Psiho-fiziološke karakteristike audio signala

Prof. dr Vlado Delić, 2010.Prof. dr Vlado Delić, 2010.

Pitanja

� Koje karakteristike zvuka uho razlikuje?� Koje su granice radnog opsega čula sluha?� U kom opsegu frekvencija i nivoa su govor i muzika?� Zašto su u akustici frekvencijska i amplitudska osa u logaritamskoj

razmeri?razmeri?� Na kojim frekvencijama je uho najosetljivije i zašto?� Da li je uho podjednako osetljivo na promene frekvencije na svim

frekvencijama?� Da li uticaj buke zavisi samo od nivoa ili i od

frekvencijskog i vremenskog karaktera?� Kada, kako i zašto jedan zvuk maskira drugi?� Na osnovu čega čovek locira zvučni izvor u prostoru?� Koji su parametri digitalizacije govora, muzike i buke?� Od čega zavisi izbor i postavka mikrofona? 2

Čulo sluha

� Složen i osetljiv mehanizam� prijemnik zvuka (kao mikrofon)� filtar i analizator zvuka – u zajednici sa mozgom� sistem za obradu podataka (kao računar)

3

� sistem za obradu podataka (kao računar)

�� Oseti i razlikujeOseti i razlikuje kk--ke zvukake zvuka koje potiču odkoje potiču od� izvora� sistema prenosa� akustičkog ambijenta

� na mestu generisanja i na mestu prijema

Šta uho razlikuje?

� nivo� visinu

snaga signala

osnovni harmonik

4

� visinu� boju� fazu

oblik obvojnice spektra

uho ne razlikuje

Fizičke karakteristike zvuka, na osnovu kojih uho uočava ove razlike,

izražene su u spektruu spektru audio-signala.

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

Hz) 1000 (na Pa102 5

0

−×=p

5

� 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

dB12010log20log20 6

0

max ==p

p

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

Uho čujelogaritamski !

6

� tonovi muzičkih instrumenata i vokali ljudskog glasa� periodični signali imaju diskretan (linijski) spektar

� osnovna frekvencija i viši harmonici

�� Osnovni harmonikOsnovni 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)

Osećaj boje zvuka

� Vezan za obvojnicu spektra� različite amplitude harmonika

�� Uho je frekvencijski analizatorUho je frekvencijski analizator� nezavisno analizira svaku spektralnu komponentu

7

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

Faza

� Uho je relativno neosetljivo na fazu

8

Osećaj promene zvuka

� Promene zvuka u vremenu i prostoru� bogatstvo i raznovrsnost zvučnih utisaka

� Promene u vremenu: elementi muzike

9

� promena visine tona:

� promena jačine zvuka:

� sukcesivno naglašavanje:

Šum (i buka)

� Akustičke pojave

� impulsi, trenje, udari

� konsonanti

� Razlikujemo

� jačinu

� boju (.wav)

(.wav) (.wav)

(.wav)

10

� usviravanje orkestra

� Kontinualan spektar

� ne postoji osnovna

učestanost

� Buka (posebna tema)

� izvori, putevi prostiranja

� merenje i analiza

� zaštita od buke

Poprečni presek uha

Slušne koščice

Pužasto telo

Ušna školjka

Slušni kanal

11

Bubna opna

Pužasto teloKohlea

Presek kroz uho

spo

ljaš

nje

sred

nje

un

utr

ašn

je

Poprečni presek uha (spoljašnje)

Slušne koščice

Pužasto telo

Ušna školjka

Slušni kanalpritsak

pritsak

zatvoren krajotvoren kraj

12

Bubna opna

Pužasto teloKohlea

Presek kroz uho

2.5 cm0.4 cm2

pritsak

l

c k f

4

1 2 − =

prilagođenje po snazi

na 1 kHz

Ušna školjka:pojačavafr. 3-5 kHzza 15-20 dB

Šaka iza uva pojačava još 5-10 dB

Slušni kanal:pojačavafr. 3-4 kHzza oko 12 dBa fr. oko 7 kHzza svega 3 dB

Pužasto telo – Kohlea

Kohlea

Frekvencija

Ovalni otvor Bazilarnamembrana

13

Kohlea

Taktorijalnamembrana

Unutrašnjetrepljastećelije

Spoljašnjetrepljastećelije

Slušni nerv

Bazilarnamembrana

Frekvencija

PoložajPoprečni presek

Položaj maksimalnog pomeraja bazilarne membrane za različite frekvencije pobude

14

Kako čujemo?

Spoljašnje uho

zvuk16 kHz

kven

cija

020

-20

0

Am

pli

tuda d

B

15

Srednje uho

Kohlearni fluidiUnutrašnje trepljaste

ćelije

Slušni nerv

50 Hz

35 mm0

Fre

k

Položaj0 1 2 3 4

-40

-60

Frekvencija kHz

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

16

� Osećaj visine tona srazmeran je logaritmu fr.� visina tona ≈ log f

� frekvencijska osa je u logaritamskoj razmeri

� Podela frekvencijske ose�� oktavaoktava (2:1), 12 polutonova ( , po 6%)�� polutonpoluton nije najmanja promena koju uho zapaža

06,1212 =

Osećaj promene visine tonaU

hu

pri

met

ne

pro

men

e fe

kv

enci

je

850 segmenatabazilarne membrane

32 mm po 37 µµµµm.

Mel vs. Hz skala:

17

Uh

u p

rim

etn

e p

rom

ene

fek

ven

cije

Mel vs. Hz skala:- ista do 500 Hz

- posle logaritamska

Mel skala je linearnaduž bazilarnemembrane.

Radna grupa ćelijabazilarne membrane

- oko 100 mela.

Uticaj nivoa zvuka na percepciju promene visine tona

� Tiši zvuci traževeće promene f

Pro

men

a v

isin

e to

na

u %

18

Nivo zvuka

Pro

men

a v

isin

e to

na

u %

Virtuelna visina tona

� Uho detektuje osnovnu frekvenciju iako nije prisutna

� Kombinacija tonova

2f -f , 3f -2f i 4f -3f

19

� 2f1-f2, 3f1-2f2 i 4f1-3f2

Izvorni zvučni signalFiltriranje (uklanjanje

prva tri harmonika)

Spektar ostatka

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

20

� jači zvuk izgleda viši� pič se pomera na dole kod nižih frekvencija

� pojačavanjem disharmoničnog zvuka 168 i 318 Hzpočinje 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

Jačina (nivo) zvuka

� čujemo logartitamski� zavisi od frekvencije� zavisi od dužine trajanja

21

Jačina (nivo) zvuka

� čujemo logaritamski� zavisi od frekvencije� zavisi od dužine trajanja

Weber–Fechner-ov zakon

log10log20J

J

p

pSPL ==

22

najniži pritisak p0= 2*10-5 Pa

dinamički opseg 120 dB

00

log10log20Jp

SPL ==

Prag čujnosti i granica bola- nisu isti na svim frekvencijama

23

Govor i muzika u čujnom opsegu

24

Čujni opseg

25

Sužavanje čujnog opsega sa starenjem

26

Jačina (nivo) zvuka

� čujemo logaritamski� zavisi od frekvencije� zavisi od trajanja

- dB za objektivnu jačinu

27

- dB za objektivnu jačinu

- fon za subj. (fonometri)

- korekcione kke A, B i C

za subj. osećaj jačine

Osetljivost uha i izofonske linije

28

Korekcione krive za dBA i dBC

29

dB, foni i soni

� 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

30

� Duplo više izvora ⇒ 3 dB viši nivo� Nivo viši za 10 dB ocenjuje se kao duplo jači

� neki tvrde da je to 6 dB

� Soni – mera za subjektivnu glasnost� 1 son = 40 fona = 40 dB na 1 kHz� 2 sona = 50 fona (duplo glasnije od 1 sona)� 0,5 sona = 30 fona (duplo tiše od 1 sona)

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

31

Na 35 Hz� za tihe treba ∆L čak 9 dB

Promena glasnoće Broj izvora zvukaPromenapritiska

Osnovna glasnoća ×1

Jedva glasnije+ 1 dB

×1,1

Čujno glasnije

32

Čujno glasnije+ 3 dB

×1,4

Duplo glasnije+ 10 dB

×3

Četiri puta glasnije+ 20 dB

×10

Avionska kabina, orkestar (forte), bučna radionica...Jaka vika, teretni auto na 5 m, jak saobraćaj, bučne radionice...

9080

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...

120110100

Bučno

Vrl

o b

učn

o

Nivo buke u fonima

33

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...

40302010

Gradski saobraćaj, bučan restoran, kupe u vagonu, daktilo biro...Pisaća mašina, usisivač, radio, kancelarija...Normalan govor, mirna ulica u gradu...

706050

Mir

no

Norm

aln

oB

Jačina (nivo) zvuka

� čujemo logartitamski� zavisi od frekvencije� zavisi od dužine trajanja

34

(.wav) (.wav)

sinusoide na 500 Hz

350 ms100 ms

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

35

Problem razumevanja konsonanata (5-15 ms)� osetljivi na buku i

reverberaciju

Kriva frekvencijskog maskiranja- principijelni izgled

� Uho ne može registrovati zvukove ispod ucrtane granice maskiranja� sporije opada ka višim frek.

� Prag čujnosti pomera se

36

� Prag čujnosti pomera se naviše u zoni oko pobudne frekvencije

� Oblik krive se donekle menja u zavisnosti od frekvencije i intenziteta maskirajućeg tona

Maskiranje uskopojasnim šumom (f = 1kHz, ∆f = 160Hz)

37

Maskiranje sinusnih tonova belim šumom

38

Krive maskiranja

Da li se efekatmaskiranja odigrava

39

maskiranja odigravana bazilarnoj membraniili u CNS?

Eksperiment:Maskirajući zvukna jedno uho, amaskirani na drugo.

Ishod?

Uticaj spektra na buku

� Zvuk šireg spektra čini se jačim� čim je širi od tzv. kritičnog opsega

� Uho je osetljivije na buku na višim fr.zato su zakrivljene N-krive normirane buke po

40

� zato su zakrivljene N-krive normirane buke po frekvencijskim opsezima

� Kritični opsezi � povezani sa bazilarnom membranom� širina se povećava na višim frekvencijama� terce se dobro poklapaju sa kritičnim opsezima

� Nivo zvuka se meri po oktavama ili tercama

Binauralna lokalizacija izvora

41

Lokalizacija izvora zvuka

� Vremenska razlika između levog i desnog uha� fazne razlike – dominiraju do 1 kHz

� Razlika u glasnoći levog i desnog uha zbog

42

� Razlika u glasnoći levog i desnog uha zbog zasenjivanja glave i ušnih školjki� razlike u intenzitetu – dominiraju iznad 1 kHz

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

43

� 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”

Fuzija audio signala

� Nakon direktnog zvuka� uho prikuplja refleksije još 20-30 ms

� rane refleksije doprinose intenzitetu zvuka

� stiče utisak o

44

� 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)

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)

45

� 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

Zvuk kao stalni pratilac životnih aktivnosti

46

Definicijabuke

�� Buka Buka jeste svaki neželjeni zvukneželjeni zvuk� definicija koja otežava akciju suzbijanja buke

� tih razgovor na priredbi manje ometa na stranom jeziku� buka automobila ili motora (gazdi možda i prija)� kad voz stane – tišina ima ulogu buke (probudi nas)

47

Osnovne karakteristike buke

� Karakter buke: (jačina, spektar, trajanje)(jačina, spektar, trajanje)

�� JJačinaačina

�� Spektar Spektar (frekvencijski sadržaj buke)

�� Vremenske karakteristikeVremenske karakteristike(trajanje buke i promene u toku vremena)

48

Specificiranje jačine buke

� Akustička snaga izvora buke� pogodna za opis pojedinačnih izvora

� aparati, sirene, automobili

� nivo buke na određenoj udaljenosti od izvora� nivo buke na određenoj udaljenosti od izvora� može se preračunati iz poznate snage i ambijenta

� Kada se radi o buci koju stvara više izvora� nivo buke u jednom određenom prostoru

� npr. saobraćajna buka

� dobija se merenjem ili statističkim izračunavanjem

49

Spektar buke

� Dve buke jednake jačine u globalu (ali različirazliči--tog spektratog spektra) ne deluju isto na čoveka� buka na VF je neprijatnija i više ometa

� buka u automobilu (NF) od oko 90dB nas ne zamara� buka u automobilu (NF) od oko 90dB nas ne zamara� izražena oko 50Hz, opada 10dB/oct na VF� druge vrste buke tog nivoa bile bi zamorne, pa čak i opasne

� Poznavanje spektra važno i zbog iznalaženja odgovarajućih mera (suzbijanje i izolacija)� bitno znati u kom opsegu je najjača,

ima li istaknutih komponenata50

Frekvencijske karakteristike (spektar) buke

�� Širokopojasna bukaŠirokopojasna buka� sadrži komponente u širokom opsegu frekvencija

�� Uskopojasna bukaUskopojasna bukau spektru dominiraju komponente u užem opsegu� u spektru dominiraju komponente u užem opsegu

�� Tonalna bukaTonalna buka� sadrži istaknuti ton - bar 5 dB iznad ostalih

�� Buka sa karakterističnom akustičkom Buka sa karakterističnom akustičkom informacijom informacijom � muzika, glas

51

Karakter buke u frekvencijskom domenu

52

Trajanje i ritam prekida buke

� Trajanje buke� kratkotrajna buka

� nije opasna za čulo sluha ni ako je veoma jaka� može da zaglune uho, ali će se oporaviti� može da zaglune uho, ali će se oporaviti

� dugotrajna buka� može izazvati i trajne štetne posledice po čulo sluha

� Ritam prekida buke� teže se podnosi promenljiva od monotone buke� još teže se podnosi buka sa ritmičkim prekidima

� npr: alarm ili sat-budilnik53

Vremenske karakteristike buke

�� NepromenljivNepromenljivaa bukbuka a - mala kolebanja nivoa� do 5 dB pri sporoj dinamici pokazivanja (slow)

�� PromenljivPromenljivaa bukbuka a - veća kolebanja nivoaviše od 5 dB pri sporoj dinamici pokazivanja� više od 5 dB pri sporoj dinamici pokazivanja

�� IsprekidanIsprekidanaa bukbuka a - više puta prekidana� vreme između porasta i opadanja iznosi bar 1s

�� ImpulsnImpulsnaa bukbukaa - brzo rastući vrhovi� kratkotrajno (ispod 1s) izdiže se (najmanje 10 dB)

iznad postojećeg nivoa (fast response)54

Karakter buke u vremenskom domenu

55