Fyzikální akustika Fyziologická akustika PB095 - Uvod do počítačového zpracování řeči Luděk Bártek Fakulta Informatiky Masarykova Univerzita Brno podzim 2016 Luděk Bártek PB095 - Úvod do počítačového zpracování řeči Fyzikální akustika Fyziologická akustika h Q Fyzikální akustika Q Fyziologická akustika Luděk Bártek PB095 - Úvod do počítačového zpracování řeči • Zvuk je fyzikální vlnění: • kmitavý pohyb molekul • mechanické vlnění látkového prostředí vyvolávající sluchový vjem. • Zvuk je charakterizován: • frekvencí • amplitudou. Luděk Bártek PB095 - Úvod do počítačového zpracování řeči Fyzikální akustika Fyziologická akustika 9 Perioda (T) - nejkratší doba, kterou tělesu trvá průchod stejnou fází pohybu. o Frekvence - f = y • Jednotka - Hz • 1 Hz = 1 perioda za sekundu Luděk Bártek PB095 - Úvod do počítačového zpracování řeči Závisí na prostředí a řadě dalších fyzikálních faktorů • teplota o tlak • ... Rychlost zvuku v různých prostředích: • vzduch (13,4 stupňů) - 340 m/s • voda (25 stupňů) - 1500 m/s • rtut - 1400 m/s • beton - 1700 m/s • led - 3200 m/s 9 ocel - 5000 m/s • sklo - 5200 m/s Luděk Bártek PB095 - Úvod do počítačového zpracování řeči Fyzikální akustika Fyziologická akustika b pružině Zanedbáváme: • odpor prostředí • gravitaci • ... Základní veličiny: • amplituda - maximální hodnota výchylky dané periodické veličiny (ymax) • perioda (T) - doba trvání jednoho opakování daného jevu. Měří se v sekundách • frekvence - F = y [Hz]. • okamžitá výchylka - y = ymaxsin{ujť) • co - úhlová rychlost periodického jevu oo = ^ = 2ttF [s~ • t - čas Luděk Bártek PB095 - Úvod do počítačového zpracování řeči Luděk Bártek PB095 - Úvod do počítačového zpracování řeči Vznikají působením vnější síly, která působí proti vlnění. • např. odpor prostředí, ... Způsobuje pozvolné zmenšování amplitudy kmitání. Luděk Bártek PB095 - Úvod do počítačového zpracování řeči Fyzikální akustika Fyziologická akustika e onance • Vlastní kmity - jsou kmity soustav bez působení vnějších sil. 9 Vnější kmity - vynuceny vnějším prostředím systému (buzením). • Rezonance - fyzikální jev, malá budící síla může způsobit značné změny kmitajícího systému. • Ar - rezonanční amplituda • S - amplituda budící síly • m - hmotnost kmitajícího tělesa • b - tlumení kmitající soustavy (řádově menší než omega) • oj - úhlová rychlost tlumených kmitů S Ar m Luděk Bártek PB095 - Úvod do počítačového zpracování řeči Fyzikální akustika Fyziologická akustika Akustický tlak a akustická ir itenzita • Akustická intenzita: o množství energie, které projde jednotkovou plochou za jednotku času - jednotka Wm~2 • P - tlak, S - plocha o Akustický tlak - síla působící na element plochy v prostředí vlnivého děje (jednotka Pascal [Pa]) • zvuk = zhuštování a zřeďování pružného prostředí akustický tlak odpovídá vyvolaným změnám tlaku prostředí. • má-li sinusový průběh: p = poSÍn(cjt) Po - maximální akustický tlak v průběhu periody • Akustická intenzita je úměrná druhé mocnině akustického tlaku. Luděk Bártek PB095 - Úvod do počítačového zpracování řeči Fyzikální akustika Fyziologická akustika Akustická intenzita (2.) • Práh citlivosti (slyšení) - /0 = 10 - 121/l/m"2 « 20/iPa. • Práh bolesti - 1 Wm~2 « 130 Pa. • Intenzita není vnímána lineárně (lineární nárůst vnímané intenzity odpovídá geometrickému nárůstu intenzity) Weber-Fechnerův psychofyzikalní zákon • Hladina intenzity (hlasitost) zvuku L L = 10 log( — f = 20 log— Po Po • Jednotka 1 Bel (1B) - rozsah hladin cca 13 Belů Luděk Bártek PB095 - Úvod do počítačového zpracování řeči • Orientační hodnoty: šepot - 10 — 20 d B • tlumený hovor - 35 — 45 dB • hovor střední hlasitosti - 50 — 55 dB • symfonický orchestr - 70 — 90 dB • rocková hudba - 110 — 130 d B • vzlet proudového letadla ^ 190 dB • Subjektivní vnímání akustické intenzity závisí na frekvenci. Luděk Bártek PB095 - Úvod do počítačového zpracování řeči Základní tón - zvukovou intenzitou v závislosti na čase odpovídá sinusoidě Složený tón - lineární kombinace základních tónů • většina zvuků 0.5+sin[x)+0.5+sin(2+x) .j I_I_I_I_I_I_L 0 1 2 3 4 5 Ď Luděk Bártek PB095 - Úvod do počítačového zpracování řeči Fyzikální akustika Fyziologická akustika Luděk Bártek PB095 - Úvod do počítačového zpracování řeči • Reálné zvuky: • Jedná se většinou složené tóny. • Složeny ze základních tónů. • Lze je rozložit na jednotlivé složky - akustické spektrum Frequency Analysis • K získání frekvenčních charakteristik lze využít např Fourierovu transformaci, lineární predikci, ... Luděk Bártek PB095 - Úvod do počítačového zpracování řeči Fyzikální akustika Fyziologická akustika Necht f(x) je periodická, po částech spojitá funkce s periodou T, která ma na intervalu T nejvýše spočetně mnoho extrémů a bodů nespojitosti, potom ji lze aproximovat pomocí vztahu: f(x) = y + ^(a/c cos(kx) + bk sin(kx)) k=l Nejlepší aproximace vychází pro: • a, a + T - interval periodicity funkce f(x). 2 rot+T 3k = oo T f\x)cos(kujx)dx a f(x)sin(kujx)dx OL uj — 2tt Luděk Bártek PB095 - Úvod do počítačového zpracování řeči Fyzikální akustika Fyziologická akustika Zá kl a d Fy z i io 0| gi ic ké a ki ■ i JSt :i ky • Mechanismus vytváření řeči • Mechanismus vnímání řeči • Helmholtzova rezonanční teorie • G. Bekesy - Nobelova cena za fyziologii a medicínu za výzkum funkce cochlei(3. 6. 1899, Budapest - 13. 6. 1972, Honolulu) • Helmholtzův rezonátor Luděk Bártek PB095 - Úvod do počítačového zpracování řeči Fyzikální akustika Fyziologická akustika Řeč vytváří hlasové ústrojí: • v hrtanu - hlasivky. • Hlasivky vytváří úzkou hlasovou štěrbinu - vzduch je při průchodu rozkmitá. • Frekvence kmitání hlasivek - základní hlasivkový tón. Zvuk vzniklý v hrtanu (s výjimkou např. sykavek) je modifikován v rezonančních dutinách (obdoba Helmholtzova rezonátoru). Rezonanční dutiny: • hrtanové • ústní • nosohltanové. Luděk Bártek PB095 - Úvod do počítačového zpracování řeči Luděk Bártek PB095 - Úvod do počítačového zpracování řeči Fyzikální akustika Fyziologická akustika H la sové L J st roj ŕ - sei- len na h las jivek Median glowo-epiglattic fold Trachea Luděk Bártek PB095 - Úvod do počítačového zpracování řeči Fyzikální akustika Fyziologická akustika VocaL oonds Votal Cúrd S abducted addueted to trcatho to spsák • Pří dýchání jsou hlasivky rozevřeny. • Při řeči se dutina zužuje a proudící vzduch je rozechvívá, tím se vytváří základní hlasivkový tón, ten je dále modifikován v hlasových dutinách: • hrtanové • nosohltanové • ústní Luděk Bártek PB095 - Úvod do počítačového zpracování řeči • Sluchový orgán: o ušní boltec - zachycuje a koncentruje zvukovou energii • zvukovod - vede zachycenou energii k bubínku • ušní bubínek - rezonancí rozkmitán a přenáší vlnění na kůstky středního ucha: • kladívko • kovad linka • třmínek • Eustachova trubice • vede ze středního ucha do dutiny ústní • slouží k vyrovnávání případných přetlaků (brání poškození středního a vnitřního ucha) • oválné okénko - jemná membrána tvořící rozhraní mezi středním a vnitřním uchem 9 hlemýžď (Cochlea) 9 součást vnitřního ucha • ústrojí ve tvaru ulity hlemýždě Luděk Bártek PB095 - Úvod do počítačového zpracování řeči Fyzikální akustika Fyziologická akustika Luděk Bártek PB095 - Úvod do počítačového zpracování řeči 9 Hlemýžd (Cochlea) • součást vnitřního ucha • ústrojí ve tvaru ulity hlemýždě • naplněno vodnatým mokem • obsahuje Cortiho ústrojí o Cortiho ústrojí: • obsahuje cca 20 000 vlákének jejich délka od cca 40 /um do 0,5 mm • rezonují s jednotlivými tóny ve zvuku o vlákénka jsou připojena na nervová zakončení, která slouží k přenosu informací o jednotlivých složkách zvuku do mozku. Luděk Bártek PB095 - Úvod do počítačového zpracování řeči ■v Rečové centrum v mozku Broca's area L Motor projection areas related to speech Wernicke's area Auditory projection area Luděk Bártek PB095 - Úvod do počítačového zpracování řeči Fyzikální akustika Fyziologická akustika Zpracování zvuku v mozku Dokončení • Brocova oblast: • obsahuje artikulační vzorce - sekvence zapojení jednotlivých svalů potřebných k vyslovení slova. • Brocova expresivní, motorická - afázie - rozumí řeči, má problémy s výslovností: • vynechávání slov • telegrafická kvalita řeči o řeč je kostrbatá • ... • Wernickeho oblast • obsahuje sluchové vzorce a významy slov Luděk Bártek PB095 - Úvod do počítačového zpracování řeči