Słuch i Psychoakustyka
Download
Report
Transcript Słuch i Psychoakustyka
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
0,025 m
c 343 m / s
4
0,03m
3400Hz f 2850Hz
11
Ucho zewnętrzne
Słuch jest najbardziej
wyostrzony dla około 3,000 Hz
25-30mm
2850Hz – 3400Hz
28mm ~ 3000 Hz
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
Z p 420
2
sm
kg
Z w 1500000
2
sm
Impedancja powietrza:
Impedancja wody:
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?
10log10 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:
10log10 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