istovremeno,
oblik uške zasjenjuje visoke tonove koji dolaze iza
glave. Nabori i udubine uške imaju vrlo veliki
efekt pri slušanju, ali o tome više u poglavlju o
fazi. Ušna školjka, zajedno sa zvukovodom čini
vrlo složeni rezonantni sistem.
Najviša osjetljivost ljudskog uha određena je
rezonancijom cijevi zvukovoda. Vršna vrijednost je
na frekvenciji od oko 3700 Hz, na tjelesnoj
temperaturi, a odgovara dužini zvukovoda od 2.4
cm.
U prostoru srednjeg uha, na jednoj strani naslonjene na bubnjid, nalaze se tri
slušne kosti: čekid, nakovanj i stremen (malleus, incus i stapes). Srednje uho
putem Eustahijeve cijevi, površine presjeka od 0.1 cm2 do 0.5cm2, spojeno je
s usnom šupljinom. Tako se izjednačava unutrašnji i vanjski statički tlak da se
ne bi oštetio bubnjid. Concha ima veliku ulogu pri lokalizaciji izvora.
Kako bi se spriječio ulazak kukcima, u zvukovodu
su dlačice okrenute prema van. Istoj svrsi služe i
voštana tvar - cerumen koju izlučuju posebne
žlijezde. Hodanje kukca po bubnjidu može trajno
uništiti sluh.
Ozren Bilan
7
7.10.2013
Ozren Bilan
8
Izgled bubnjića
3D model uha
Presjek uha s povedanim prikazom bubnjida, slušnih kostiju
i pužnice s polukružnim kanalima
7.10.2013
Ozren Bilan
9
7.10.2013
10
Koja je funkcija srednjeg uha?
Model titranja bubnjića
os rotacije
Ako je pomak bubnjida isti kao i pomak
čestica zvučnog vala onda možemo
izračunati pomak bubnjida za svaku
zvučnu razinu i frekvenciju relacijom:
pV
pT
tlak na
bubnjiću
(ZRAK)
Proračun pomaka čestice i bubnjida
7.10.2013
Ozren Bilan
Ozren Bilan
11
tlak u scala
vestibuli
(TEKUĆINA)
Zvučna snaga na
ovalnom prozoru
Funkcija srednjeg uha je transformiranje impedancije. Model pretpostavlja stapno djelovanje bubnjida i ovalnog
prozora, a slušne kosti djeluju kao sustav poluga, koje rotiraju u ravnini slike oko osi.
Površina bubnjida ATM je veda od površine ovalnog prozora AOW, zbog čega nastaje povedanje tlaka pV/pT = ATM/AOW.
Razlika u dužini čekida i nakovnja dodatno povedava tlak za omjer poluga LM/LI te smanjuje brzinu za isti iznos. Ukupni
odnos tlakova onda je ATMLM/AOWLI. Odnos površina je 10–40, a odnos poluga 1.2–2.5 kod sisavaca. Promjena
impedancije je odnos tlaka i brzine, ATM/AOW(LM/LI)2, što iznosi za čovjeka 29.
To je manje od idealne vrijednosti zrak-pužnica (oko 135) ali je još uvijek poboljšanje od 15 dB. Kada bi uho bilo oko 10
7.10.2013
Ozren Bilan gibanja molekula zraka.
12
dB osjetljivije,
čuli bi smo stalni šum uslijed detekcije Braunovog
2
7.10.2013.
Presjek pužnice
Sustav ograniĉenja dinamike
Srednje uho
Slušne kosti ovješene su u šupljini srednjeg uha s 8 ligamenata, od kojih su dva mišidi.
Prvi pri kontrakciji napinje bubnjid, a drugi pri kontrakciji mijenja os vrtnje stremena.
Prvi mišid (tensor tympani) pri glasnodama
iznad 90 do 100 dB napinje bubnjid, što
smanjuje amplitudu titranja, posebno na
frekvencijama ispod 20 Hz.
čekić
Drugi mišid (tensor stapedius) na glasnodama
vedim od 60 dB, povlači vrh stremena, pa
stremen ne tlači na ovalni prozor cijelom
svojom površinom, nego dijelom tlači, a
dijelom se ugiba.
nakovanj
Unutrašnje uho sastoji se od polukružnih kanala, predvorja i
pužnice. Polukružni kanali su sustav ravnoteže, a predvorje je
dio unutrašnjeg uha ispred pužnice.
Pužnica je najsloženija konstrukcija u ljudskom tijelu i nalazi se
u najtvrđem dijelu lubanje tj. najtvrđem dijelu kosti ljudskog
tijela. Savijena je u obliku puževe kudice, s 2.5 do 2.75 zavoja
koštano-hrskavičnih stjenki, debljine 1-2 mm. Ukupna dužina
pužnice je oko 30 mm, a promjer osnovice oko 3.3 mm.
stremen
Slušne kosti relativno su velike mase pa se uho ne pobuđuje govorom. Njihov ukupan
efekt je smanjenje prijenosa zvuka i do 30 dB. Mišidi se lako mogu aktivirati puhnemo
li u uho ili dodirivanjem ušne školjke.
7.10.2013
Ozren Bilan
13
7.10.2013
Pojednostavljeni model uha
Ozren Bilan
14
Opiši slušni proces
dužina pužnice je oko 30 mm, a promjer osnovice oko 3.3 mm
Za analizu slušnog procesa osnovni uvjet je poznavanje građe uha. Međutim, sa stajališta
fiziologa ne može se sa sigurnošdu odgovoriti o svim aspektima slušnog procesa. Prije svega,
potrebno je naglasiti da je ljudski sustav sluha vrlo asimetričan i nelinearan.
U postupku nastajanja slušnog osjeta akustički val dolazi na membranu bubnjida. Titranje
bubnjida prenosi se slušnim koščicama na pločicu ovalnog prozorčida. Hidraulični tlačni val
izazove titranje bazilarne membrane. Mjesto najvedih pomaka ovisi o frekvenciji. Na početku
membrane najviše titraje izazvat de visoke frekvencije jer je bazilarna membrana na početku
kruta i zategnuta.
Pod utjecajem hidrauličkog tlaka nastaje na
bazilarnoj membrani putujudi val. Prikazani su
valovi od 1kHz i 3kHz.
Sistemom poluga, tlak se s bubnjida prenosi na
ovalni prozor. Mehanizam omogudava da se
tlak, u ovisnosti o frekvenciji, povedava od 10
puta na 100 Hz, do 15 puta na 2400 Hz.
Amplituda putujudeg vala postupno
povedava i nakon maksimuma naglo pada.
se
zvukovod
Po mjestu maksimuma, uho određuje frekvenciju primljenog zvuka.
Bazilarna membrana po dužini razlaže komponente složenog vala - ona je
spektralni analizator.
7.10.2013
Ozren Bilan
15
Kohlea je sustav tri spiralne cijevi: scala
vestibuli, scala media i scala tympani. U cohlei
postoji stalni endokohlearni električni potencijal,
temeljen na razlici potencijala perilimfe i
endolimfe. Endolimfa je bogata kalijemom, a
siromašna natrijem, za razliku od perilimfe.
Između perilimfe i endolimfe stalni električni
potencijal iznosi oko 80 mV. Tako je scala media
elektropozitivna, a izvana je elektronegativno
polje.
Senzorne dlačice Cortijevog organa su receptivni
organ, koji na zvučni podražaj daju nervne
impulse. Bazalna ploča stapesa, tekudina
endolabirinta i membrana okruglog prozora
titraju na istoj frekvenciji. Helikotrema povezuje
scala vestibuli i tympani. Pri laganom pokretu
baze stapesa, perilimfa u scala vestibuli
potiskuje se kroz helikotremu prema scala
tympani. Kretanje perilimfe u scala tympani
izaziva izbočenje membrane okruglog prozora
prema srednjem uhu. Pri brzim pokretima
stapesa, koji se prostire perilimfom, nema
vremena da stigne preko helikotreme do
okruglog prozora, nego se kroz bazilarnu
membranu prenosi na skalu timpani, izazivajudi
gibanje bazilarne membrane i titranje
membrane okruglog prozora.
Bazilarna membrana sastoji se od oko 20.000
čvrstih eleastičnih niti cilija. Medijalnim krajem
niti su fiksirane za koštani dio, a vanjski kraj im je
slobodan i utkan u tkivo bazilarne membrane.
Zbog toga slobodno titraju pri valovanju
perilimfe. Cilijama na bazilarnoj membrani
dužina raste od baze cohlee prema vrhu od 0.04
mm do, u dijelu helikotreme 0.5 mm.
U Cortijevom organu nalaze se cilijarne stanice iz kojih strše cilije. U unutrašnjem
redu ima oko 3500 stanica, a u vanjska tri reda oko 20.000 dlačica. Vrhovi dlačica
zabodeni su u tektorijalnu membranu. Savijanjem bazilarne membrane dlačice se
deformiraju i zbog mehaničkog naprezanja u cilijarnim stanicama stvara se
elektricitet.
Električni signali podražavaju slušni živac koji vodi signal u korteks. Izvor
endokohlearnog potencijala je stria vascularis - stjenka kohlearnog kanala scala
media. U stjenci se nalaz sustav kapilara iz kojih se u neolimfu izlučuje kalij.
Ionskom teorijom membranskih potencijala nastaje električni napon. Bez
mehaničkog podražaja oko -80mV.
7.10.2013
Ozren Bilan
7.10.2013
snop cilija
17
7.10.2013
Ozren Bilan
16
Cortijev organ sastavljen je od senzornih dlačica, potpornih delija i tektorijalne membrane. Na
nitima bazilarne membrane leže elementi Cortijevog organa. Ukupan broj vanjskih delija je oko
20.000, a unutrašnjih 3.500. Na bazama senzornih delija nalaze se niti akustičnog živca, koje
prenose podražaje od delije do Cortijevog gangliona. Dlačice senzornih delija su u stalnom
kontaktu sa tektorijalnom membranom. Titranje delija na bazilarnoj membrani i dodiri s
dlačicama tektorijalne membrane je temelj transformacije mehaničke energije titranja u
senzorski influks. Savijanje senzornih dlačica izaziva promjene električnog potencijala na vrhu
delija (receptorski potencijal).
Ozren Bilan
18
3
7.10.2013.
Tipovi signala cilija (izmjeniĉna struja) i
živĉana akciona struja (kodirani PCM)
Pužnica i cilije
Presjek pužnice i
oštećenje cilijarnih stanica – gubitak sluha
Cilijarne stanice nabijene su na negativni istosmjerni potencijal od oko 80 mV. Dok nema
akustičkog podražaja kroz njih teče konstantna istosmjerna struja. Cilijarnim stanicama akustički
signali moduliraju tu struju. Priključimo li elektrode, dobije se struja kojoj je valni oblik jednak
akustičkom signalu.
Tu struju nazivamo kohlearna mikrofonska struja. Taj signal pojačan preko pojačala i zvučnika
daje isti akustički signal koji je izvršio pobudu. Međutim, takva struja ne teče kroz slušni živac.
Struja u slušnom živcu, koji vodi signal u korteks, je impulsna. Ta struja je impulsna živčana
akciona struja koja je posljedica kohlearne struje. Između tih struja još nije otkrivena nikakva
korelacija.
Neuronsko stablo je funkcionalna i strukturalna
jedinica nervnog sustava. On može primiti i
proslijediti impulsnu informaciju. U tu svrhu postoje
izdanci, dendriti i axoni, a informaciju između njih
prenose synapse. Neuroni su kod sisavaca uvijek u
snopovima, te ih se naziva živčanim snopovima.
Živčana akciona struja ne prenosi u korteks struje valnog oblika akustičkog signala tj. ne prenosi
analogni signal, ved prenosi u kodiranom obliku kodirani impulsno-frekvencijski modulirani
signal. Brzina prijenosa ovisi o presjeku i krede se od 1 do 100 m/s.
Trajno oštedene
cilijarne stanice
7.10.2013
Ozren Bilan
19
7.10.2013
Ozren Bilan
Pretvorba zvučnog signala u oblik kojeg ljudski mozak razumije
uključuje poznavanje vanjskog, srednjeg i unutrašnjeg uha, cilija,
neurona i centralnog živčanog sustava. Zvučni valovi pretvaraju se u
mehaničke vibracije u srednjem uhu a potom se u unutrašnjem dijelu
šire fluidom u pužnici. Mjesta maksimuma tlaka dovode do pomaka
različitih dijelova bazilarne membrane, a ti pomaci sadržavaju
frekvencijsku informaciju o akustičkom signalu. Shematski model oblika
membrane:
Mehanotransdukcija cilija
20
Neuroni
Ankyrin
opruga
Transmembransko
područje
Kruta vršna
poveznica
CDH 23
Pri pobudi različitim frekvencijama do maksimalnog pomaka membrane
dolazi na različitim mjestima. Amplituda pomaka membrane
proporcionalna je amplitudi zvučnog vala određene frekvencije. Ako je
zvučni signal složen, bazilarna membrane se istovremeno pobuđuje na
različitim mjestima pa pužnica odvaja frekvencijske komponente
složenog zvučnog vala.
Mehanotransdukcija je pretvorba mehaničkog podražaja u napon. Obavlja je niz sidušnih naprava
koje povezuju mekim oprugama ionski kanal, smješten u specijaliziranoj senzorskoj stanici – ciliji.
Ankyrin opruge svojim vibracijama pobuđene točno određenom frekvencijom zvuka, upravljaju
ionskom strujom koja teče kroz kanale. Tako mijenjaju unutrašnji potencijal cilija što za posljedicu
ima neuralnu signalizaciju prema akustičkom korteksu mozga. (A) Mikrofotografija skanirajudim
elektronskim mikroskopom snopa cilija, pogled odozgo, prikazuje položaj poredanih od manje
prema vedoj.
(B) Model mehanotransdukcije. Savijanje snopa ima za posljedicu savijanje stereocilia i sužavanje
poveznice pri vrhu. Na slici (C) Ionski kanal pričvršden na unutarstanične elastične elemente
7.10.2013
Ozren Bilan
21
(ankyrin) otvara u skladu s napetosti nesavitljive
poveznice na vrhu.
Svaki dio bazilarne membrane pričvršden je za cilije koje se savijaju
proporcionalno pomaku. Savijanje uzrokuje elektrokemijsku reakciju
koja stimulira neurone koji prijenose informaciju u koru velikog mozga
centralnim živčanim sustavom. Slušni živac koji povezuje uho s
korteksom je snop od oko 30.000 živčanih niti koje završavaju u
cilijarnim stanicama - neuronima. Ako je podražaj jak, neuron šalje
signal. Ako je podražaj slab, nema signala. Sustav rada je DIGITALAN:
da, ne ili 0, 1.
Što je signal jači, aktivira se vedi broj neurona, a neuronski impulsi
imaju praktički iste vršne vrijednosti. Broj impulsa u sekundi ne
premašuje 400, ali u početnoj desetinki sekunde poraste na 1000. To je
najvedi broj impulsa koje jedan neuron može poslati jer je vrijeme
nabijanja neurona 1/1000 sekunde.
7.10.2013
Govorni procesor kohlearnog implantata u Matlabu
Matlab Simulink model dspcochlear.mdl simulira projekt kohlearnog implantata koji se kirurškim putem ugraĎuje u
unutrašnnje uho potpuno gluhe osobe kako bi se djelomično restaurirao sluh primjenom digitalne obrade zvučnog
signala. Zvučni signali se pretvaraju u impulse koji se prenose u koru velikog mozga. Problem koji se pri tome javlja je
način pretvorbe zvučnih signala u električne impulse. Višekanalni kohlearni implantati sastoje se od:
•
mikrofona
•
signalnog procesora koji pretvara zvučne valove u električne signale
•
predajnika
•
niza elektroda koje primaju signale predajnika, a potom stimuliraju auditorne živce
U modelu možemo bilo koji zvučni signal pretvoriti u oblik kojim će ga čuti osoba s ugraĎenim implantatom, a pri tome
možemo mijenjati parametre obrade, promatrati valne oblike i čuti rezultat.
Poznavanje pužnice je toliko da se ljudima oštedena sluha može
ugraditi kohlearni implantat koji elektroakustičkim uređajem i
digitalnim signalnim procesorom stimulira auditorni živac i šalje
zvučnu informaciju u korteks.
Kirurškim postupkom implantira se u unutrašnje uho i aktivira
uređajem izvan tijela. Implantat se sastoji od četiri osnovna
dijela: mikrofona, DSP procesora, predajnika i prijamnika.
Prijamnik se nalazi unutar uha s elektrodama koje prijenose
impulse u korteks putem auditornog živca.
U MATLAB-u postoji simulink model:
Ozren Bilan
22
Frekvencijska selektivnost ili
analizatorska sposobnost?
Slušni mehanizam korteksa dobiva informaciju temeljem najvedih pomaka
bazilarne membrane i slike neuronskih impulsa. Ispod 400 Hz bazilarna
membrana titra kao cjelina. Te su frekvencije dovoljno niske da svaki titraj
izazove impuls. Glasnoda je definirana brojem sinkrono izazvanih impulsa.
Iznad 400 Hz pa do 5000 Hz, na bazilarnoj membrani oštrije se lokaliziraju
mjesta maksimuma titrajnih pomaka. Međutim, kako su frekvencije vrlo
visoke ne može se ostvariti sinkrono aktiviranje. Zbog toga se pri
frekvencijama 500 Hz impuls pojavljuje pri svakom drugom titraju, pri 1000
Hz pri svakom tredem, a iznad 5000 Hz, selektivnost membrane je vrlo velika
jer je područje maksimalnih titrajnih pomaka vrlo usko.
Magnitude Response (dB)
0
Frekvencijska selektivnost uha nije velika, ali je analizatorska sposobnost
ekstremna. Kako se u korteksu dekodiraju impulsi slušnog živca te kako se
pretvaraju u slušni osjet nije u potpunosti poznato. Jedna od teorija koja
donekle razjašnjava neke od sposobnosti uha je teorija Transformacije pinne.
Magnitude (dB)
-50
-100
-150
-200
-250
0
7.10.2013
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
Normalized Frequency ( rad/sample)
Ozren Bilan
0.8
0.9
23
7.10.2013
Ozren Bilan
24
4
7.10.2013.
Najtiši i najglasniji zvuk
Transformacija pinne
Batteau je 1960. postavio hipotezu po kojoj ušna školjka (pinna) realizira organiziranu
shemu refleksija upadnog zvuka. Dekodiranje vremenskog oblika ovih refleksija pomaže
auditornom sustavu pri određivanju položaja izvora zvuka. Daljnja ispitivanja (Wright,
Willson 1974.) u potpunosti su potvrdila ovu hipotezu, a Rodgers 1981. je postavila
paralelu s nepravilno konstruiranim zvučničkim sustavima.
Izvedena su mjerenja s minijaturnim mikrofonom u slušnom kanalu. Ovisno o položaju
izvora zvuka, gubitak odziva javlja se na različitim frekvencijama. Spektar zvuka,
izmjeren minijaturnim mikrofonom, u ovisnosti o položaju izvora zvuka, podsjetio je
istraživače na spektar loše podešenih zvučničkih sustava.
Razlika između najglasnijeg i najtišeg zvuka kojeg ljudi mogu duti je oko 120 dB, što je
omjer od milijun puta razlike amplitude. Pri tome slušatelji mogu čuti promjenu
glasnode samo onda ako je signal dovoljno promijenjene amplitude. Postoji točno
određen broj razina glasnode. Zwiker i Feldkeler su pokazali da je riječ o 235 razina.
Osjetljivost uha je vrlo visoka: pri najtišim zvukovima dovoljno je samo da jedna
molekula zraka udari u bubnjid pri čemu se on pomakne za promjer atoma vodika.
Percepcija glasnode približno je jednaka zvučnoj snazi na eksponent 1/3. Ako
povedamo zvučnu snagu deset puta, slušatelji de detektirati dvostruku glasnodu.
To je najvedi problem pri eliminiranju neželjenih zvukova, kao što su preglasni zvučni
izvori (glazba, buka…). Ako 99% površine stana prekrijemo idealnim apsorpcijskim
materijalom, a ostavimo neobrađeno 1% površine zbog dosjeda. Upadnu zvučnu snagu
oslabit demo na 1% početne vrijednosti, a percipirana glasnoda oslabit de za 0.011/3=0.2
tj. 20%.
90o
Opdenito se uzima da je frekvencijsko područje ljudskog sluha od 20 Hz do 20 kHz, a
najosjetljivije je na zvukove između 1 kHz i 4 kHz. Tako slušatelji mogu osjetiti zvukove
razine 0 dB na 3 kHz, ali je potrebno bar 40 dB na 100 Hz (što predstavlja stostruko
pojačanje amplitude). Slušatelji mogu odrediti da se dva tona razlikuju u frekvencijama
za 0.3% na 3 kHz. Za usporedbu, susjedni tonovi klavira razlikuju se frekvencijski za oko
6%.
Ozren Bilan
Serija spektara tzv. HRTF (prijenosna funkcija u odnosu na glavu slušatelja) koja jasno pokazuje promjenu spektra u
ovisnosti o upadnom kutu zvučnog signala. Upadni kutovi su +30, 0, -10, -20 i -30 stupnjeva.
25
7.10.2013
Ozren Bilan
HRTF spektralno oblikovanje
Ušna školjka transformira spektar zvuka spektralnim oblikovanjem koji ovisi o kutu
upada. Ušna školjka u upadni zvučni signal upisuje direkcionalnu informaciju o izvoru
zvuka, koju se ogromnom preciznošdu dešifrira u korteksu. Opisani spektralni efekti su
toliko efikasni da čak i osobe sa sačuvanim osjetilom sluha samo na jednom uhu mogu
bez problema ekstremno točno lokalizirati izvore zvuka. HRTF prijenosna funkcija je
stoga izuzetno značajna, jer omogudava promjenu virtuelnog izvora zvuka bez promjene
položaja zvučnika jednostavnim spektralnim manipulacijama u studiju.
U potpunosti je mogude prevariti uho na način da slušatelj čuje virtuelni izvor zvuka bilo
gdje u prostoru, sa samo jednim parom zvučnika ili naglavnim slušalicama.
Osobina, se izuzetno koristi u
sistemima
telekonferensa
i
sustavima virtuelne realnosti.
Interesantno je da isti efekti HRTF
prijenosne funkcije mogu nastati
primjenom fazno neusklađenih
zvučnika ili zvučnika s očitim
greškama
u
frekvencijskom
odzivu. Na slici je prikazana
aberacija spektra uslijed comb
(čeljastog) filtriranja ušne školjke i
spektar loše podešenog zvučnika.
7.10.2013
-90o
26
Izmjereni dijagram
Graf 1. Frekvencijski odziv u protufazi,
Graf 2. Frekvencijski odziv u: a) protufazi, b) u fazi, c) kompenziranog sustava
Slušamo li prikazani zvučnički sustav s zvučnicima u protufazi činit de nam se da je izvor zvuka iznad nas pod
kutem od oko 45 stupnjeva
Ozren Bilan
MLS - Frequency Ozren Bilan
Response 100.0
110.0
MLS - Frequency Response
180.0
7.00
dBSPL
dBSPL
100.0
90.0
5.20
90.0
80.0
3.40
ms
Deg
C
C
108.0
36.0
B
B
80.0
70.0
1.60
70.0
60.0
-0.20
-36.0
A
60.0
500
Ozren Bilan
27
Psihofizika - ispitivanje razlike
podražaja
1k
50.0
20
-108.0
-2.00
Hz
Izraženi minimum je znak da jeCH B
skretnica dobro napravljena
7.10.2013
dBSPL
-180.0
10020k
1k
Unsmoothed
51.2kHz
16K
Rectangular
Start 1.84ms
Hz
Stop 4.98ms
10k
20k
FreqLO 318.01Hz
Ozren Bilan
28
Kvalitativni odnos percepcije i
podražaja Weber-Fechnerov zakon
Dva istovrsna podražaja (optička, zvučna, osjetna,...) čovjek može
razlikovati samo ako među njima postoji neka određena razlika.
Mijenja li se zvučni intenzitet, čovjek de razliku u glasnodi primijetiti
tek nakon što se intenzitet promijeni za 25%. Iako manje razlike
objektivno postoje, čovjek nede primijetiti razliku glasnode.
To je otkrio Weber, 1829. što se smatra početkom psihofizike kao
znanosti.
Ljudska sposobnost percipiranja dvostruko je ograničena
 fizičkim ograničenjima
 ograničenjima korteksa pri obradi informacije
Gradijent krivulje E = E(R) se
smanjuje porastom podražaja R.
Potreban je sve vedi porast
podražaja kako bi se postiglo
isto povedanje percepcije
dE = k (dR/R)
percepcija
7.10.2013
0o
45o
Integracija daje
E = 2,3k log(R/Ro)
Logaritmi različitih baza su
proporcionalni, npr.
ln x = 2.3 log x.
Percepcija glasnode je
proporcionalna logaritmu fizičkog
podražaja (zvučnom tlaku).
E = 2,3k log (R/Ro)
Relacija je poznata kao
7.10.2013
Ozren Bilan
29
Weber-Fechnerov zakon
7.10.2013
Ozren Bilan
30
podražaj
5
7.10.2013.
Presbycusis, tinnitus i diplacusis
Fiziĉka ograniĉenja osjeta
Fizička ograničenja određuju apsolutne granice područja osjeta. Tako npr. za
sluh postoji ograničenje čujnog područja od 20 Hz do 20000 Hz, u ovisnosti o
dobi i zdravlju osobe.
Ova ograničenja postavlja građa uha i njegovih sastavnih dijelova.
Teže je analizirati ograničenja obrade informacija u korteksu. Za primjer
uzmimo pojam psihoakustičkog maskiranja, po kojem čovjek istovremeno
podražen dvama zvukovima, od koji je jedna glasan, a drugi tih ne može
osjetiti tiši zvuk. Ako nam na rock koncertu, za vrijeme koncerta netko kaže
nešto vrlo tiho, vrlo je vjerojatno da to nedemo čuti. (kasnije više o tome…)
Uho prima oba zvuka, ali sustav sluha, u potpunosti ignorira ono što se
govori tiho u prisutnosti glasne glazbe.
7.10.2013
Ozren Bilan
Do gubitka sluha može dodi uslijed zatvaranja zvukovoda, mehaničke nepokretnosti bubnjida i
slušnih kostiju, a naziva se konduktivna nagluhost. Pri tome gubitak sluha u najgorem slučaju ne
premašuje 55 dB.
Ako je došlo do oštedenja slušnog živca, cilijarnih stanica ili živčanih završetaka u pužnici dolazi do
tzv. perceptivne nagluhosti.
Gubitak sluha mjeri se audiometrom. Krivulja mjerenja sluha naziva se audiogram. Nagluhe
osobe mogu pratiti govor i glazbu uporabom slušnog aparata - minijaturnog pojačala s
mikrofonom i slušalicom čiji je spektar prilagođen karakteristici nagluhosti. Ako je oštedeno
srednje uho, a sačuvano unutrašnje, zvuk se dovodi preko vibratora prislonjenog na kost iza
slušne školjke. Kod mlađih osoba ugrađuje se implantat.
Tinnitus je poremedaj sluha pri kojem osoba koja od njega pati stalno u jednom ili oba uha čuje
zvuk iako pri liječničkom pregledu nema organskih nalaza koji bi ukazivali na bolest organa sluha.
Tinnitus je danas vrlo raširen poremedaj, a može imati razne uzroke. Oštedenja slušnog živca
često su ireverzibilna, ali stanje se može popraviti lijekovima koji poboljšavaju cirkulaciju u
unutrašnjem uhu.
31
Ako je došlo do oštedenja slušnog živca, cilijarnih stanica ili živčanih završetaka u pužnici dolazi do tzv.
perceptivne nagluhosti.
Gubitak sluha mjeri se audiometrom. Krivulja mjerenja sluha naziva se audiogram. Nagluhe osobe
mogu pratiti govor i glazbu uporabom slušnog aparata - minijaturnog pojačala s mikrofonom i
slušalicom čiji je spektar prilagođen karakteristici nagluhosti. Ako je oštedeno srednje uho, a
sačuvano unutrašnje, zvuk se dovodi preko vibratora prislonjenog na kost iza slušne školjke.
Tinnitus je poremedaj sluha pri
kojem osoba koja od njega pati
stalno u jednom ili oba uha čuje
zvuk iako pri liječničkom pregledu
nema organskih nalaza koji bi
ukazivali na bolest organa sluha.
7.10.2013
Ozren Bilan
32
Glasnoća - prag osjeta sluha
1933. godine istraživači Fletcher i Munson istraživali su kako čovjek osjeda
različite frekvencije različitim glasnodama. Rezultat njihovog rada bio je niz
krivulja koje se zovu Fletcher Munsonove krivulje.
Robinson i Dadson dali su sličan set krivulja različitom tipom mjerenja.
Krivulje pokazuju dvije vrlo važne informacije. To su:
 prag sluha pri različitim frekvencijama te
 prividne razine istih glasnoda pri različitim frekvencijama.
Tinnitus je danas vrlo raširen
poremedaj, a može imati razne
uzroke.
Ved smo naveli kako prag osjeta sluha iznosi 20 μPa, međutim, nismo naveli
da se ta vrijednost odnosi isključivo na frekvenciju 1 kHz. Svakoj čujnoj
frekvenciji odgovara najniži zvučni tlak pri kojoj je čovjek može čuti. Razlika
između frekvencija je vrlo velika. Tako npr. na frekvenciji 30 Hz potrebno je
uhu privesti zvučni tlak 60 dB viši od onoga na pragu čujnosti frekvencije 1000
Hz.
Oštedenja slušnog živca često su
ireverzibilna, ali stanje se može
popraviti
lijekovima
koji
poboljšavaju
cirkulaciju
u
unutrašnjem uhu.
7.10.2013
Mladi ljudi čuju vrlo visoke frekvencije, neki čak i do 25000 Hz, dok stariji od 50 godina ne čuju
niti 10000 Hz. Iako je to frekvencija na polovini, predstavlja gubitak od samo 10%; tj. samo jedna
od 10 oktava. To je prirodni proces starenja pri kojem dolazi do gubitka sluha. Gubitak uslijed
starenja naziva se presbycusis ili prezbiakuzija. U tom procesu osjetljivost uha ispod 1 kHz nije
ugrožena, ali iznad te frekvencije gubitak sluha je u progresivnom porastu. Pored starenja,
izloženost buci uvelike doprinosi ovom procesu.
Ozren Bilan
33
7.10.2013
Ozren Bilan
34
Fletcher-Munsonove i
Robinson-Dadsonove krivulje
Fletcher-Munsonove i
Robinson-Dadsonove krivulje
Harvey Fletcher i Wilden A. Munson prvi su istraživali načina na koji čovjek
čuje čiste tonove. Fletcher-Munson (1933) krivulje jednakih razina glasnode
čistih tonova mjerene su pomodu slušalica.
Robinson-Dadson (1956) krivulje jednake glasnode (isophone) dobivene su
frontalnim upadnim zvukom čistim tonovima pomodu centralnog zvučnika u
slobodnom polju (gluhoj komori). Definirane su međunarodnom ISO
preporukom R226 (R454) i DIN 45630 (DIN1318), a nedavno je ISO redefinirao
krivulje standardom ISO 226:2003.
Nije ispravno Robinson-Dadson krivulje tj. krivulje jednake glasnode nazivati
Flatcher-Munsonovim krivuljama jednake glasnode čistih tonova jer su
dobivene različitim metodama i imaju različite vrijednosti i oblik.
KRIVULJE JEDNAKE GLASNOĆE
Flatcher-Munson
7.10.2013
Ozren Bilan
35
7.10.2013
Robinson-Dadson krivulje
Ozren Bilan
ISO 226:1987
36
6
7.10.2013.
ISO 226:2003 Acoustics
(ISO) 2. izdanje
SLUŠNA PLOHA
Krivulje pragova čujnosti lijevog i desnog uha
nisu identične. Prag čujnosti je vrlo različit, ne
samo između različitih ljudi, nego i kod iste
osobe, mijenja se iz dana u dan i iz sata u sat.
Nove revidirane krivulje
jednake glasnode znatno su
više od starih prema ISO
226:1987, posebno za
frekvencije ispod 1 kHz i
iznad 3kHz.
Poslije djelovanja buke dolazi do tzv.
privremenog pomaka praga čujnosti i do
privremenog gubitka sluha.
Tako izlaganje razini tlaka buke od 105 dB(A)
na frekvenciji od 4 kHz, u trajanju od 10
minuta, izazvat de 20 dB privremenog gubitka
sluha.
Slika prikazuje razliku novih
revidiranih prema starim
krivuljama koje propisuje ISO.
Ovaj gubitak sluha je neovisan o frekvenciji
koja je uzrok. Najvedi pomak u osjetljivosti
sluha redovito je na frekvenciji koja je iznad
one koja je izazvala oštedenje
Specifikacija minimalnog
čujnog polja prema ISO 226
je temelj audiometrije
zvučnog polja opisanog u ISO
8253-2.
7.10.2013
SLUŠNU PLOHU OMEĐUJU GRANICA BOLA I
PRAG ČUJNOSTI
Ozren Bilan
37
7.10.2013
Što ĉujemo
Ozren Bilan
38
Razine jednake glasnoće
RAZINA= VIŠE NIKAD NEĈU ĈUTI
Čujemo li sinusni val na 100 Hz i 1 kHz, a nakon toga, treba podesiti glasnodu zvukova,
tako da budu jednake, iznenadit demo se kad mjerenjem utvrdimo kako je ton niže
frekvencije podešen mnogo glasnije. Isto de se dogoditi i s mnogo višim tonom npr.
10 kHz, s tim da de on objektivno izmjeren biti mnogo vede amplitude od onog na 100
Hz.
Uvidom u krivulje jednake glasnode, primijetit demo da one zadržavaju vrlo sličan oblik
krivulji osjeta praga sluha sve dok se glasnoda dosta ne povisi. U tom slučaju,
primjedujemo da se krivulje počinju izravnavati.
U praksi znamo da kad uključimo stereo razglas u sitnim nodnim satima i podesimo ga
vrlo tiho, kako ne bi uznemirivali susjede, subjektivno nam nedostaju niski i vrlo
visoki tonovi. U tom slučaju potrebno je pojačati niske tonove i visoke tonove. U biti,
pokušavamo kompenzirati Flatcher Munsonovu krivulju.
GOVOR
Glazba zvuči bolje što je zvuk glasniji zato što je slušna percepcija frekvencijski
linearnija pri višim razinama tlaka. To je ujedno i razlog zbog kojeg trgovci
elektroakustičkih uređaja pojačaju glasnodu kad prodaju zvučnike. Tako nelinearni
sustavi zvuče bolje.
7.10.2013
Ozren Bilan
RAZINA= UPRAVO ĈUJEM
CD
DVD 39DXD
Audio
7.10.2013
IZOFONE
Ozren Bilan
IZOFONE
Glasnoda zvukova svugdje se mjeri u dBspl. To je mjerenje referencijalno
osjetljivosti sluha od 20 μPa. Međutim, ved smo pokazali kako su Fletcher i
Munson otkrili da ta mjerenja nisu korelirana subjektivnim vrijednostima
kakvima čovjek doživljava glasnode. Tako se došlo do ideje da se razvije sustav
koji bi pokazivao vrijednosti glasnode kako ih mi subjektivno doživljavamo.
Linije jednake glasnode Fletcher i Munson dijagrama nazivaju se
izofone.
Dakle, dva tona jednakih tlakova, a
različite frekvencije nemaju jednaku
glasnodu. Krivulje jednake glasnode ili
izofone prikazuju zvučne tlakove pri
kojima je jednaka glasnoda različitih
frekvencija.
Sustav se u profesionalnoj praksi gotovo nikad ne koristi, ali dobro je znati da
se amplitude zvukova u njemu mjere fonima.
Proizlazi zanimljiv zaključak:
Postupak određivanja glasnode u fonima iz vrijednosti u dBspl:
Prvo izmjerimo vrijednost amplitude u dB
Odredimo frekvenciju u Hz
Nacrtamo presjek ovih vrijednosti u Fletcher-Munsonovom dijagramu
Odredimo najbližu krivulju i pogledamo njenu vrijednost na 1kHz
Ta vrijednost je amplituda zvuka u fonima
7.10.2013
Ozren Bilan
40
ako se glazba ne reproducira točnom
glasnodom,
pogrešna
glasnoda
reprodukcije promijenit de glazbu
kvantitativno i kvalitativno.
Tome pridonosi i efekt maskiranja.
41
7.10.2013
Ozren Bilan
42
7
7.10.2013.
Jedinica glasnoće - son
Prag zvuĉnog intenziteta
Jedinica za glasnodu je son. Fletcher i Munson
odredili su krivulje jednake glasnode i označili ih
brojem fona, Stevens je uveo način proračuna i
skalu glasnode u sonima.
Pri promjeni intenziteta zvuk, promjena mora prijedi
neku graničnu vrijednost da bi čovjek mogao osjetiti
promjenu glasnode.
1 son definira se kao glasnoda sinusnog
signala 1000 Hz razine 40 dB SPL, koji se sluša
binauralno u frontalnom smjeru u slobodnom
polju.
Prema istraživanjima Feldkellera i Zwickera, u području
zvučnih intenziteta između 30 dB i 120 dB ljudski sluh
razlikuje 235 stupnjeva glasnode.
Slika prikazuje odnos glasnode u sonima i fizičke
razine sinusnog signala frekvencije 1kHz.
Razina tona frekvencije 1kHz jednaka je razini
glasnode u fonima.
Bududi da je glasnoda u sonima prikazana na
logaritamskoj skali, a decibeli su također
logaritamski, krivulja aproksimira pravac do razine
od 40 dB. Nagib krivulje odgovara podvostručenju
glasnode za svakih 10 dB povedanja zvučne razine.
7.10.2013
Ozren Bilan
43
7.10.2013
Pri mjerenju razine zvučnog tlaka primjenom zvukomjera dobiju se vrlo
precizni rezultati. Ti rezultati ne moraju odražavati način kojom de čovjek
subjektivno procijeniti glasnodu zvuka. To je ujedno i razlog zbog kojeg
koristimo fone (uveo ih je Barkhausen 1926.).
Pokušamo li izmjeriti razinu buke u nekoj vedoj prostoriji koja se koristi za
pomnjivo slušanje i pri tom na zvukomjeru koristimo linearnu skalu, dobit
demo rezultate koji nisu u skladu sa subjektivnim osjetom.
Filtarske karakteristike zvukomjera uvedene su zato jer čovjek
ne čuje jednako sve frekvencije. Uključimo li filtre pri mjerenju,
zvukomjer de oponašati karakteristiku ljudskog sluha i dobiveni
rezultat bit de potpunosti u skladu sa subjektivnim osjetom
sluha.
Upotrebljavaju se A, B i C filtri. Najčešde se koristi A
karakteristika dok se za mjerenje buke zrakoplova koristi D
krivulja koja jače ističe područje viših frekvencija.
krivulja jednake glasnoće 40dB
normalizirana na 0dB
Uzrok tome je što zvukomjer linearnom skalom uzima u obzir sve
frekvencije linearno zastupljene u ukupnoj sumi rezultata mjerenja. Kako
smo ved pokazali, čovjek ne čuje jednako sve frekvencije.
To je razlog zbog kojeg su uvedene filterske karakteristike zvukomjera.
Uključimo li filtre pri mjerenju, zvukomjer oponaša karakteristiku ljudskog
sluha i rezultati su potpuno usklađeni sa subjektivnim osjetom sluha.
Ozren Bilan
45
Matlab projektiranja karakteristike zvukomjera
Invertirana krivulja jednake glasnoće
za 40dB i usporeĎena s A krivuljom
7.10.2013
Ozren Bilan
GLASNOĆA
I RAZINA
Razina trube viša je od
kosačice, ali glasnoda nije.
Violina i električna bušilica
imaju istu razinu ali glasnoda
električne bušilice je mnogo
viša.
Razlike koje nastaju posljedica
su
različitog
spektralnog
sadržaja kao i vremenske
strukture signala.
Mogude je posumnjati kako
čovjek preferira glazbeni zvuk
violine u odnosu na tehnološki
zvuk bušilici pri procjeni
glasnode. Međutim, ispitivanja
pokazuju kako kognitivni učinci
identifikacije izvora nemaju
utjecaja na glasnodu.
HawfA = fdesign.audioweighting('WT,Class','A',1,44.1e3);
% frekvencije sempliranja 44.1 kHz
HawfITUR = fdesign.audioweighting('WT','ITUR4684',44.1e3);
Afilter = design(HawfA);
ITURfilter = design(HawfITUR);
hfvt = fvtool([Afilter ITURfilter]);
axis([0.1 12 -80 20]);
legend(hfvt,'A-weighting','ITU-R 468-4');
Projektiraj ITU-R 468–4 filter svim dostupnim postupcima
(iirlpnorm, equiripple, freqsamp ):
HAwf = fdesign.audioweighting('WT','ITUR4684');
ValidDesigns = designmethods(HAwf);
% vrada iirlpnorm, equiripple, freqsamp u delijskoj postavi
D = design(HAwf,'all'); % vrada sve dostupne postupke
hfvt = fvtool(D);
legend(hfvt,'Least P-norm IIR','FIR Equiripple',...,
'FIR Frequency Sampling')
Ozren Bilan
47
7.10.2013
46
Podvostručenje
razine zvučnog tlaka
(SPL) nije isto kao i
podvostručenje
subjektivne glasnode
koja se mjeri u
Sonima, a ne dB.
Otprilike,
podvostručenje
subjektivne glasnode
zahtijeva 10 dB
umjesto 6 dB porasta
razine zvučnog tlaka.
Usporedi filtere class 1 A i ITU-R 468–4 između 0.1 i 12 kHz:
7.10.2013
44
Filtri A, B, C, D
Razine glasnoće - mjerenje
7.10.2013
Ozren Bilan
Uz isti zvučnik to
zahtijeva
deseterostruko
povedanje snage, a
ne učetverostručenje,
kako bi postigli
dvostruku subjektivnu
glasnodu.
Promatramo li
situaciju sa stajališta
subjektivne glasnode i
pojačala snage među
pojačalima opdenito
nema velike razlike
obzirom na izlaznu
snagu. Tako je
potpuno irelevantno
ima li pojačalo 75 ili
100W.
Razlike koje se čuju
posljedica su mnogih
drugih razloga.
Ozren Bilan
kafić
48
8
7.10.2013.
SPEKTAR BLOK FLAUTE
Koncept kritiĉnih podruĉja
Kritično područje je pojam iz psihologije sluha i odnosi se na područje frekvencija u
kojem dolazi do integriranja (zajedničkog sumiranja) u neuralnom sustavu sluha.
Ekvivalentno je pojasnom filtru širokom otprilike 1/3 oktave. To je jedan od razloga
zašto se 1/3 oktavna mjerenja relativno dobro podudaraju s kvalitetom zvuka.
Najnovija ispitivanja pokazala su da je širina kritičnog područja 1/6 oktave iznad 500Hz
i oko 100Hz ispod 500 Hz.
Uho se može opisati kao serija preklopljenih kritičnih područja, od kojih svako
područje odgovara uskom području frekvencija. Pojam je uveo Fletcher 1940., pri
opisivanju pojma maskiranja zvuka čistog tona širokopojasnim šumom. Ako više čistih
tonova tvori složeni ton, percepciju zvuka ne određuju samo glasnoda i visina, nego i
timbar. Timbar (relativne amplituda harmonika ) ovisi o spektru - harmoničkom
sadržaju signala, tranzijentnom ponašanju i faznim odnosima komponenti.
Uho je prirodno ugođeno da čuje fundamental i harmonike.
Posluša li slušatelj glazbenu tercu kazat de da kombinacija zvuči prirodno i ugodno konsonantno. Posluša li sekundu kazat de da je disonantna.
Temeljem ispitivanja slušno područje čovjeka podijeljeno je u 24 kritična područja.
Jedno kritično područje odgovara udaljenosti od 1.3 mm duž bazilarne membrane i
definirano je kao 1 Bark. Unutar kritičnog područja razina glasnode zvuka uglavnom
ovisi o efektivnoj vrijednosti tlaka.
Srednji C ili c1 262 Hz
7.10.2013
Ozren Bilan
49
7.10.2013
Intervale dijelimo po veličini, vrsti
i suzvučju. Interval je u glazbenoj
teoriji razmak između bilo koja
dva tona. Prvi je u povijesti
interval
teoretski
odredio
Pitagora, podijelivši žicu kitare u
raznim omjerima (2:1, 3:2, 4:3,
5:4). Veličina određuje koliki je
razmak između tonova. Po veličini
ih zovemo (od talijanskog):
prima (označava se s 1) - prvi i
najmanji interval, zapravo je
istozvučni – unisono (ponovljeni
ton)
sekunda (2) je razmak od dva
tona,
terca (3) razmak od tri tona,
kvarta (4) razmak od četiri tona,
kvinta (5) razmak od pet tonova,
seksta (6) razmak od šest tonova,
septima (7) razmak od sedam
tonova,
oktava (8) razmak od osam
tonova.
Ovi
intervali
se
nazivaju
jednostavni intervali. Intervali
koji imaju razmak vedi od oktave
se nazivaju složeni intervali.
Konsonantni ili ugodni su svi čisti
intervali, velika i mala terca i
seksta. Disonantni ili neugodni su
svi smanjeni, povedani intervali,
velika i mala sekunda i septima
Ozren Bilan
50
Frekvencijsko maskiranje
Prag maskiranja
Poznat nam je slučaj da u bučnim prostorima ne možemo čuti sugovornika.
Buka u prostoriji i govor sugovornika objektivno dolaze do nas ali mehanizam
percepcije zvuka u korteksu ne može obraditi informaciju nižeg intenziteta u
prisustvu informacije višeg intenziteta.
Buka prekriva ili maskira govor. Tek kad se buka nadglasa, govor postaje
razumljiv.
Krivulja vremenskog maskiranja pokazuje da u slučaju pobude sinusnim tonom uho ne
registrira zvuk koji se nalaze ispod označene granice maskiranja. To znači da su svi zvukovi
unutar označenog područja u prisustvu sinusnog tona privremeno nečujni, jer bazilarna
membrana u toj zoni frekvencija ved oscilira. Čovjek može percepirati samo ton čija bi
pobuda bila iznad granice maskiranja. Granica maskiranja je šira prema visokim
frekvencijama i slabi do najviših čujnih frekvencija. Nesimetričnost uvjetuje oblik prostorne
raspodjele amplituda bazilarne membrane.
Bez obzira na pobudnu frekvenciju, bazilarna membrana oscilira od ovalnog prozora, do
zone rezonancije pa krivulja maskiranja uvijek dopire do najviših čujnih frekvencija. Stvarni
izgled krivulje pobude sinusnim tonom frekvencije 1200 Hz razine 110 dB je na drugoj slici.
Laboratorijskim ispitivanjima analizirane su razine maskiranja čistih i složenih
tonova. Napomenimo da npr. ton frekvencije 400 Hz, razine 80 fona, povisi
prag čujnosti tona od 1000 Hz za 60 dB.
Frekvencijsko
maskiranje
Pojave maskiranja dolaze do izražaja u glazbi jer visoki tonovi koji se čuju u
glazbi normalne razine postaju nečujni povedanjem glasnode. Isto tako, efekt
maskiranja koristi se pri razvoju algoritama kompresije signala.
7.10.2013
Ozren Bilan
51
7.10.2013
Vremensko maskiranje
Binauralna lokalizacija
7.10.2013
Ozren Bilan
Vremensko
maskiranje
~1ms
52
Slušamo li izvornu muzičku izvedbu binauralno (što dolazi od latinskih riječi bin: po dva
i aureus: uši; sa značenjem: objema ušima) točno demo odrediti položaj svakog
instrumenta u orkestru. Binauralna reprodukcija omogudava točnu auditornu
perspektivu. Pri jednokanalnoj mono reprodukciji, pa čak i ako je sustav najbolje
kakvode, osjet prostornog položaja instrumenata u potpunosti de nestati. Sposobnost
binauralnog lokaliziranja omogudava stereo perspektivu. Binauralno lokaliziranje
temelji se na više čimbenika od kojih su najvažniji:
 Razlika glasnode, jer zvuk prevaljuje različit put od izvora do oba uha
 Razlika u vremenu i fazi dolaska, jer zbog udaljenosti uha do uha od 20 cm
akustički signali dolaze u različitom vremenu i s različitom fazom. Kašnjenje signala
efikasnije je na niskim frekvencijama, a faza na visokim frekvencijama.
 Razlika u spektru, jer glava slušatelja zasjenjuje drugo uho pa drugo uho prima
različiti frekventni spektar od prvog.
 Zbog efekta frekvencijske transformacije signala kojeg unosi češljasto filtriranje
spektra signala reljefom ušnih školjki.
 Zbog nesvjesnih pokreta glave prilikom slušanja signala koji pružaju dodatne
dinamičke promjene spektra koje olakšavaju lokalizaciju.
 Pored toga, ušna školjka u upadni zvučni signal upisuje direkcionalnu informaciju o
izvoru zvuka, koja se ogromnom preciznošdu dešifrira u korteksu (vidi slajd 27. i 28.
prezentacije).
Vremensko maskiranje
pokazuje kako pri pobudi postoji interval prije i
poslije njegovog djelovanja u kojem se ne
mogu osjetiti drugi zvukovi. Maskiranje poslije
prestanka pobude, označeno je maskiranje
unaprijed, a posljedica je činjenice da se
bazilarna membrana ne može momentalno
smiriti nakon prestanka djelovanja zvuka.
Bazilarna membrana ima vrijeme odjeka.
Trajanje maskiranja unaprijed zavisi od
intenziteta prethodne pobude i može trajati
nekoliko 10 ms.
Ova pojava je ukazuje na postojanje
mehanizama djelovanja unaprijed duž neurona.
Na njima dolazi do pretjecanja informacija na
putu u korteks. Vremenski interval u kome se
javlja maskiranje unazad je reda veličine
milisekundi.
Ozren Bilan
~10ms
53
7.10.2013
Ozren Bilan
54
9
7.10.2013.
Raspodjela zvučnog tlaka različitih izvora
Vremenska konstanta uha
Slušni sustav je složen mehaničko-fiziološko-psihološki sustav kojemu
tromost ne dozvoljava trenutno reakciju na podražaj. Po prestanku
podražaja uho se ne može trenutno zaustaviti. Ove osobine, koriste se pri
projektiranju algoritama sažimanja. Kad izvor čujnog zvuka započne emitirati,
glasnoda raste i tek nakon 200 ms postiže se puna vrijednost. Poslije
dostizanja vršne vrijednosti glasnoda se neznatno snizi zbog efekta zamora.
Vremenska konstantna uha pojavljuje se i na pragu čujnosti.
Ako je impuls podražaja kradi od 200 ms, prag čujnosti se podiže
proporcionalno trajanju impulsa.
Signalima kradima od 200ms zvučni intenzitet je obrnuto proporcionalan
trajanju impulsa pa je zvučna energija konstantna.
7.10.2013
Ozren Bilan
55
7.10.2013
Ozren Bilan
56
PREPOZNAVANJE TONSKE
VISINE
VRIJEME ODJEKA UHA
Nakon prestanka djelovanja zvučnog signala u uhu, signal postepeno slabi u
skladu sa subjektivnim vremenom odjeka uha koje iznosi cca. 350 ms. Na
vrijeme porasta i na vrijeme subjektivnog odjeka ne utječe razina glasnode
niti frekvencija.
Vrijeme prepoznavanja tonske visine ovisi o trajanju tonskog impulsa.
 Izgovor vokala traje od 50 do 300 ms.
 Konsonanti su samo procesi utitravanja i istitravanja prethodnih i idudih
vokala, s trajanjem od 2 do 40 ms, količina informacije jednaka im je 0.
(usporedi: _o__o_a__ i k_ns_n_nt)
 Najkradi govorni glasovi traju samo koliko je potrebno da uho prepozna
njihovu tonsku visinu.
 Zvukovi u govoru i glazbi trebaju biti dovoljno dugi da ih uho može tonski
analizirati, a istodobno ne smiju prebrzo slijediti kako u postupku istitravanja
ne bi idudi bio maskiran.
Opisane osobine ljudskog sluha temelj su projektiranja psihoakustičkih
modela za sažimanje podataka
Istitravanje tona što određuje subjektivno vrijeme odjeka uha
7.10.2013
Ozren Bilan
57
7.10.2013
Ozren Bilan
58
Izvođenjem ovog pokusa zaključuje se da se zvuk, složen od primarnog - direktnog zvuka i
sekundarnog zvuka - odjeka, lokalizira u smjeru ranijeg zvuka, a to je direktni zvuk, ako je
vremenska razlika primarnog i sekundarnog zvuka manja od 30 ms. Ova tendencija
lokalizacije zove se Haasov efekt i koristi se pri snimcima glazbenih djela, kao i pri
projektiranju sustava ozvučenja.
HAAS-ov efekt
Ako smo udaljeni 10m od krutog ravnog zida i pljesnemo rukama, čut demo
odjek.
Bududi da smo udaljeni 10m od zida, zvuku je potrebno oko 30 ms da dođe do
zida i još toliko da se vrati do nas.
Rezimirajmo; ako dva različita izvora zvuka emitiraju uz jednak intenzitet isti zvučni val, i ako
oba istodobno stižu do slušatelja, za njega de zvuk nastati negdje između dva zvučna izvora.
Ako jedan od tih izvora kasni 5-35 ms, slušatelj de čuti samo jedan zvuk i to onaj koji ne
kasni. Ako drugi izvor kasni više od 50 ms, sekundarni zvuk čuje se kao jeka. Ovaj efekt ne
ovisi o položaju izvora zvuka koji kasni.
Dakle, odjek demo čuti nakon 60 ms. Približimo li se malo zidu i pljesnemo
ponovno, čut demo jeku nakon kradeg intervala. Pitamo se koliko je potrebno
približiti se zidu pa da ne čujemo odjek?
Logično je zaključiti da se neposredno pored zida odjek nede čuti. Međutim,
nije tako. Napravimo li ovaj pokus, primijetit demo da je ta udaljenost cca. 4.5
– 5m. Znamo li brzinu zvuka, 340 m/s, možemo izračunati da se nakon
vremenskog intervala od 25 - 30 ms, odjek čuje kao komponenta direktnog
zvuka.
7.10.2013
Ozren Bilan
59
7.10.2013
Ozren Bilan
60
10
7.10.2013.
Koliko je puta 1.000.000 W glasnije od 1W?
KORISNE POJAVE
Efekt prethođenja opisuje pojavu pri kojoj slušatelj određuje izvor smjera po prvom
zvuku kojeg čuje, a slušni mehanizam pri tome potpuno ili djelomično ignorira sve iste
zvukove koji kasne prema prvoj valnoj fronti. Pri ovom efektu zvuk koji kasni potpuno
se integrira ili fuzira s inicijalnim direktnim zvukom.
Dakle, pri projektiranju sustava ozvučenja raspolažemo s dvije pojave koje možemo
dobro iskoristiti:
Slušatelji određuju smjer zvuka po prvom zvuku kojeg čuju, a ignoriraju
sekundarne zvukove koji nastaju uslijed refleksija ili daljih izvora signala nakon kratkog
intervala.
Sekundarni zvukovi koji nastaju unutar intervala od 30 do 35 ms fuziraju se s
izvornim zvukom i rezultiraju zvukom povedane glasnode. Sekundarni zvuk može biti
i do 10 dB glasniji od prvog prije nego se subjektivno ocijeni kao jednako glasan.
Važno je uočiti da sekundarni zvuk, tj. zvuk koji dolazi do slušatelja nakon primarnog
zvuka, u intervalu od 10 - 25 ms, može biti samo 4-6 dB glasniji prije nego se percipira
kao sekundarni zvuk s gubitkom lokalizacije primarnog zvuka.
7.10.2013
Ozren Bilan
61
Fazni odziv sustava ili individualnih komponenti sustava treba biti bez naglih
promjena koje mogu ukazivati na rezonancije. Istovremeno, ukupni oblik
faznog odziva sustava čini se da nije najvažniji u određivanju ukupne kakvode
zvuka, osim ako se ne prijeđu neke vrlo visoke granice grupnog kašnjenja.
Međutim, to je pojava koja se ne događa često kod kudnih i monitor zvučnika.
Kombinira li se ovaj uvjet s vrlo strogim zahtjevom linearnosti frekvencijskog
odziva, to de nas dovesti do zaključka kako vjernost reprodukcije valnog
oblika možda nije najvažniji faktor reprodukcije zvuka zvučnicima.
Unatoč velikih napora dokazivanja ispravnosti koncepta o potrebi
reprodukcije točnog valnog oblika i vedeg broja pokušaja dokazivanja
važnosti, dokazi i slušni testovi ne podržavaju hipotezu, osim u slučajevima
primjene na specifične valne oblike povezane s rezonancijama i nelinearnim
izobličenjima.
Do danas ne postoji relevantan slušni test koji bi ovu postavku oborio.
Ozren Bilan
Decibel izražava odnose dviju snaga ali ima i mnoge druge primjene. Tako dBSPL definira
referencijalnu vrijednost 0 dBSPL kao tlak od 20 10-6 Pa. Kao logaritamska mjera, 3 dB
promjene predstavljaju podvostručenje ili polovinu snage. 3 dB porasta snage
predstavlja dvostruku snagu. 1W +3 dB su 2 W, +3 dB su 4W, +3 dB su 8 wati i td.
Zapamtite: povedanje snage za 10 dB otprilike je deseterostruko povedanje snage.
Zvučni tlak se podvostruči porastom razine za 6 dB, dakle potrebno je učetverostručiti
snagu kako bi dobili dvostruki zvučni tlak akustičkog izvora. Percepcija glasnode
odgovara promjeni razine zvučnog tlaka, pa prema Weber-Fechnerovom zakonu treba
10dB promjene za dvostruku ili polovinu percepirane glasnode.
Dakle, ako 10dB povedanja razine ima za posljedicu podvostručenje glasnode, onda de
još 10 dB još jednom podvostručiti glasnodu. Kao posljedicu ovog zakona imamo
enormne snage pri koncertima jer je sustav od 100W samo dvostruko glasniji od onog
od 10W. Sustav od 1000W, dvostruko je glasniji od onog od 100W, a sustav od 10000W
opet je samo dvostruko glasniji od onog od 1000W. To isto znači da je sustav od
10000W 16 puta glasniji od sustava od 1W.
Razglas od 1.000.000 W samo je 64 puta glasniji od radio budilice snage 1W.
7.10.2013
Ozren Bilan
62
Da li su potrebni fazno linearni
pretvaraĉi?
Ĉujnost faznih izobliĉenja
7.10.2013
Koncept najmanje perceptibilne promjene razine od 1 dB vrijedi samo za čiste tonove.
Složeni signali na srednjim frekvencijama ponašaju se sasvim različito. Tako je 1980.
godine dr Roger Lagadec detektirao čujnu koloraciju amplitudnog odziva digitalnog
filtra razine ±0.001 dB. Međutim, nije jasno da li je detektirao promjenu razine ili neki
čujni učinak periodičnosti istitravanja. Važno je znati da se testovi čistim tonovima ne
mogu u potpunosti primijeniti na glazbu.
63
Iako je najvedi broj filtera zvučničkih filtera minimalne faze, ukupna
prijenosna funkcija ulaznog napona sekcije filtera i zvučnog tlaka kojeg
emitira zvučnik, može se podrazumijevati kao prijenosna funkcija minimalne
faze. Navedeno ne vrijedi za akustičku sumu zvučničkih tlakova zvučničkog
sustava jer je zvučnički sustav neminimalne faze.
Kako u teoriji ne postoji metoda kojom bi se sustav inherentno neminimalne
faze učinio sustavom minimalne faze, klasični napori za realizacijom
zvučničkog sustava linearne faze su upitni. Možda to predstoji tek potpuno
digitalnim sustavima i novim tipovima elektroakustičkih pretvarača koji se ved
naziru. Lipshitz tvrdi Fazna izobličenja na srednjim frekvencijama mogu se
čuti. Potpuno je jasno da su ti efekti, ako su čujni, izuzetno suptilni.
Pri sadašnjem stupnju stručnih saznanja nisu potrebni fazno linearni
pretvarači u cilju visoko kvalitetne reprodukcije zvuka.
Evo nekoliko primjera.
7.10.2013
Ozren Bilan
64
Sigma-delta mjernim sustavom možemo izmjeriti ekscesno grupno kašnjenje
zvučnika. Tako ispitivani zvučnik pokazuje 2 ms za bas, a oko 1.35 ms za visoke
tonove.
Očito je ponašanje sustava neminimalne faze jer je različito vrijeme dolaska signala do
slušatelja.
Prvo dolaze visoke frekvencije, zatim dolaze frekvencije u pojasu od 300-600 Hz, zatim
dolaze frekvencije u pojasu od 1 kHz do 3 kHz, a posljednje dolaze frekvencije ispod
40 Hz.
Primjenom računalskih programa, možemo generirati impuls u .wav obliku te
simulirati propust kroz tropojasni L-R filter 4. reda. Odziv filtra 4. reda je vrlo
nepravilan i svakom bi trebao biti krajnje odbojan ali svatkode, nakon zvučne
demonstracije, zaključiti kako između zvuka nema nikakve razlike. Signal je
slušalicama preslušao veliki broj audiofila i između matematički simuliranih
odziva LR 1. reda i 4. reda, nitko nije mogao čuti razliku.
Pojava se naziva vremensko razmazivanje (time smear).
Izvorni oblik impulsa
u .wav obliku prije
filtriranja
Oblik impulsa
nakon propusta
kroz tropojasni L-R
filter 4. reda
Ozren Bilan
MLS - Frequency Response
2.100
ms
1.800
2,7-2,36=0,34ms
0,34msx0,34m/ms=0,116m
ODSTUPANJE OD IDEALNOG
1.500
1.200
IDEALNO EKSCESNO
GRUPNO KAŠNJENJE
ZVUČI POTPUNO ISTO
0.900
0.600
30
100
CH B
7.10.2013
Ozren Bilan
65
7.10.2013
dBSPL
1/12 Octave
1k
51.2kHz
16K
Rectangular
Start 0.00ms
Ozren Bilan
Hz
Stop 5.06ms
10k
FreqLO 197.68Hz
66
11
7.10.2013.
Drugo mjerenje step odziva pokazuje kako elektrostatski zvučnik step naponsku pobudu u čitavom
frekvencijskom područje prijenosi slušatelju kao zvučni tlak iste faze i polariteta uz zanemarive greške
frekvencijskog odziva. Istovremeno, elektrodinamički zvučnik dijeli spektar zvuka u 5 diskretnih
područja i svaku naponsku pobudu u čitavom frekvencijskom području prijenosi slušatelju kao zvučni
tlak naizmjenično invertirane faze unutar pet područja. Što je broj područja s invertiranom fazom vedi
veda su odstupanja faznog odziva i zvuk je nekoherentniji.
Što to znači? Ako mikrofon prima složeni ton instrumenta koji ima karakteristični timbar uslijed
definiranog rasporeda harmonika pa pokušamo prenijeti taj zvuk spomenutim zvučničkim sustavom,
praktički ne postoji ni najmanja vjerojatnost da de pri reprodukciji harmonici zadržati međusobne
odnose koje su imali pri reprodukciji glazbe. Fundamentalni ton i harmonici de promijeniti pravilan
odnos faze i polariteta. Dio glazbenog tona instrumenta imat de točan polaritet, a dio tona
instrumenta dodi de do slušatelja s invertiranim polaritetom.
Međutim, praktički to nitko ne može čuti, a ako čuje ne može odrediti preferenciju. Pa ipak, fazna
linearnost povezana je s oblikom IMPULSNOG ODZIVA. Glazba je impulsne prirode i brži odziv
rezultira linearnijom fazom – ŠTO SE UZIMA ZA BOLJE
Step pobuda ili
Heavisideova funkcija
Dijagram istitravanja
Dijagram istitravanja ili Waterfall pokazuje vremenski i frekvencijski vrijeme
istitravanja zvučnog tlaka rezonancija zvučnika. Na prikazanim primjerima prvi
zvučnik ima vrlo dugo vrijeme istitravanja i naglašene rezonancije, drugi je malo bolji
dok tredi prikazani zvučnik pokazuje najbolje karakteristike.
On bi subjektivno trebao imati najbolji zvuk, a to u ovom slučaju, pokazuju
subjektivna vrednovanja.
BOLJE?
+ u fazi
BOLJI ODZIV
LOŠIJI ODZIV
3 ms
7.10.2013
Ozren Bilan
- u protufazi
2067ms
7.10.2013
Ozren Bilan
68
Fazna osjetljivost sluha
Faznu osjetljivost sluha možemo shvatiti i ispitivanjem kako se zvuk širi u prostoriji.
Pretpostavimo da slušamo osobu koja govori dok se krede prostorijom. Dio zvuka koji
dopire do nas reflektira se od svih ploha prostorije. Bududi da karakteristike zvučne
propagacije ovise o frekvenciji (kao što su: slabljenje, refleksije, rezonancije), signali
različitih frekvencija pobudit de uho slušatelja različitim putanjama. To znači da de se
relativna faza svake frekvencije mijenjati dok se govornik krede prostorijom.
Bududi da uho zanemaruje varijacije faze, slušatelji primaju nepromijenjeni zvuk dok se
govornik krede prostorijom. S fizikalnog stajališta faza audio signala postaje slučajna dok
se zvučni valovi šire prostorijom. Drugim riječima, uho je neosjetljivo na fazu jer ona ne
sadrži korisne informacije.
Međutim, ljudski sluh nije potpuno neosjetljiv na fazu. To je zbog toga što promjena faze
može vremenski izmijeniti vremenski slijed audio signal. U najvedem dijelu ovaj podatak je
tek kuriozitet, a ne nešto što se događa u normalnoj slušnoj okolini.
Ovo zapažanje je u potpunom skladu s evolucijskim razvojem uha kao organa koji je
ljudskoj vrsti pomogao u preživljavanju i razvoju, jer pri određivanju smjera zvuka, o
kome je mogao ovisiti život ili nalaženje hrane, osim binauralne lokalizacije uz pomod
faze, postoje i drugi precizniji mehanizmi.
7.10.2013
Ozren Bilan
69
12
Author
Document
Category
Uncategorized
Views
2
File Size
3 537 KB
Tags
1/--pages
Report inappropriate content