Dialogové systémy Luděk Bártek Dialogové systémy Luděk Bártek Laboratoř vyhledávání a dialogu, Fakulta Informatiky Masarykovy Univerzity, Brno jaro 2019 Zvuk ■ kmitavý pohyb molekul prostředí (vzduchu) ■ vyvoláván pružným odporem prostředí Kmit hmotného bodu ■ pohyb bodu z rovnovážné polohy do místa s maximální výchylkou (amplitudou), odtud do protilehlého místa s maximální výchylkou zpět do rovnovážného bodu. Kmity Dialogové systémy Luděk Bártek Fyzikální akustika Fyziologická akustika perioda Kmity Fyzikální veličiny Dialogové systémy Luděk Bártek Amplituda - maximální výchylka kmitavého pohybu. Perioda (T) ■ doba jednoho opakovaní periodického děje. ■ jednotka - 1 s (sekunda). Frekvence (f) ■ počet opakovaní periodického děje za jednotku času ■ platí f = y ■ jednotka 1 Hz (Hertz). Kmity Fyzikální veličiny Dialogové systémy Luděk Bártek Síla působící na kmitající bod: ■ F = — ks, k - tuhost pružiny, s - aktuální výchylka pružiny ■ F = ma ma = —ks, m - hmotnost tělesa, a - zrychlení ■ a + oj2s = 0 (oj2 = ^, oj - úhlová rychlost kmitavého pohybu: oj = ^) fáze kmitavého pohybu: — uot okamžitá výchylka: y = ymsinujt — ymsimjj okamžitá rychlost: v = ujymsinujt = ymsimjj okamžité zrychlení: a = —ujymsinujt — ymsiníp Harmonické versus tlumené versus vynucené kmitání Dialogové systémy Luděk Bártek Harmonické kmitání ■ na těleso nepůsobí žádná vnější síla ■ v praxi se s ním téměř nesetkáme (odpor vzduchu, ... Tlumené kmitání ■ proti pohybu působí odpor prostředí ■ amplituda s časem (vzdáleností od zdroje) klesá Vynucené kmitání, rezonance ■ na hmotný bod působí navíc periodicky proměnné síla G = sinat ■ F = ma = —ky + sinat =4> a + u y = sinat ■ partikulární reseni: ) co>2 — a2 Zvuk - mechanické vlnění pružného prostředí (vzduch, voda, kov, ...) Akustika - věda studující zvuk (z řeckého akustikos -vztahující se k slyšení): ■ fyzikální - zvuk jako fyzikální vlnění ■ fyziologická akustika - vzniká a vnímání zvuku člověkem ■ hudební - zvuky z pohledu hudby ■ molekulární - vztah akustických vlastností a molekulární struktury Rozdělení zvuku: ■ infrazvuk - frekvence < 16 Hz ■ slyšitelný zvuk - 16 Hz - 16kHz ■ ultrazvuk - > 16 kHz ■ hyperzvuk - až 108 Hz - využíván např. molekulární akustikou. Jednoduchý vs. složený tón Dialogové systémy Luděk Bártek ■ Základní tón - průběh intenzity v čase lze popsat jednoduchou sinusoidou. Fyzikální akustika Fyziologická akustika ( \ ; ■ Složený tón - lineární kombinace jednoduchých tónů. o.s 0.6 0.4 0.2 0 ■0.2 ■0.4 ■0.6 -0.8 0.5*5in(x)+0.5+sin(2*x) - 1 2 3 4 5 6 □ S ► < -E ► •< -E ► -E O Q, O Akustické spektrum zvuku Dialogové systémy Luděk Bártek Akustické spektrum - množina základních tónů, ze kterých je zvuk složen. Získání spektra - Fourierova transformace: ■ F(x) musí splňovat Dirichletovy podmínky ■ periodická funkce s periodou T ■ je na daném intervalu po částech spojitá (nejvýše konečný počet bodů nespojitosti 1. druhu) ■ má nejvýše konečný počet extrémů na daném intervalu ■ definována v krajních bodech daného intervalu: Akustické spektrum Výpočet hodnot Dialogové systémy Využívá se rozkladu pomocí Fourierovy řady: Luděk Bártek F(x) = ^ + 3íCOs(íujx) + bisin(iujx) oo i=l uj — 2tt T aproximace F(x) je nejlepší při použití hodnot koeficientů a a b\ 2 n a/c = — / F(x)cos(kx)dx 2 fi bf< = — / F(x)sin(kx)dx Hodnoty spektrálních koeficientů Sk = 3% + bl >0 0,0 Akustické spektrum zvuku pokračování Dialogové systémy Luděk Bártek Problém - zvuk je periodický pouze na určitých intervalech. ■ analýza na krátkém intervalu, kde se předpokládá, že je periodický. Z hlediska fyziologické akustiky - spektrum odpovídá rezonanci odpovídajících vlákének Cortiho ústrojí, resp. odpovídající reakci neuronů. Akustický tlak Dialogové systémy Luděk Bártek Akustický tlak ■ Odpovídá síle působící na element plochy v prostředí akustického vlnění. ■ Pro sinusovou vlnu platí: p = posin(cjt) ■ po - maximální akustický tlak v průběhu periody m oj - úhlová rychlost ■ t - čas. Akustická intenzita a akustický tlak Dialogové systémy Luděk Bártek Fyzikální ■ Akustická intenzita akustika Fyziologická ■ Vyjadřuje množství akustické energie, které projde akustika jednotkovou plochou za jednotku času. ■ Je přímo úměrná druhé mocnině akustického tlaku. ■ Rozsah intenzity zvuku - dán rozsahem minimální (Iq) a maximální (/i) akustické intenzity, kdy jsme schopni vnímat tón o frekvenci 1 kHz. ■ Práh citlivosti - p0 = 2 • 10~2Nm~2. ■ Práh bolestivosti - pi = 102Nm~2. ■ Rozsah - 2,5 • 1013Nm~2. Weber-Fechnerův psychofyzikální zákon ■ Člověkem subjektivně vnímaná hlasitost roste při geometrickém nárůstu intenzity přibližně lineárně. ■ Pro stanovení hladiny intenzity zvuku (L) volíme L = 10 • \ogl- h ■ jednotka - 1 bel (originál bell) [B] ■ Prakticky se využívá odvozená jednotka decibel [dB] (ÍO^S). Orientační hodnoty akustické intenzity Dialogové systémy Luděk Bártek šepot - 10 - 20 dB tlumený hovor - 35 - 45 dB symfonický orchestr - 70 - 90 dB rocková hudba - 110 - 130 dB. Základy fyziologické akustiky Dialogové systémy Luděk Bártek Fyzikální akustika Fyziologická akustika ■ Fyziologická akustika se zabývá: ■ mechanizmem vytváření řeči ■ mechanizmem vnímání řeči. ■ Využívá Helmholtzovu rezonanční teorii. 1 >o Q,o Helmholtzův rezonátor Dialogové systémy Luděk Bártek Princip činnosti: ■ Přivedením vzduchu do rezonátoru v něm vznikne přetlak. ■ Ten vytlačuje přebytečný vzduch ven a následně vzniká podtlak, který způsobí nasávání vzduchu z okolí. ■ Takto vzniká periodický děj: f Mechanismus vytváření řeči Dialogové systémy Luděk Bártek Řeč vzniká pomocí hlasového ústrojí (umístěno v hrtanu). Hlasivky vytváří úzkou hlasovou štěrbinu a jsou rozechvívány procházejícím vzduchem. Frekvence jejich kmitání určuje základní hlasivkový tón - Zvuk, který vzniká v hrtanu pomocí hlasivek (samohlásky, znělé souhlásky) je modifikován v rezonančních dutinách: ■ h rta nové ■ ústní ■ nosohltanové. Rezonanční dutiny fungují na stejném principu jako Helmholtzův rezonátor). Hlasivky a schéma lidského hlasového ústroji Dialogové systémy Luděk Bártek Hlasivky Epiglottis Yentrictilar fold Arye.piglottic fold ■ Jejich umístění Mechanizmus vnímání řeči Dialogové systémy Luděk Bártek Fyzikální ■ Zvuk vnímáme sluchovým orgánem. akustika ■ Sluchový orgán: Fyziologická akustika ■ vnější ucho - zachycuje, soustřeďuje a přivádí zvukové vlny ke střednímu uchu ■ střední ucho ■ mechanickou cestou přenáší zvukovou energii mezi vnějším a vnitřním uchem ■ obsahuje mechanizmy k vyrovnání rozdílů tlaku mezi vnějším prostředím a sluchovým orgánem ■ vnitřní ucho - převádí zvukovou energii na vzruchy, které jsou vedeny dále do mozku. Schéma sluchového orgánu Dialogové systémy Luděk Bártek Fyzikálni akustika Fyziologická akustika Obrázek: Schéma sluchového orgánu Vnější ucho Dialogové systémy Luděk Bártek Obsahuje: ■ Ušní boltec - soustřeďuje zvukové vlny do zvukovodu. ■ Zvukovod - vede zachycenou zvukovou energii (vlny) k bubínku. ■ Bubínek: ■ Tenká blána na konci zvukovodu - síla cca 0.1 mm. ■ Zesílí a přenese zvukovou energii na kůstky středního ucha. Strední ucho Dialogové systémy Luděk Bártek Obsahuje: Kůstky středního ucha: ■ kladívko - přiléhá k bubínku ■ kovad linka ■ třmínek - přiléhá k oválnému okénku, kterým se zvuková energie předává do vnitřního ucha. Oválné okénko - tvoří přístup k vnitřnímu uchu. Eustachova trubice: ■ Vede ze středního ucha do nosohltanu. ■ Slouží k vyrovnání rozdílu tlaku mezi vnějším prostředím a středním uchem, aby nedošlo poškození sluchu. ■ Hlemýžď (Cochlea): ■ Je naplněn vodnatým roztokem. ■ Ustrojí ve tvaru ulity hlemýždě, které obsahuje Cortiho ústrojí. ■ Cortiho ústrojí obsahuje zhruba 20000 vlákének s délkami 40 //m - 0,5 mm. ■ Vlákénka jsou jsou napojena na nervová zakončení, která vedou vzruchy do příslušného centra v mozku. ■ Rovnovážný orgán.