Dialogové systémy Luděk Bártek Dialogové systémy Luděk Bártek Laboratoř vyhledávání a dialogu, Fakulta Informatiky Masarykovy Univerzity, Brno jaro 2020 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 Fyzikální akustika ■ Amplituda - maximální výchylka kmitavého pohybu. Fyziologická akustika ■ Perioda (T) ■ doba jednoho opakování periodického děje. ■ jednotka - 1 s (sekunda). ■ Frekvence (f) ■ počet opakování periodického děje za jednotku času. ■ platí f = y m jednotka 1 Hz (Hertz). Kmity Fyzikální veličiny Dialogové systémy Luděk Bártek Fyzikální akustika Fyziologická akustika ■ 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: íp = uot ■ okamžitá výchylka: y = ymsinujt — ymsirri{j ■ okamžitá rychlost: v = ouymsinujt = 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 G = sinat ■ F = ma = —ky + sinat =4> a + u y = sinat . • i i f f v v f sinctt m partikulární reseni: 2 2 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 ■ Základní tón - průběh intenzity v čase lze popsat Luděk Bártek jednoduchou sinusoidou. Fyzikální akustika Fyziologická akustika ■ Složený tón - lineární kombinace jednoduchých tónů. 0.8 0.6 0.4 0.2 0 ■0.2 ■0.4 ■0.6 ■o.s 0.5*sin(x)+0.5*5in[2*x) - í 1 2 3 4 5 6 □ S 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 Luděk Bártek Využívá se rozkladu pomocí Fourierovy řady: 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 n bk = — / F(x)sin(kx)dx Hodnoty spektrálních koeficientů Sk = 3% + bl 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 = poSÍn(cjt) ■ po - maximální akustický tlak v průběhu periody m oj — úhlová rychlost ■ t - čas. Akustická intenzita a akustický tlak Dialogové systémy Luděk Bártek Akustická intenzita ■ Vyjadřuje množství akustické energie, které projde jednotkovou plochou za jednotku času. ■ Je přímo úměrná druhé mocnině akustického tlaku. ■ Rozsah intenzity zvuku - dán rozsahem minimální (/q) a maximálni (/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- '0 ■ 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. □ i5P 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 <\(y 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: 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 -F0. 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 Jejich umístění Fpiglattis Tuberde of epíglntfisi Yentrictilar fold Arye.piglottic fold Mechanizmus vnímaní řeči Dialogové systémy Luděk Bártek Zvuk vnímame sluchovým orgánem. Sluchový orgán: ■ 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 □ i5P 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.