Autor: Kurz: FYZIOLOGICKÁ A PSYCHOLOGICKÁ AKUSTIKA Studiová technika II Jiří Schimmel FYZIOLOGICKÁ A PSYCHOLOGICKÁ AKUSTIKA STUDIOVÁ TECHNIKA II 2 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Sluchový orgán FYZIOLOGICKÁ A PSYCHOLOGICKÁ AKUSTIKA STUDIOVÁ TECHNIKA II 3 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Sluchový orgán • zevní ucho: zachycení a přivedení zvukového vlnění k bubínku • střední ucho: převedení vlnění do tekutého prostředí vnitřního ucha • vnitřní ucho: přeměna kmitů na nervový podnět, který je dále zpracováván mozkem kladívko kovadlinka třmínek rovnovážné ústrojí nervová vlákna cochlea (hlemýžď) Eustachova trubice oválné okénko okrouhlé okénko bubínek zvukovod ZWICKER, Eberhard, FASTL, Hugo. Psychoacoustics, Facts and Models, 2nd ed. Springer, 1999. 416 s. ISBN 3-540-65063-6https://www.youtube.com/watch?v=PeTriGTENoc FYZIOLOGICKÁ A PSYCHOLOGICKÁ AKUSTIKA STUDIOVÁ TECHNIKA II 4 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Zevní ucho • Boltec: směrový nástavec, pro zachycení zvuku bubínkem, • Zevní ucho a stín hlavy ovlivňují intenzitu podnětů přicházejících k bubínku z různých směrů. U zvuků kmitočtů 500 Hz a vyšších, zvláště 4000 až 5000 Hz, je již hlasitost vjemu velmi ovlivněna směrem zdroje zvuku. ušní bubínek vnější zvukovod FYZIOLOGICKÁ A PSYCHOLOGICKÁ AKUSTIKA STUDIOVÁ TECHNIKA II 5 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Zevní ucho • Zvukovod: oválný průřez, délka 23 až 24 mm, osa je odkloněna lehce dozadu a dolů, objem 1,2 až 1,5 ml, rozhoduje o impedanci zevního ucha. • Přenosová funkce zvukovodu má dvě rezonanční maxima na kmitočtech cca 5 a 10 kHz, která jsou důsledkem fyzikálních rozměrů zvukovodu. Mehrgardt, S., Mellart, V. „Transformation characteristics of the external human ear“, Journal of the Acoustical Society of America, 61, 6/1977, s. 1567-1576. FYZIOLOGICKÁ A PSYCHOLOGICKÁ AKUSTIKA STUDIOVÁ TECHNIKA II 6 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Střední ucho • Od zevního ucha je odděleno bubínkem, vnitřní stěna kostěná, je v ní uloženo vnitřní ucho a dvě okénka – oválné a okrouhlé, vedoucí k hlemýždi. • Z vnitřní stěny je k bubínku přirostlá rukojeť kladívka, jehož hlavička je spojena s kovadlinkou. Kovadlinka se spojuje s třmínkem, který srůstá s blankou oválného okénka. • Řetěz kůstek tvoří pákový mechanismus působící jako impedanční transformátor, středoušní svaly se stahují se na silné zvukové podněty, tím snižují vnímanou hlasitost silných zvuků a chrání vnitřní ucho před poškozením. kladívko kovadlinka třmínek oválné okénko okrouhlé okénko FYZIOLOGICKÁ A PSYCHOLOGICKÁ AKUSTIKA STUDIOVÁ TECHNIKA II 7 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Vnitřní ucho • Rovnovážné (vestibulární) ústrojí: vnímání polohy těla a pohybů v prostoru • Hlemýžď: ústrojí pro vnímání zvuků, jeho prostor je rozdělen na dvě patra, dělicí část je tvořena vlastním smyslovým ústrojím, tzv. Cortiho orgánem, jehož dolní část je tvořena bazilární membránou, na které jsou smyslové vláskové buňky. • Přenos zvukových kmitů je zprostředkován tekutinou, její pohyb při průchodu hlemýžděm vyvolá výchylku bazilární membrány a tím také smyslových buněk. Tento pohyb vede ke změně polohy vlásků vzhledem ke krycí membráně, která je vlastním impulsem pro smyslový vjem. rovnovážné ústrojí nervová vlánka cochlea (hlemýžď) oválné okénko okrouhlé okénko rozvinutý hlemýžď Basilar Membrane, Up Date Physician Channel | NuMovi.Nubunk.Com, 4. 6. 2014 Brandon Pletsch, Auditory Transduction, Medical College of Georgia, 26. 8. 2009 FYZIOLOGICKÁ A PSYCHOLOGICKÁ AKUSTIKA STUDIOVÁ TECHNIKA II 10 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Kmitočtová analýza zvuku ve vnitřním uchu • Vlnová teorie: rychlost šíření vlny v hlemýždi se mění a tím dochází k místnímu zesílení vibrací bazilární membrány, výška tónu se rozlišuje podrážděním nervových zakončení na různých místech bazilární membrány • Experimenty prováděné von Békesy ukázaly, že nízké kmitočty způsobují ve vnitřním uchu oscilace, které dosahují maxima na vrcholu bazilární membrány, vysoké kmitočty naopak na její základně. základna šířka 100 m 20 000 H z 1500Hz 7000 Hz 5000 Hz 1000 Hz 4000 Hz 750 Hz 250Hz 500 Hz 3000 Hz 2000 Hz vrchol šířka 500 m délka 33 mm FYZIOLOGICKÁ A PSYCHOLOGICKÁ AKUSTIKA STUDIOVÁ TECHNIKA II 11 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Kmitání bazilární membrány vrcholzákladna 2 kHz 6 kHz WADA Laboratory, Dept. of Bioengineering and Robotics, Graduate School of Engineering, Tohoku University 0 mm 32 mm d = 100 m d = 500 m d FYZIOLOGICKÁ A PSYCHOLOGICKÁ AKUSTIKA STUDIOVÁ TECHNIKA II 12 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Princip tonotopie • každému kmitočtu zvukového vlnění odpovídá určité místo maxima výchylky kmitání bazilární membrány • mozek vyhodnotí kmitočet tónu podle místa největšího podráždění 030 mm 1020 20 kHz200 Hz vrchol základna bazilární membrána maximální výchylka bazilární membrány vzdálenost od třmínku kmitočet https://auditoryneuroscience.com/ear/bm0-frequency-modulated-tone FYZIOLOGICKÁ A PSYCHOLOGICKÁ AKUSTIKA STUDIOVÁ TECHNIKA II 13 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Tonotopická osa 100 500 1000 2000 200 5000 10000 20000 Hz 15000 6000 7000 8000 9000 4000 3000 1500300 400 600 700 800 900 FLETCHER, Harvey. „Auditory Patterns“, Rev. Mod. Phys., Vol.12, pp.47-55, Jan. 1940. • vzdálenost od třmínku převedená na charakteristický kmitočet • tato závislost je logaritmická z – vzdálenost na bazilární membráně v mm, f – kmitočet, a = 0,06ln(10)    1165  az ezf          1 165 ln 1 f a fz FYZIOLOGICKÁ A PSYCHOLOGICKÁ AKUSTIKA STUDIOVÁ TECHNIKA II 14 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Tonotopická osa 0 0.5 1 1.5 2 x 10 4 0 10 20 30 z[mm] f [Hz]  0 10 20 30 0 0.5 1 1.5 2 2.5 x 10 4 z [mm]  f[Hz] • s rostoucím f se zkracuje úsek membrány odpovídající konstantní šířce pásma • vláskové buňky jsou na membráně rozloženy rovnoměrně → s rostoucím f logaritmicky klesá kmitočtové rozlišení FYZIOLOGICKÁ A PSYCHOLOGICKÁ AKUSTIKA STUDIOVÁ TECHNIKA II 15 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Vlastnosti sluchového orgánu FYZIOLOGICKÁ A PSYCHOLOGICKÁ AKUSTIKA STUDIOVÁ TECHNIKA II 16 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Vztah mezi objektivními a subjektivními vlastnostmi zvuku • Weberův-Fechnerův zákon: popisuje vnímání podnětů (nejen zvukových) člověkem – akustické veličiny, které se mění řadou geometrickou, vnímá lidské ucho řadou aritmetickou a násobky akustických veličin jsou uchem vnímány jako přírůstky: objektivní vlastnost zvukového vlnění subjektivní vjem intenzita hlasitost kmitočet výška doba trvání subjektivní doba trvání počáteční fáze aScR  log konst. d  I I FYZIOLOGICKÁ A PSYCHOLOGICKÁ AKUSTIKA STUDIOVÁ TECHNIKA II 17 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Oblast slyšitelnosti • Práh slyšitelnosti: minimální průměrná hladina akustického tlaku, kterou je člověk s normálním sluchem schopný slyšet. • Hmatový práh: podráždění hmatových tělísek ve sluchovém orgánu. • Práh bolesti: pocit bolesti ve sluchovém orgánu. • Oblast slyšitelnosti: oblast vymezená kmitočtovou závislostí prahu sluchu a hmatového prahu. f [kHz] 0,05 0,1 0,2 0,5 1 20,02 0 20 40 60 80 100 5 10 20 120 140 práh bolesti práh slyšitelnosti hudba řeč hmatový práh L[dB(SPL)] FYZIOLOGICKÁ A PSYCHOLOGICKÁ AKUSTIKA STUDIOVÁ TECHNIKA II 18 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Práh slyšitelnosti • Vztažná hodnota 2.10–5 Pa pro výpočet hladiny akustického tlaku byla zvolena podle hodnoty prahu slyšitelnosti v okolí kmitočtu 1 kHz, ve skutečnosti je však vyšší než 0 dB(SPL). vnější ucho střední ucho cochlea Cortiho orgán sluchový nerv akustický signál 100 1000 10000 0 20 40 60 80 f [Hz]  LP [dB(SPL)] FYZIOLOGICKÁ A PSYCHOLOGICKÁ AKUSTIKA STUDIOVÁ TECHNIKA II 19 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Práh slyšitelnosti • Audiogram: udává, o kolik dB je sluchový práh posunut oproti normálnímu sluchovému prahu. f [kHz] 0,05 0,1 0,2 0,5 1 2 20 0 20 40 60 80 5 10 20 věk 20 60 40 L[dB(SPL)] FYZIOLOGICKÁ A PSYCHOLOGICKÁ AKUSTIKA STUDIOVÁ TECHNIKA II 20 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Hlasitost zvuku • Vlastnost sluchového vnímání, podle které lze uspořádat zvuky na stupnici v rozsahu od tichých po hlasité. • Přírůstek hlasitosti je úměrný relativní změně intenzity zvuku. • Je závislá také na kmitočtu: křivky stejné hlasitosti udávají hladiny akustického tlaku sinusové rovinné postupné vlnou o kmitočtu 1000 Hz, která je posouzena jako stejně hlasitá jako daný zvuk. • Jednotkou hladiny hlasitosti je fon (phon) [Ph]. 0,02 0,05 0,1 0,2 0,5 1 0 20 40 60 80 2 5 10 20 f [kHz] L[dB(SPL)] 10 fonů 100 120 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 práh slyšitelnosti FYZIOLOGICKÁ A PSYCHOLOGICKÁ AKUSTIKA STUDIOVÁ TECHNIKA II 21 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Subjektivní hlasitost • Hladina hlasitosti ve fonech nevyjadřuje správně subjektivně vnímané změny hlasitosti. • Výslednou hladinu zvuku složeného z několika čistých tónů nedostaneme sečtením dílčích hlasitostí jednotlivých tónů. • Subjektivní hlasitost [son]: hlasitost 1 sonu mají tóny o hladině hlasitosti 40 fonů. Zvuk subjektivně vnímaný jako dvojnásobně silný bude mít v rozmezí hladin hlasitosti 20 až 120 Ph hladinu zvýšenou o 10 fonů. Aditivní veličina. • Převod mezi hlasitostí N [son] a hladinou hlasitosti LN [Ph]: • Minimální postřehnutelná změna intenzity zvuku I/I je nízká pro hladiny pod 50 dB(SPL).   10/40 2   NL N 40log22,33  NLN FYZIOLOGICKÁ A PSYCHOLOGICKÁ AKUSTIKA STUDIOVÁ TECHNIKA II 22 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Výška zvuku • Vlastnost zvukového vnímání umožňující uspořádat zvuky na stupnici v rozsahu od hlubokých po vysoké. • Výška tónu je na kmitočtu závislá, ale ne totožná, závisí také na hladině akustického tlaku zvuku. • Jednotkou výšky zvuku je mel. • tón 1000 Hz na hladině akustického tlaku 40 dBSPL má subjektivní výšku 1000 melů, • Závislost výšky na kmitočtu se liší pro čisté tóny a úzkopásmový šum. 0,05 0,1 0,2 0,5 1 50 100 200 500 2 5 10 20 f [kHz] výškazvuku[mel] 2000 1000 5000 FYZIOLOGICKÁ A PSYCHOLOGICKÁ AKUSTIKA STUDIOVÁ TECHNIKA II 23 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Výška zvuku • Subjektivní výška tónu závisí také na jeho hlasitosti. • Zvětšujeme-li hlasitost nízkých tónů, jejich subjektivní výška se zmenšuje. • Minimální rozpoznatelná změna kmitočtu: závislá na kmitočtu a intenzitě tónu (při f = 2000 Hz je f/f = 0,0017). 0,05 0,1 0,2 0,5 1 50 100 200 500 2 5 10 20 f [kHz] výškazvuku[mel] 2000 1000 5000 40 50 60 3 70 80 Lp [dBSPL]změnavýškyzvuku[%] 2 1 0 1 2 3 f = 6 kHz f = 4 kHz f = 1 kHz f = 0,2 kHz FYZIOLOGICKÁ A PSYCHOLOGICKÁ AKUSTIKA STUDIOVÁ TECHNIKA II 24 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Subjektivní doba trvání zvuku • Vnímaná doba trvání velmi krátkých zvuků se neshoduje s jejich skutečnou dobou trvání. Jednotkou subjektivní doby trvání zvuku je Dura. • U zvuků, jejichž doba trvání je kratší než jedna sekunda, je subjektivní doba trvání větší. • Mezním časovým prahem, kdy lidský sluch postřehne změnu zvuku, jsou přibližně 2 ms. skutečná doba Ti [ms] 10 30 100 300 1000 30003 0,01 0,03 0,1 0,3 1 3 subjektivnídobaD[dura] 0,003 FYZIOLOGICKÁ A PSYCHOLOGICKÁ AKUSTIKA STUDIOVÁ TECHNIKA II 25 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Vlastnosti složených zvuků • Výška: Při poslechu složených zvuků s diskrétním spektrem nevnímáme výšky jejich harmonických složek odděleně, ale splývají nám do jediného vjemu výšky. Ta je pro zvuky se základním kmitočtem menším než 1000 Hz o něco nižší než výška harmonického zvuku se stejným kmitočtem. • Hlasitost: Při vytváření vjemu hlasitosti složeného zvuku se uplatňují dva rozdílné mechanismy sčítání: • Sčítání intenzit spektrálních složek zvuku ležících uvnitř určitých kmitočtových pásem, tzv. kritických pásem slyšení. • Sčítání příspěvků jednotlivých kritických pásem do výsledné součtové hlasitosti. • Barva: vlastnost sluchového vnímání, která umožňuje posluchači usoudit, že dva neidentické zvuky mající stejnou hlasitost a stejnou výšku si nejsou podobné (předpokládá se stejný způsob prezentace obou zvuků). FYZIOLOGICKÁ A PSYCHOLOGICKÁ AKUSTIKA STUDIOVÁ TECHNIKA II 26 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Vlastnosti složených zvuků • Výška zvuku s diskrétním spektrem se základním kmitočtem menším než 1000 Hz je nižší než výška čistého tónu o stejném kmitočtu. f [Hz] rozdílvýšek[%] 100 500 1000200 2000 500050 3 2 1 0 FYZIOLOGICKÁ A PSYCHOLOGICKÁ AKUSTIKA STUDIOVÁ TECHNIKA II 27 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Vlastnosti složených zvuků • Hladina hlasitosti: lze sčítat pouze hlasitosti dvou zvuků v sonech (pokud nedochází k jejich maskování). • Vytváření vjemu hlasitosti složených zvuků: • Sčítání intenzit spektrálních složek zvuku ležících uvnitř tzv. kritických pásem slyšení. Celková intenzita kritického pásma pak vyvolá tzv. specifickou hlasitost. • Sčítání příspěvků jednotlivých kritických pásem do výsledné součtové hlasitosti. Při tomto sčítání ale k celkové hlasitosti přispívají pouze ty složky spektra, které nejsou maskovány jiným zvukem. FYZIOLOGICKÁ A PSYCHOLOGICKÁ AKUSTIKA STUDIOVÁ TECHNIKA II 28 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Vlastnosti složených zvuků • Barva zvuku: vlastnost sluchového vnímání, která umožňuje posluchači usoudit, že dva neidentické zvuky mající stejnou hlasitost a stejnou výšku si nejsou podobné. FYZIOLOGICKÁ A PSYCHOLOGICKÁ AKUSTIKA STUDIOVÁ TECHNIKA II 29 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Časově proměnné vlastnosti zvukového signálu • Pojetí spektra signálu z hlediska integrální Fourierovy transformace v teoretické podobě předpokládá nekonečnou délku signálu a stabilitu všech jeho vlastností. Takto chápané pojetí zvukového vlnění je statické a nevystihuje časovou závislost vlastností zvukového vlnění. • Vlastnosti zvukového vlnění se časově mění (čas je nezávislou proměnnou zvukových veličin). Časová závislost vlastností zvuku souvisí s chováním vlastností zvuku v průběhu jeho trvání. • Při analýze signálů, jejichž charakter se v čase rychle mění, se využívá krátkodobých spekter. Ta lze získat různými matematickými metodami (transformace, banky filtrů). FYZIOLOGICKÁ A PSYCHOLOGICKÁ AKUSTIKA STUDIOVÁ TECHNIKA II 30 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Časově proměnné vlastnosti zvukového signálu FYZIOLOGICKÁ A PSYCHOLOGICKÁ AKUSTIKA STUDIOVÁ TECHNIKA II 31 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Ohmův-Helmholzův psychoakustický zákon • Barva zvuku je zobecněna na souvislost se spektrem odpovídajícího zvukového signálu a jeho časovými změnami. • Ohmův akustický zákon: lidské ucho vnímá kmitání částic vzduchu jako jednoduchý tón a každé jiné periodické kmitání těchto částic rozkládá v řadu pravidelných kmitů a vnímá k nim odpovídající řadu jednoduchých tónů. • U periodických zvuků ucho pracuje jako kmitočtový analyzátor a vyhodnocuje kmitočet a amplitudu jednotlivých dílčích kmitů. Lidské ucho fázi zvukového signálu neregistruje. FYZIOLOGICKÁ A PSYCHOLOGICKÁ AKUSTIKA STUDIOVÁ TECHNIKA II 32 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Ohmův-Helmholzův psychoakustický zákon • Teorie slyšení (H. von Helmholz): dal Ohmovu teorii do souvislosti s Fourierovými řadami a transformací a rozdělil zvuky do tří kategorií: • harmonické signály, • složené periodické signály, • neperiodické signály. • Definoval tři fáze časové existence zvuků: • nakmitávací pochody, • výdrž tónu (zakmitaný stav), • dokmitávací pochody. • Hudební interpretaci barvy zvuku ztotožnil se zakmitaným stavem zvuku, tj. se stabilním kmitočtovým spektrem. FYZIOLOGICKÁ A PSYCHOLOGICKÁ AKUSTIKA STUDIOVÁ TECHNIKA II 33 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Fázové spektrum zvuku • Ve vjemu barvy zvuku není podle Ohmova-Helmholzova psychoakustického zákona zastoupena fáze jednotlivých spektrálních složek. • Vliv na barvu zvuku je dnes také přiznáván nakmitávacím a dokmitávacím pochodům. • Fázové spektrum má vliv na tvar signálu i jeho amplitudu. FYZIOLOGICKÁ A PSYCHOLOGICKÁ AKUSTIKA STUDIOVÁ TECHNIKA II 34 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Fázové spektrum zvuku • Uspořádané: závislost fáze na kmitočtu je lineární → konstantní skupinové zpoždění :  = –d/df, tzn. nemění se časový průběh signálu. • Neuspořádané: závislost fáze na kmitočtu není lineární → skupinové zpoždění  není konstantní → mění se časový průběh signálu. • Lidský sluch je schopen rozeznat i fázové zkreslení. FYZIOLOGICKÁ A PSYCHOLOGICKÁ AKUSTIKA STUDIOVÁ TECHNIKA II 35 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Jevy prvního řádu • Nelineární zkreslení ve sluchovém orgánu: vzniká při větších intenzitách zvuku (od hladiny 40 dB nad prahem slyšení) – vznik kombinačních spektrálních složek. • Aurální tóny: vjem výšky nejvyššího společného dělitele kmitočtově soudílných signálů. • Rázy (zázněje): pokud mají dva tóny kmitočty f1 a f2, které jsou blízké, přestáváme je vnímat jako samostatné tóny, ale jako jediný tón s kmitočtem (f1 + f2)/2 amplitudově modulovaný harmonickým signálem s kmitočtem f1–f2. FYZIOLOGICKÁ A PSYCHOLOGICKÁ AKUSTIKA STUDIOVÁ TECHNIKA II 36 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Maskování FYZIOLOGICKÁ A PSYCHOLOGICKÁ AKUSTIKA STUDIOVÁ TECHNIKA II 37 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Definice maskování 1. přicházejí-li do sluchového orgánu dva zvuky, může sluchový vjem vyvolaný jedním z nich převládnout tak, že zeslabí nebo potlačí vjem zvuku druhého 2. přítomnost silnějšího zvuku vytvoří na bazilární membráně takové podráždění smyslových buněk, že nejsou schopny přijmout slabší podráždění 3. maskovány jsou zvuky, které dráždí tatáž místa na bazilární membráně jako maskující zvuk 030 mm 1020 20 kHz0,02 20,2 maximální výchylka bazilární membrány vzdálenost od třmínku kmitočet 200 Hz 250 Hz 800 Hz FYZIOLOGICKÁ A PSYCHOLOGICKÁ AKUSTIKA STUDIOVÁ TECHNIKA II 38 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Definice pojmů • kmitočtové maskování: maskování současně znějících zvuků • dočasné maskování: maskování zvuku krátce před a po znění jiného zvuku • maskovací signál: slyšitelný signál s vyšší hladinou akustického tlaku • maskovaný signál: signál, který je díky maskování signálem s vyšší hladinou akustického tlaku neslyšitelný • maskovací křivka: účinek maskovacího zvuku na posun prahu slyšení • maskovací práh: práh slyšení při působení maskovacího signálu 100 1000 10000 0 50 100 f [Hz]  LP [dB(SPL)] harmonický maskovací signál FYZIOLOGICKÁ A PSYCHOLOGICKÁ AKUSTIKA STUDIOVÁ TECHNIKA II 39 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie 0,02 0,05 0,1 0,2 0,5 1 0 20 40 60 80 2 5 10 20 f [kHz] LP[dB(SPL)] slyšitelný maskovací tón i testovací tón slyšitelný pouze maskovací tón maskovací tón práh slyšení maskovací práh 100 Maskovací křivka pro harmonický (tónový) signál FYZIOLOGICKÁ A PSYCHOLOGICKÁ AKUSTIKA STUDIOVÁ TECHNIKA II 40 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie 0,02 0,05 0,1 0,2 0,5 1 0 20 40 60 80 2 5 10 20 f [kHz] LP[dB(SPL)] slyšitelný maskovací tón i testovací tón slyšitelný pouze maskovací tónpráh slyšení 100 maskovací práh Maskovací křivka pro harmonický (tónový) signál FYZIOLOGICKÁ A PSYCHOLOGICKÁ AKUSTIKA STUDIOVÁ TECHNIKA II 41 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Závislost maskovací křivky na typu maskovacího signálu 0 2000 4000 6000 8000 0 10 20 30 40 50 60 70 80 f [Hz]  LP [dB(SPL)] Maskovací křivka pro: úzkopásmový šum (Schröderova aproximace) střední kmitočet 2 kHz, hladina ak. tlaku 60 dB(SPL) harmonický (tónový) signál (MPEG psychoakustický model 2) kmitočet 2 kHz, hladina ak. tlaku 60 dB(SPL) FYZIOLOGICKÁ A PSYCHOLOGICKÁ AKUSTIKA STUDIOVÁ TECHNIKA II 42 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Závislost maskovací křivky na kmitočtu a akustickém tlaku 0 1 2 3 4 5 0 50 100 f [kHz]  LP [dB(SPL)] střední kmitočet 0,5 kHz 1 kHz 2 kHz hladina ak. tlaku 60 dB(SPL) střední kmitočet 1 kHz hladina ak. tlaku 100 dB(SPL) 60 dB(SPL) 20 dB(SPL) 0 1 2 3 4 5 0 50 100 f [kHz]  LP [dB(SPL)] maskovací signál: úzkopásmový šum FYZIOLOGICKÁ A PSYCHOLOGICKÁ AKUSTIKA STUDIOVÁ TECHNIKA II 43 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Kmitočtové maskování – širokopásmový šum 0,02 0,05 0,1 0,2 0.5 1 0 20 40 60 2 5 10 20 f [kHz] L[dBSPL] lWN = 40dB 30 20 10 0 10 10 dB na dekádu FYZIOLOGICKÁ A PSYCHOLOGICKÁ AKUSTIKA STUDIOVÁ TECHNIKA II 44 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Dočasné maskování • časově závislá změna maskovacího prahu kmitočtového maskování LM0 • post-masking: maskovací jev po odeznění maskovacího zvuku • pre-masking: maskovací jev před zazněním maskovacího zvuku –50 0 50 100 150 0 0 50 100 150 200 t1 [ms] LM(f,t)[dB(SPL)] pre- masking doba znění maskovacího zvuku kmitočtové maskování post- masking 200 LM0(f) t2 [ms] t1 – čas od začátku maskovacího signálu t2 – čas od konce maskovacího signálu LM0(f) – maskovací práh kmitočtového maskování na kmitočtu f FYZIOLOGICKÁ A PSYCHOLOGICKÁ AKUSTIKA STUDIOVÁ TECHNIKA II 45 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Lokalizace zdroje zvuku FYZIOLOGICKÁ A PSYCHOLOGICKÁ AKUSTIKA STUDIOVÁ TECHNIKA II 46 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Souřadnice podle hlavy posluchače r – poloměr  – azimut  – elevace y x z r   y z x mediální rovina horizontální rovina FYZIOLOGICKÁ A PSYCHOLOGICKÁ AKUSTIKA STUDIOVÁ TECHNIKA II 47 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Interaurální diference • Interaurální intenzitní diference (Interaural Intensity/Level Difference, IID/ILD). • Interaurální časové diference (Interaural Time Difference, ITD). • Binaurální rozdíl vzdáleností: • Zpoždění zvukového vlnění 29 s/cm. • Rozdíl vzdáleností mezi ušima (15 cm) odpovídá vlnové délce zvukového signálu s kmitočtem asi 2300 Hz. sin21 dddl  zdroj zvuku l l l IL IR I d d1 d2  FYZIOLOGICKÁ A PSYCHOLOGICKÁ AKUSTIKA STUDIOVÁ TECHNIKA II 48 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Kužel nejistoty • Body se stejnou vzdáleností od obou uší leží na hyperbolách  pozice zdroje zvuku není pouze pomocí IID a ITD definována jednoznačně. • Kužel nejistoty (cone of confusion): spojení bodů se stejným binaurálním rozdílem ve 3D prostoru. • Pro určení pozice zdroje zvuku ve 3D prostoru jsou nutné další mechanismy analýzy sluchového vjemu. FYZIOLOGICKÁ A PSYCHOLOGICKÁ AKUSTIKA STUDIOVÁ TECHNIKA II 49 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Interaurální intenzitní diference • Kratší dráha zvukového vlnění = nižší útlum šířením (velmi blízké zdroje). • Akustický stín hlavy: pro vyšší kmitočty, kde jsou rozměry hlavy větší než vlnová délka vlnění. FYZIOLOGICKÁ A PSYCHOLOGICKÁ AKUSTIKA STUDIOVÁ TECHNIKA II 50 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Interaurální intenzitní diference 30 20 10 0 -10 -20 -30 3020100-10-20-30 IID [dB] zdánlivýazimut[o] -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 zdánlivápozice ILD [dB] 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 zcela vlevo zcela vpravo uprostřed FYZIOLOGICKÁ A PSYCHOLOGICKÁ AKUSTIKA STUDIOVÁ TECHNIKA II 51 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Interaurální časové diference • Pro harmonické signály znamená ITD fázový rozdíl (Interaural Phase Difference, IPD) • Posune-li se vzájemně fáze zvuku dopadajících na obě uši, je zvuk vnímán na straně toho ucha, v němž fáze zvuku předbíhá. • Posune-li se fáze více než o polovinu trvání periody, pak zvuk přeskočí do druhého ucha. • ITD se projevuje u harmonických signálů do kmitočtu asi 800 Hz. • Kratší dráha zvukového vlnění = zvuková vlna dopadne na jedno ucho dříve než na druhé. 1 4 16 64 250 1000 0 4 8 12 16 20 24 28 trvání impulsu [ms]práhITD[s] FYZIOLOGICKÁ A PSYCHOLOGICKÁ AKUSTIKA STUDIOVÁ TECHNIKA II 52 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Interaurální časové diference 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 zcela vlevo zcela vpravo uprostřed 30 20 10 0 -10 -20 -30 10,50-0,5-1 ITD [ms] zdánlivýazimut[o ] -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 -15 -10 -5 0 5 10 15 zdánlivápozice ITD [ms] FYZIOLOGICKÁ A PSYCHOLOGICKÁ AKUSTIKA STUDIOVÁ TECHNIKA II 53 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Zpracování interaurálních časových diferencí mozkem • Jeffressův model: zpožďovací linka a detektor shody. 1 2 3 4 5 6 7 FYZIOLOGICKÁ A PSYCHOLOGICKÁ AKUSTIKA STUDIOVÁ TECHNIKA II 54 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Jeffressův model • Zvukové vlnění dopadající zepředu 1 2 3 4 5 6 7 FYZIOLOGICKÁ A PSYCHOLOGICKÁ AKUSTIKA STUDIOVÁ TECHNIKA II 55 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Jeffressův model • Zvukové vlnění dopadající zleva. 1 2 3 4 5 6 7 FYZIOLOGICKÁ A PSYCHOLOGICKÁ AKUSTIKA STUDIOVÁ TECHNIKA II 56 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Jeffressův model • Zvukové vlnění dopadající zprava. 1 2 3 4 5 6 7 FYZIOLOGICKÁ A PSYCHOLOGICKÁ AKUSTIKA STUDIOVÁ TECHNIKA II 57 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Lokalizace zvuku v mediální rovině • Lateralizace: vnímání zvuku na spojnici mezi oběma ušima uvnitř hlavy. • Externalizace: lokalizace zdroje zvuku vně hlavy. 8 kHz 500 Hz 10 kHz16 kHz 1 kHz200 Hz 2 kHz  FYZIOLOGICKÁ A PSYCHOLOGICKÁ AKUSTIKA STUDIOVÁ TECHNIKA II 58 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Lokalizace zvuku v mediální rovině • Změny spektra na vyšších kmitočtech • akustický stín boltce • odrazy od ramen • odrazy ve vnějším uchu • Pohyb zdroje zvuku • Pohyby hlavou • Odrazy zvuku v prostoru Mehrgardt, S., Mellart, V. „Transformation characteristics of the external human ear“, Journal of the Acoustical Society of America, 61, 6/1977, s. 1567-1576. FYZIOLOGICKÁ A PSYCHOLOGICKÁ AKUSTIKA STUDIOVÁ TECHNIKA II 59 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Odrazy od boltce a ramen • Odrazy od boltce: • akustický směrový filtr – pro každý směr se mění dráhový rozdíl původního signálu a signálu odraženého od vnitřní struktury boltce, • na bubínku se setkávají s různými fázovými posuny v závislosti na vlnové délce, • každému směru odpovídá jiný filtr, • pro různé směry vznikají lokální extrémy v části přenosové funkce. • Odrazy od ramene: část odraženého signálu směřuje k boltci a sečte se se signálem přímým. Algazi, R., Aveando, C., Thompson, D., Avendano, C., “CIPIC HRTF Database,” in Proc. IEEE WASPAA´01, New Platz, NY, 2001, http://interface.cipic.ucdavis.edu/. FYZIOLOGICKÁ A PSYCHOLOGICKÁ AKUSTIKA STUDIOVÁ TECHNIKA II 60 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Lokalizace zvuku – shrnutí 1. Nízké kmitočty: do kmitočtu 400, resp. až 700 Hz nepředstavuje hlava žádnou překážku – IID resp. ILD jsou zanedbatelné a o směru přicházejícího zvuku rozhodují ITD resp. IPD. 2. Střední kmitočty: pro signály od kmitočtu 400, resp. 700 Hz je vlnová délka signálu tak malá, že ITD resp. IPD nejsou nejdůležitějším faktorem, záleží spíše na IID resp. ILD způsobené akustickým stínem hlavy. 3. Vysoké kmitočty: u kmitočtů nad cca 5 kHz se projevují spektrální změny zvuku vlivem odrazů od ušních boltců. FYZIOLOGICKÁ A PSYCHOLOGICKÁ AKUSTIKA STUDIOVÁ TECHNIKA II 61 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Odhad vzdálenosti zdroje zvuku • V bezodrazovém prostoru: • na základě znalosti intenzity zdroje zvuku – se vzrůstajícím kmitočtem vzrůstá útlum na jednotku délky • V prostoru s odrazy: • na základě znalosti prostoru a analýzy impulsní odezvy prostoru FYZIOLOGICKÁ A PSYCHOLOGICKÁ AKUSTIKA STUDIOVÁ TECHNIKA II 62 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Jev priority • Haasův efekt, efekt předstihu, precedence effect, law of the first wavefront • Zvuková vlna, která dorazí k uchu první, převažuje při určování směru. • Haasův experiment: přichází-li odraz k posluchači se zpožděním do 30 ms, posluchač směr odrazu nevnímá, odražený signál nepostřehne a zdroj zvuku určuje podle příchodu přímé zvukové vlny i tehdy, když hladina intenzity odražené vlny je o 7 až 10 dB vyšší než hladina intenzity přímé vlny. 20 40 60 80 100 120 0 20 40 60 80 0 zpoždění [ms] rušení[%] 140 160 L eL p=10dB 0 3 6 10 FYZIOLOGICKÁ A PSYCHOLOGICKÁ AKUSTIKA STUDIOVÁ TECHNIKA II 63 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Fyziologická a psychologická akustika