Transcript Akustyka
Akustyka dr inż. Michał Bujacz [email protected] Godziny przyjęć: środa 10:00-11:00 czwartek 14:00-15:00 „Lodex” 207 Akustyka „[gr. akoustikós ‘dotyczący słuchu’], dział fizyki i techniki tradycyjnie obejmujący naukę o dźwięku, szerzej — zajmujący się całością zagadnień dotyczących wszelkich możliwych fal sprężystych rozchodzących się w różnych ośrodkach” (Encyklopedia PWN) http://www.physics.byu.edu/ 2 Dźwięk „fiz. zaburzenie falowe w ośrodku sprężystym zdolne do wywołania wrażenia słuchowego, a także wrażenie słuchowe wywołane tym zjawiskiem” (Encyklopedia PWN) 3 Fala wzdłużna Cząsteczki oscylują w kierunku równoległym do kierunku rozchodzenia się energii fali. Jaki jest zakres ruchu tych oscylacji dla dźwięku? http://www.physics.byu.edu/ od 0.008nm do 0.1 mm Jaka jest średnia prędkość cząsteczek w powietrzu? 500m/s 4 Sygnał harmoniczny T E x(t ) dt 2 0 1 P T T x (t ) 2 dt 0 5 http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu Fizyka vs. percepcja Pojęcia fizyczne: Pojęcia psychoakustyczne: Natężenie (Intensity) lub Amplituda (Amplitude) - Głośność (Loudness) - - Częstotliwość (Freq.) - Wysokość (Pitch) - Widmo (Spectrum) - Barwa (Tembre) - Prędkość (speed) 6 Prędkość dźwięku Liquids Gases gestosc Solids c C sztywnosc c = 344 m/s o c = 331 + 0,6*T[ C] Substance Carbon Dioxide Temperature (°C) 0 Speed (m/s) 259 Oxygen 0 316 Helium 0 965 Ethanol 20 1162 Mercury 20 1450 Water 20 1482 Copper - 5010 Glass - 5640 Steel - 5960 7 Natężenie dźwięku Natężenie = ilość energii przechodząca przez powierzchnię w czasie P I 2 4r W m2 Jaka jest zależność amplitudy od odległości? 2 2 P~E~ p ~ A 1 1 A~ I ~ 2 ~ r r http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu 8 Miary poziomu dźwięku Ciśnienie dźwięku (rms) od 0.00002 N/m2 (próg słyszalności ) do 20 N/m2 (próg bólu) ciśnienie atmosferyczne 100000 N/m2 9 Skala decybelowa Stosunek mocy: P1 LdB 10 log10 P0 Stosunek amplitud: A12 LdB 10 log10 2 A0 A1 LdB 20 log10 A0 dB stosunek mocy 60 1 000 000 50 100 000 40 10 000 30 1 000 20 100 10 10 stosunek amplitud 1 000 316.2 100 31.62 10 3.162 6 3.98 2 3 2 1.414 0 1 1 -3 0.5 0.7071 -6 0.251 0.5 -10 0.1 0.3162 -20 0.01 0.1 -30 0.001 0.03162 -40 0.000 1 0.01 10 Decybele w audio Ciśnienie akustyczne: dB(SPL) – sound pressure level p0 20μPa Natężenie akustyczne: dB(SIL) – sound intensity level 12 P0 10 W m 2 11 12 http://www.physics.byu.edu/ Głośność 1Fon = 1dB (SPL) czystego tonu 1kHz 13 Częstotliwość 14 Zakres częstotliwości audio Tony Przykłady Dolne basy: 20 – 80 Hz Najniższe dwie oktawy; Wybuchy, burze, najniższe kościelnych Górne basy: 80 – 320 Hz 3cia i 4ta oktawa Bębny, kontrabasy, wiolonczelle, instrumenty dęte Dolne Średnie: 320 – 2560 Hz 5ta i 7ma oktawa Zakres większości instrumentów muzycznych i mowy Górne średnie: 2560 – 5120 Hz 8ma oktawa Wysokie tony insturmentów muzycznych, gwizdki, ucho ludzkie jest najczulsze w tym paśmie Wysokie/treble: 5120 Hz – 20000 Hz 9ta i 10ta oktawa Blachy perkusji, wyższe składowe harmoniczne odpowiedzialne za jasność dźwięku, składowe 15 szumów nuty w organach Zakres ludzkiej percepcji 16 Wysokość (pitch) Skale muzyczne – dzielone na oktawy (interwały), np. C (durowa) A4 = 440Hz Skale percepcyjne – Mel lub Bark 17 http://www.sfu.ca/ Składowe częstotliwościowe 18 Transformata Fouriera 19 Widmo dźwięku 20 Amplituda (dB) Widmo w praktyce Częstotliwość (Hz) 21 Podział widma na oktawy 22 Barwa dźwięku Tembr, jakość - zbiór cech dźwięku pozwalających odróżnić brzmienie różnych instrumentów lub głosów - zależy od widma (zwłaszcza składowych harmonicznych i szumu) i transjentów (nagłych zmian widma i/lub głośności) - opisujemy semantycznie (np. blask, chropowatiść, ciepło, czystość) 23 Obwiednia dźwięku 24 Anatomia słyszenia 25 Ślimak 26 Przyszłe tematy (część do wyboru dla was) Psychoakustyka – analiza percepcji słuchowej (maskowanie, pasma krytyczne, iluzje audio) - Dźwięk przestrzenny – mechanizm percepcji przestrzennej i jak sztucznie wywołać wrażenie dźwięku przestrzennego - Rozchodzenie się i interakcja fali dźwiękowych (absorbcja, interferencja, refrakcja) – akustyka pomieszczeń - Analiza widmowa – zgłębienie transformaty Fouriera w różnych postaciach (DFT, FFT) - Hałas – standardy dźwiękowe, sposoby redukcji - Muzyka z punktu widzenia inżynierów - Elektroakustyka – zasady działania mikrofonów, wzmacniaczy, głośników... - Sprzęt realizatora - mikrofony, miksery, korektory, efekty, wzmacniacze, głośniki + postprodukcja - Synteza dźwięków i mowy - Standardy wielogłośnikowe + matryce głośników - 27 - Realizacja dźwięków – mikrofony, miksery, korektory, efekty, wzmacniacze, głośniki 28