Zvuková technika. letní semestr 2006/07. Libor Husník. fel.cvut.cz 2115 X37ZVT

Transkript

1 Zvuková technika letní semestr 2006/07 Libor Husník fel.cvut.cz 2115 X37ZVT

2 Zvuková (audio) technika technologická zařízení sloužící ke snímání, zpracování, záznamu, přenosu a reprodukci zvuku (zvukový přenosový řetězec) problematika, která má vliv na návrh výše uvedeného: fyziologie a psychoakustika lidského sluchu šíření zvuku v různých prostředích, i různě ohraničených zvukový materiál (signály)

3 Osnova předmětu X37ZVT 1. Zvuková technika úvod (fyziologie, signály - opakování) 2. Modelování kmitajících soustav obvody se soustředěnými parametry 3. Principy elektroakustické přeměny 4. Elektrodynamický reproduktor 5. Akustické pole, vlnová rovnice, řešení v 1D a 3D 6. Akustické vysílače 7. Akustické přijímače 8. Vlnovody 9. Modelování kmitajících soustav s rozprostřenými parametry, membrány, vzduchové mezery 10. Speciální elektroakustické měniče 11. Akustické pole v pevné fázi 12. Reproduktorové ozvučnice (RNDr. Bohumil Sýkora) 13. Piezoměniče, piezoelektřina 14. Signály, hudební akustika hudební nástroje.

4 Fyziologická akustika anatomie: jak to vypadá fyziologická akustika: jak to funguje psychologická akustika: jak vnímáme fyzikální veličiny hudební akustika: jak dosáhnout libých počitků

5 Anatomie lidského ucha

6 Vnější ucho: boltec (koncentrace zvukových vln, lokalizace) zvukovod (součást ochrany, transport energie, 24-27mm, oválný průřez 8x6mm, rezonátor v oblasti řeči 1-4 khz) bubínek (membrána akusticko-mechanický převod)

7 Střední ucho: kladívko kovadlinka třmínek (impedanční transformace 3600x) oválné okénko vstup do vnitřního ucha při vysokých hladinách hlasitosti se svaly napínající bubínek povolí a ochraňuje tak sluchový systém před nadměrnou expozicí Eustachova trubice vyrovnání tlaku před a za bubínkem

8 Vnitřní ucho: hlemýžď (mechanicko elektrochemická přeměna) 3,5 závitu tříkomorová stočená trubice, rozdělená bazilární membránou, na které je Cortiho orgán. Vše je v kapalině. zvuk vytváří postupnou vlnu po bazilární membráně, ohýbá vlasovými buňkami (součást Cortiho orgánu, jsou to senzorické neurony), počitky jsou pak přenášeny po nervech jak vše funguje teorie slyšení

9 rozvinutý hlemýžď

10 Cortiho orgán: fyziologie Tectorial membrane IHC Inner & outer rod OHC Scala tympani Bazilar membran e

11 Teorie slyšení 3. Helmholtzova rezonanční teorie (nejstarší). Vlákna v Cortiho ústrojí naladěné struny (fourierovský analyzátor), neodpovídají však rozměry 4. Teorie zvukových obrazů (Ewald) stojaté vlnění na bazilární membráně z poloh uzlů a kmiten obraz tónu jako celku 5. Rankeho teorie vlna se šíří po bazilární membráně a zpomaluje se. Na určitém poměru k průřezu kanálku hlemýžde se zastaví a vydráždí vláskové buňky 6. Frekvenční teorie analýza v CNS

12 Teorie slyšení (pokračování) 5. Békesyho vlnová teorie vlna postupuje od oválného okénka se vzrůstající amplitudou do určitého místa Cortiho orgánu, kde se utlumí. Rychlost vlny klesá (zvyšující se poddajnost BM) každé frekvenci odpovídá místo na endolymfatické trubici, dráždění konců vláskových buněk, které budí akční potenciály vláken sluchového nervu

13 Křivky stejné hlasitosti (pro čisté tóny)

14 Maskování zvýšení prahu slyšitelnosti působením určitého tónu (šumu) maskujícího zvuku pro maskované tóny. Když jsou vláskové buňky excitovány určitým signálem (maskujícím), nejsou schopny přijímat další informace (od maskovaných signálů)

15

16 Zpětné a dopředné maskování zpětné silnější signál, co následuje předběhne při zpracování hlasitější (vyvinuto pro obranu) dopředné maskující signál zahltí sluchový systém po dobu delší než existuje

17 Kritická pásma definice pomocí maskování či vjemu hlasitosti - experimentálně

18 Kritická pásma důkaz pomocí sledování hlasitosti I když porovnávané signály mají stejnou energii, když šířka pásma přesáhne kritické pásmo, tak se jeví jako hlasitější

19 Psychologická akustika studium vztahu mezi fyzikálními veličinami a počitky (vjemy) Stupně: detekce (práh vjemu) rozlišení (dvou rozdílných stimulů) kvalifikace (o co se jedná) kvantifikace (kolik toho je)

20 Zjišťování prahu (slyšitelnosti) = přechod od hodnocení vjem je / vjem není Psychometrická funkce 2 1 Ni m F Ni exp dni Ni práh pro dané podmínky je hodnota F(N) = 0,5

21 Weberův zákon a Fechnerův zákon (jsou dva!!!!) S stimulus (fyzikální veličina, fyzikálně měřitelná) R response (počitek, zjistitelný pouze psychometrickými metodami) Weberův zákon: S = K.S; K Weberův poměr, NENÍ konstantní Fechnerův zákon: R = C.log S S je měřen v násobcích prahové hodnoty oba jsou jen modelem, nejsou přesné

22 Skutečnost, že člověk vnímá logaritmicky vedla k definici decibelu a příslušných hladin: LI = 10.log(I/I0), I0=10-2 W/m 2 LW = 10.log(W/W0), W0=10-2 W Lp = 20.log(p/p0), p0= Pa Pro rovinnou vlnu se tyto hodnoty rovnají. A proč DECIbely? Člověk rozliší změnu hladiny přibližně 1 db.

23 JND (just noticeable difference), právě postřehnutelný rozdíl pro hladinu akustického tlaku: kmitočtově závislé, pro každý subjekt jiné, přibližně 1-2 db pro kmitočet: kmitočtově závislé, v pásmu nejvyšší citlivosti přibližně 2-3 Hz

24 Časové prahy slyšení registrace změny: sluchový vjem, maskování uvědomění si signálu vjem hlasitosti vjem výšky 2ms 10 ms 50 ms 100 ms ms Princip akustické neurčitosti f. t = konst. (konst = 0,1, závisí na intenzitě a obálce

25 Vztah mezi fyzikálními a psychoakustickými veličinami kmitočet výška tónu hladina intenzity hladina hlasitosti spektrální obsah, časový vývojbarva

26 Hlasitost H[son] = je subjektivní hlasitost referenčního tónu 1000 Hz při hladině signálu 40 db. Pokud se tento tón jeví 2x hlasitější, je jeho hlasitost 2 sony. Nad hladinou hlasitosti 40 Ph odpovídá zdvojnásobení hlasitosti v sonech vzestup hladiny hlasitosti přibliženě o 10 Ph. Pod isofonou 40 Ph je toto zvýšení o 5 Ph. (Tedy limity Weberova a Fechnerova zákona) Hladina hlasitosti S = 33,2.log H + 40

27 Lokalizace zdrojů zvuku

28 Sluchové cesty right ear left ear outer and middle ear outer and middle ear cochlea cochlea inner hair cells (IHC) inner hair cells (IHC) auditory nerve auditory nerve oliva superior monaural parameters, spectral components monaural parameters, spectral components binaural parameters, ITD & ILD

29 Binaurální slyšení: fyziologie sound localization: azimuth, elevation, distance azimuth assessment differences in intenzity (ILD) and phase (ITD) MSO, LSO (medial / lateral superior olive)

30 princip lokalizace v horizontální rovině: časové a dráhové meziušní rozdíly v mediální rovině: filtrace boltcem, zkušenost vzdálenost: hlasitost (pouze v určitém rozmězí) Haasův jev (jev precedence) : pokud slyšíme dva signály ze dvou zdrojů, které začnou zářit postupně v intervalu kratším než 30 ms, musí být druhý zdroj o 7 10 db hlasitější, abychom ho správně zaměřili

31 Zvukové signály zvuk v přiblížení amplitudově modulované harmonické signály použití příslušného matematického aparátu

32 terminologie zvuk x hluk x šum nejednotnost ve výkladu možná definice přes psychoakustiku: zvuk signál, který je člověku přínosem, líbí se mu, vztah k němu je kladný hluk signál, který člověku škodí, je mu nepříjemný, vztah k němu je záporný (tedy relativní!!) šum z matematického hlediska náhodná veličina na rozdíl od zvuku a

33 Klasifikace akustických signálů základní rozdělení : - deterministické lze popsat matematickým vztahem - stochastické.nelze popsat matematickým vztahem

34 Deterministické signály ( zvuk ) - přechodné (soustava se po určitém čase vrací do ustáleného stavu - periodické signály lze popsat vztahem x(t) = x(t + nt), n celé číslo periodické signály mohou být buď jednoduché obsahují jen jednu složku, nebo složité, které kromě základní harmonické obsahují její celistvé násobky - kvaziperiodické signály poměr alespoň dvou kmitočtových složek není racionální číslo (přirozené zvukové signály)

35 Stochastické signály ( šum ) - stacionární v čase se nemění statistické vlastnosti (hustoty pravděpodobnosti) dále se dělí na ergodické neergodické - nestacionární statistické charakteristiky se mění

36 Analýza hudebních signálů Tři roviny analýzy: dynamická, melodická, harmonická dynamická závislost amplitudy na času melodická závislost kmitočtu na času harmonická závislost amplitudy na kmitočtu

37 Kmitočtové vlastnosti hudebního signálu rovina harmonická, signál analyzujeme např. Fourierovými řadami, předpokládáme nekonečné trvání, to však neodpovídá realitě (statické pojetí), v něm zvuk periodický signál, hluk neperiodický základní harmonická vyšší harmonické částkové tóny

38

39 Rovina melodická zkoumání složek, fluktuace period, okamžitá f, neharmonicity

40 Časové vlastnosti hudebního signálu rovina dynamická, nejjednodušší, nejednoznačný výklad, obálka technika hry tremolo (AM)

41 Syntéza zvuku cíle: napodobení přirozených hudebních nástrojů tvorba analytických signálů pracuje se na základě analýzy psychoakustických parametrů zvuku 1) frekvenční spektrum zakmitaného stavu 2) časový vývoj diskrétních složek spektra 3) frekvenční vztahy diskrétních složek spektra 4) obsah a chování spojitých složek spektra

42 Metody zvukové syntézy - aditivní - subtraktivní - modulační - tvarová Aditivní syntéza nejstarší součet jednoduchých signálů v časové nebo frekvenční oblasti staticky Ak sin ( kt+ k) dynamicky Ak(t) sin ( k(t).t+ k(t)) nezní přirozeně

43 Subtraktivní syntéza řízená filtrace komplexního signálu jako zdroj se používají obdélníkové a trojúhelníkové signály, bílý a růžový šum (bohaté spektrum) řízení parametrů filtru (poloha a šíře pásma, strmost) jednoduchá a dostatečně přirozená (stejně vzniká hlas) Modulační metody frekvenční modulace (řízení nosné, modulační frekvence a index modulace) kruhová modulace (násobení dvou signálů)

44 Tvarové metody práce v časové oblasti nelineární tvarování zkreslení harmonického nebo komplexního signálu průchodem nelineárním obvodem přímé zadávání časového průběhu - aproximační metody nahrazení sinu parabolou 2 nebo 3. stupně - segmentační metody aproximace funkce přesným zadáním - řízení fázového zkreslení - interpolace -

45 Řečový signál

46

47